改性水玻璃固化黄土的水稳性分析

水玻璃是硅酸盐在水中真溶液和胶体溶液并存的体系，具有黏附力强、胶结性能好的特点，新的研究表明水玻璃具老化现象［1-2］。水玻璃的生产始于17世纪中叶，来源丰富、成本低、环境影响小，广泛应用于国民经济的各行业［3］。在机械铸造业，水玻璃作为砂型的黏结剂［1-3］；在开采石油的钻井工程中，水玻璃可用于泥页岩地层水基钻井液的防塌剂［4］；在岩土工程实践中，水玻璃可作为岩土体的灌浆材料或与其他材料联合使用，至今是应用最广和用量最大的化学浆材［5］。

对于水玻璃固化地基（层）的作用机理，国内外有许多学者和机构进行过研究［5-17］，已有的认识是：水玻璃与加入其中的反应剂、地层中的碱土金属盐或pH值低于9的孔隙水，生成硅酸凝胶使土颗粒之间及其表面形成凝胶薄膜，将土颗粒胶结或堵塞井壁裂缝及孔隙，增强了土颗粒间的联结能力，提高了土体强度。尤其在硅化黄土时，尚能保持其微结构中架空孔隙基本不变［13］。

实际上，土体是多矿物组分、多粒度组分，并具有特殊的微结构。土体的矿物成分包括各种碎屑矿物、碳酸盐类矿物和黏土矿物等。黏土矿物是土体微结构的集粒或主要胶结物，是土体矿物质中最活跃的成分，其性能极大地制约着土体的物理、化学、力学性质［18］。土体固化的一个核心问题就是使用适宜的材料改变或抑制黏土矿物的活性和表面结构，使其由亲水性成为疏水性，抑制或降低其含水量，使黏土遇水后不再吸水膨胀，提高土体的力学性能和水稳定性［12］。

前述固化机理中涉及水玻璃与黏土矿物的相互作用。为不断满足石油钻井、化工等行业的应用发展，一些学者探讨了在80℃、120℃、150℃和200℃条件下，水玻璃与膨润土、高岭土之间的化学作用［19-22］。在石油钻井工程中，经常会遇到含黏土矿物较多的岩石如页岩，出现页岩水化、井壁失稳等问题。石油钻井工程有其自身的特点，随着钻井深度的增加，地温在增加。在高温条件下，如何保证井壁稳定就成为钻井过程中的重大技术难题。近年来，以钠水玻璃和钾水玻璃为井壁主要稳定剂的应用较多，被普遍认为是最具发展前景的水基钻井液之一。对此，丁锐、刘孝恒等进行了相应的模拟实验，研究了在80℃和120℃条件下，膨润土、高岭土与水玻璃之间的作用特点；陈秀琴等研究了在200℃条件下，高岭土与水玻璃之间的固化机理。这些研究表明：在80℃时，膨润土被水玻璃固化后，固化物晶形以蒙脱石为主，黏土颗粒表面的Si/Al摩尔比提高了，Na含量也提高了。水玻璃结合到黏土表面，可能出现下列反应：黏土颗粒表面上和铝相连接的羟基与水玻璃硅烷醇发生了缩合反应；同时，硅酸根与蒙脱石羟基发生动态交换，处于形成NaOH的过渡状态。这些反应增加了黏土颗粒之间的胶结力。但这些反应物用清水反复冲洗后，具有可逆性，而实际现场应用中不具备这样的条件。在120℃时，膨润土、高岭土与水玻璃的固化物，晶形仍以蒙脱石、高岭石为主，并且蒙脱石可包含更多的水玻璃成分，水玻璃进一步加强了硅酸盐的层间作用力，可能形成新的夹层物质。在200℃时，高岭土与水玻璃之间发生化学反应，高岭石X衍射峰消失，代之是新的衍射峰，形成了新的物相。在低于200℃加热固化过程中，结合X衍射和红外光谱结果分析，水玻璃硅烷醇间有缩合反应；同时，高岭石颗粒表面上和铝相连接的羟基与水玻璃硅烷醇也发生了缩合反应，而高岭石的骨架不变，产生新的Al-O-Si键与原来结构中的Al-O-Si键相似，红外光谱吸收峰重叠。(www.xing528.com)

岩土工程实践中，一般是在常温条件下进行岩土体的加固，水玻璃与黏土矿物必定也发生一定的化学作用或物理化学作用，这方面较详细的研究较少［23-24］，有必要进行深入探讨。

本研究在常温条件下选用黏土矿物和水玻璃进行试验。对水玻璃及其固化黏土矿物前后的试样采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS），分析试样固化前后的形貌特征、物相变化、化学元素及其价态变化，探讨水玻璃和黏土矿物间的化学胶结机理。