6.2.4 电石灰固化盐渍土
电石灰是电石与水在形成乙炔气的过程中产生的工业废料，主要成分是氢氧化钙。电石灰加入盐渍土中后，初期主要表现为土的结团、塑性降低、最优含水率的增大和最大干密度的减小等;在后期主要表现为结晶结构的形成，从而使板结性、强度和稳定性得到提高。电石灰固化盐渍土中发生的物理化学反应主要有以下作用。
1．离子交换作用
土的微小颗粒具有一定的胶体性质，一般都带有负电荷，表面吸附着一定数量的钠、氢、钾等低价阳离子(Na+、H+、K+)。电石灰是一种强电解质，在土中加入电石灰和水后，电石灰在溶液中电离出来的钙离子(Ca2+)就与土中的钠、氢、钾离子产生离子交换作用，即
Ca(OH)2→Ca2++ 2(OH)－
X++Ca2+←→Ca2++ X+
式中X+——一价金属离子，如Na+、H+、K+等。
原来的钠(钾)土变成了钙土，土颗粒表面所吸附的粒子由一价变成了二价，由于Ca2+的结合水膜厚度比土吸附一价金属离子(Na+、H+、K+)要薄，Ca2+结合水膜受外界水分影响的变化不大，因此，Ca2+具有许多优良的物理力学性质，特别是表现了良好的水稳性。由于离子交换作用，减少了土颗粒表面吸附水膜的厚度，使土粒相互之间更为接近，分子引力随着增加，许多单个土粒聚成了小团粒，组成一个稳定结构。
2．结晶硬化作用
电石灰(Ca(OH)2)掺入土中，绝大部分饱和Ca(OH)2在土中自行结晶，其化学反应式为
Ca(OH)2+ n H2O→Ca(OH)2·n H2O
电石灰吸收水分(胶体)→含水晶体(晶体)。
由于结晶作用，Ca(OH)2由胶体逐渐成为晶体。这种晶体能够相互结合，并与土粒结合形成共晶体，即把土粒胶结成晶体。晶体的Ca(OH)2与不定形(非晶体)的Ca(OH)2相比，溶解度几乎小一半，因而电石灰土的水稳性得到提高。
3．火山灰作用
火山灰作用是指电石灰与土中活性的氧化硅和氧化铝起化学反应，生成含水的硅酸钙和铝酸钙过程，它们在水分作用下能逐渐结硬，其反应式为
x Ca(OH)2+ SiO2+(n－1)H2O→x CaO·SiO2·n H2O
x Ca(OH)2+ A12 O3+(n－1)H2 O→x CaO·A12 O3·n H2 O
式中x表示1或2。
反应生成的化合物是一种水稳性良好的结合料。火山灰反应是在不断吸收水分的情况下逐渐发生的，因而具有水硬性质。火山灰反应是构成电石灰土早期强度的主要原因。
Ca(OH)2·n H2 O所形成的立体结晶网格和结晶硅酸钙(x CaO·SiO2·n H2 O)、结晶铝酸钙(x CaO·Al2O3·n H2O)虽然含量很少，但这些胶凝物质具有水硬性质，能够在固体与水二相环境下发生硬化，并且这些胶凝物质(x CaO·SiO2·n H2O、x CaO·Al2O3·n H2O)和氢氧化钙结晶(Ca(OH)2·n H2 O)在土的团粒外围形成一层稳定的保护膜，具有很强的黏结力，把土团粒胶结起来。同时，保护膜还能起隔离作用，阻止水分进入。因此，这层稳定保护膜是灰土获得强度和水稳性的基本因素。
4．Ca(OH)2的碳酸化作用
Ca(OH)2的碳酸化作用是指电石灰固化土暴露在空气中，Ca(OH)2与空气中的CO2发生化学反应生成CaCO3的过程，其化学反应方程式为
Ca(OH)2+ CO2→CaCO3+ H2O
所生成的不溶于水的CaCO3具有较高的强度与水稳性，其对土的胶结作用使土固化。另外，CaCO3的固相体积比Ca(OH)2的固相体积略微增大，致使固化填料体积更加密实。反应中的
CO2可能由混合料的孔隙渗入或随雨水渗入，也可能由土本身产生，而电石灰固化土的表层发生碳酸化反应形成的CaCO3硬壳，阻碍了CO2的进一步渗入和水分的向外散发。因此，Ca(OH)2的碳酸化反应是个相当长的过程，这是电石灰固化填料后期强度增长的主要原因之一。
电石灰与土混合均匀后，其内部将发生离子交换、火山灰反应和电石灰本身的碳化与结晶等物理化学变化，离子交换后使黏土胶团双电层中的电动电位降低，扩散层减薄，增加了土粒间的范德华力;火山灰反应将生成含水硅酸钙、铝酸钙等胶凝物质;电石灰碳化后形成碳酸钙晶粒;电石灰结晶是指氢氧化钙由原来的松散的无定形状态变为晶体状态，只要有水和空气存在，不论电石灰土混合料处于松散状态或密实状态，上述四个物理化学变化总是不断进行，直到电石灰中的活性氧化钙、活性氧化镁反应完毕为止。电石灰本身的碳化与结晶作用主要是电石灰自身反应的结果，反应的程度对土质的变化影响不大。即无论电石灰与何种土进行固化加固，只要电石灰剂量保证，电石灰的质量满足要求，电石灰的碳化与结晶过程是不会有太大的差异的。离子交换、火山灰反应不仅受电石灰质量、剂量的影响，而且土本身的各种性能将显著地影响到这两种作用的程度和结果，不同的土质与这两种反应过程会有显著的差异。
电石灰固化土早期强度的形成关键在于离子交换和火山灰反应的程度大小。根据离子交换反应的原理，土颗粒进行反应能力的大小之一是取决于土的表面积大小，之二是取决于土的交换容量的多少。当电石灰中的钙离子与土粒之间发生离子交换反应时，交换的部位都是在土颗粒的表面进行的，所以，土粒的表面积越大，可交换的部位也就越多，效果也就越显著。火山灰反应生成的产物是一种具有很高水稳性的凝胶物质，依靠这种产物将土的颗粒胶连、包裹在一起，形成电石灰土的早期强度。影响这一过程的因素:一是取决于外因条件，如周围环境的温度和湿度，电石灰的质量与剂量;二是取决于内因条件，主要是指土质因素。当外界条件充分满足的条件下，内因即土质因素就起着决定性的作用。土的成分对火山灰反应起着至关重要的作用，火山灰反应的氧化物只是具有活性的二氧化硅和三氧化二铝，这些活性的氧化物与电石灰作用，生成凝胶物质。
经过物理的和化学的作用，电石灰固化土发生团聚，由于胶凝物生成，构成了凝胶团聚结构。随着龄期的增长，棒状及纤维状结晶体形成并不断生长，构成了结晶体的网架结构。随着龄期的继续增长，胶凝结构层加厚，结晶的网架结构加密，形成了胶凝－结晶的网状混合结构。离子交换反应使泥土颗粒胶体絮凝，土的水稳性得到了改善，电石灰土获得初期的水稳性;碳酸化反应与火山灰反应对提高电石灰土的强度与稳定性起决定性作用。当它们的生成物处于胶凝状态时，电石灰土结构属凝聚结构，随着结晶网架的形成，逐渐向结晶缩合结构转化，其刚度不断增加。
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