改性水玻璃固化黄土的水稳性机理研究

水玻璃液体中存在硅酸盐分子、离子化合物以及二硅酸盐离子等组分，如Si（OH）4、SiO32-、HSiO3-、HSi2O5-、Si2O52-和Na+；同时也存在带负电荷的多硅酸胶体粒子（胶粒），胶粒失水缩聚形成增大的团聚体而使水玻璃老化［1-2］。

先以蒙脱石为例来分析水玻璃固化黏土矿物的机理。蒙脱石在水溶液中易分散成片状颗粒。水化分散的颗粒可能在端面存在裸露的铝离子带正电荷，吸附带负电的硅酸离子或胶粒。在水玻璃的碱性溶液中，端面的Al-OH（铝醇基）具有酸的特性，能解离出H+，可能产生Al-O-Si键，吸附硅酸离子或硅酸胶粒；端面的Si-OH（硅烷醇基）与水玻璃中Si-OH以Si-O-Si键吸附硅酸离子或硅酸胶粒形成水合硅酸凝胶。因晶格置换而带负电荷的黏土颗粒板面形成水化Ca2+、Na+的吸附层，在其外围形成由水化Ca2+、Na+及硅酸离子组成的扩散层。水化Ca2+易与硅酸离子发生静电吸附，其Ca-2p电子结合能变小，形成水合硅酸钙凝胶，吸附在颗粒板面，即端面上的水合硅酸凝胶和板面上水合硅酸钙凝胶吸附在颗粒表面形成团粒。

对未水化分散的黏土颗粒，水玻璃中的阴离子如SiO32-等与蒙脱石层间域溶解状态的Ca2+发生静电吸附作用，SiO32-进入层间域；同时在带负电荷的晶层平面还会与Na+进行当量吸附，将蒙脱石晶片联结起来。在晶层端面发生与分散颗粒端面一样的吸附作用，且吸附的微粒还有胶粒，堵住颗粒端部晶层间隙，水分很难进入黏土颗粒层间域。如果胶粒吸附在层间平面或层间域，可以预期蒙脱石固化样晶层间距d（001）会增大。XRD结果中晶层间距未增大，对胶粒吸附在晶层端面做出了肯定。如果胶粒吸附在层间域，晶层间距不增大，需消除水玻璃的老化现象，如17～29Å间的胶粒能保持83天［2］。故需对水玻璃输入能量进行物理改性或化学改性，胶粒细化到15Å以下才可满足要求。胶粒愈小悬空键愈多，化学反应与吸附能力愈强，固化样的胶结性能愈好。(www.xing528.com)

伊利石K+嵌入相邻晶层间的氧原子网格形成的空穴中，晶层连接牢固。高岭石晶层间主要是通过八面体OH和另一层四面体的O以氢键联结，层间结合力较弱，层间不易吸附水分子，水化作用仅限于外表面；高岭石没有或很少有晶格取代，层电荷几乎为零，永久电荷极少，电荷主要源于结构边缘断键或暴露在表面的Al-OH、Si-OH的解离。伊利石和高岭石在晶体端部可能发生与蒙脱石颗粒端面一样的吸附作用，封闭晶层间端部间隙，水分子几乎难以进入层间域。较高浓度的水玻璃因其硅酸离子或胶粒多，封闭端部间隙效果较低浓度的水玻璃好。若对水玻璃进行改性，细化胶粒，会加强端部间隙的封闭。

综上所述［26-27］，水玻璃固化黏土矿物时，在其颗粒板面和端面或晶层平面和端面存在复杂的化学吸附和物理化学吸附，形成了团粒，具有很大表面能的团粒进一步失水缩聚，形成晶质黏土矿物和非晶质硅酸盐凝胶共存的网状结构产物，限制了黏土矿物的活性，固化了黏土矿物；提高水玻璃固化黏土矿物胶结性能的途径在于水玻璃的改性，增加细化胶粒含量。