碳酸盐渍土是指含盐量超过一定数值土的统称^[1]。联合国粮食农业组织资料表明，全世界盐渍土的总面积为954.832×10⁴ km²，占陆地面积的7.26%, 其中3.84%分布在中国，居世界第4位^[2]。碳酸盐渍土本身具有盐胀性、冻胀性和溶陷性等特性，会对路基的稳定性造成诸多不利影响^[3]，因此针对特殊土路基需要使用相适应的工程技术手段来确保路基的可靠性与稳定性^[4-5]。目前据相关统计全世界每年排出1.5~1.8亿吨工业木质素^[6]，经过工业木质素磺化制得的磺酸型阴离子表面活性剂，因其具有较高的界面活性、抗温、抗盐、耐酸、耐碱等优点在民用与工业领域被广泛应用^[7-8]。

目前国内外利用磺酸型表面活性剂改良土体性能的研究逐渐增多。姬胜戈^[9]对磺酸型表面活性剂固化分散性土的改良机理进行了阐释，磺酸型表面活性剂通过提高分散性土体的交换吸附性的钠离子含量，降低土体颗粒双电层厚度，从而使土颗粒之间引力增加，并从微观角度分析得出土体工程特性的提高是由于磺酸型表面活性剂与土体颗粒胶结填充了土颗粒间的空隙造成的。Tingle^[10-11]通过X射线衍射试验、微观电镜扫描图像试验探究了磺酸型表面活性剂加固黏土土体的机理，研究发现木质磺酸盐包裹了土壤颗粒形成了一种物理类的连接，土壤中阳离子发生了交换，但不能确定是否发生了化学反应。Alazigha^[12]在上述已有的试验基础上，补充了核磁共振试验(NMR)、CT断层扫描试验(CT-Scan)和比表面积试验(SSA)。他们认为磺酸型表面活性剂改良机理是因为在氢键作用下，黏土矿物表面产生吸附作用。在共价键作用下，土颗粒产生连接作用。在阳离子交换作用下，土体颗粒形成颗粒吸附和连接作用，导致土体强度提升。

综合国内外研究，目前研究都集中于使用磺酸型表面活性剂改良分散性土与黏土。使用磺酸型表面活性剂改良碳酸盐渍土的研究较少，因此为了弥补此处研究的空白，本研究采用磺酸型表面活性剂改良碳酸盐渍土，通过一系列测试，包括击实试验、界限含水率试验、酸碱度测试、阳离子交换量测试、红外光谱官能团分析和电镜扫描等试验，探究磺酸型表面活性剂改良碳酸盐渍土的改良机理。

研究采用的土壤采集于吉林省西部平原，根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)对采集的土样进行风干、松散处理，随后进行颗粒分析试验、击实试验、界限含水率测试、以及易溶盐检测等试验，探究试验用土的基本理化性质。如表 1所示，根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)，判定采集土壤为碳酸盐渍土。通过扫描电镜对采集的碳酸盐渍土进行微观结构检测如图 1所示，发现碳酸盐渍土骨架颗粒轮廓整体清晰，土体颗粒主要呈现出米粒状和片状且颗粒表面光滑。未进行改良的碳酸盐渍土孔隙发育，主要为镶嵌孔隙且分布不规则的。骨架颗粒之间仅有少许黏性物质，胶结程度差，土体结构整体疏松稳定性差。

图 1 碳酸盐渍土微观结构 Fig. 1 Microstructure of carbonate saline soil

图选项

本研究使用的表面活性剂为磺酸型表面活性剂是造纸业经过处理后的工业副产品，分子式为C₂₀H₂₄CaO₁₀S₂，分子量为528.61，纯度≥98%，有机质含量为63.20%。磺酸型表面活性剂是一种黄褐色的水溶性粉末，易溶于水，溶于水后呈现为偏黑的深棕色溶液并且伴有芳香气味，其1%水溶液pH值为5.46。因其结构复杂，并且化学性质稳定在自然状态下不会轻易分解，具有很强的黏结性，水溶液更是具有胶体特性。

根据改良碳酸盐渍土的相关文献报道，表面活性剂的掺量即表面活性剂质量与风干土质量的比值，本研究选取表面活性剂掺量为0%，1%，2%，3%，4%，5%。为避免试验过程中有其他杂质掺入，试验过程中采用蒸馏水进行拌和。采用三瓣模将土样静压入模，制好的试件采用保鲜膜包裹并编号，随后放入养护箱中养护。养护温度为(20±2)℃，相对湿度≥95%，试样间距为10 mm。为方便研究保证试验数据准确性，仅取试件中心位置土样。采用击实试验、界限含水率试验、酸碱度试验、阳离子交换量检测、红外光谱官能团分析和扫描电子显微镜试验，对表面活性剂改良土进行改良机理探究试验，试验方案见表 2。

土的无侧限抗压强度反映着土层破裂时的最大竖向应力，因此采用无侧限抗压强度作为力学性能分析指标。图 2为无侧限抗压强度随碳酸型表面活性剂掺量变化规律。从图中可以发现碳酸型表面活性剂可以显著提升碳酸盐渍土的力学性能。在不同养护龄期条件下，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度随着碳酸型表面活性剂掺量的增加，先增大后减小，均在掺量为3%时获得无侧限抗压强度的极大值。以养护龄期60 d为例，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度随着碳酸型表面活性剂掺量逐级增加，增长速率逐渐加快。在掺量为3%时改良碳酸盐渍土无侧限抗压强度为369.98 kPa，原样土无侧限抗压强度为231.38 kPa，较于原样土提升59.9%。当掺量超过3%时，碳酸型表面活性剂对土体的无侧限抗压强度的提升具有反作用，无侧限抗压强度出现了逐渐下降的趋势。掺量为5%时改良碳酸盐渍土无侧限抗压强度为280.68 kPa，相较于最优掺量3%时，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度下降了24.1%。虽然碳酸型表面活性剂掺量为5%时会导致无侧限抗压强度下降，但相较于原样土，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度依旧提高了12.6%。

图 2 改良土的无侧限抗压强度 Fig. 2 Unconfined compressive strength of modified soil

图选项

为了便于研究表面活性剂改良土的改良机制，按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)研究分析了不同掺量下界限含水率和塑性指数的变化规律。图 3为表面活性剂掺量与塑性特性的关系曲线。可以看出随着表面活性剂的掺入液限、塑限以及塑性指数整体减小，当表面活性剂掺量为5%时，与未改良的碳酸盐渍土相比液限、塑限和塑性指数分别下降32%、25%和64%。

图 3 表面活性剂掺量与塑性特性的关系曲线 Fig. 3 Relation curves of surfactant content and plastic properties

图选项

液限W_L、塑限W_P和塑性指数I_P的下降有以下几点原因：(1)从土体颗粒角度进行分析，碳酸盐渍土在加入表面活性剂后，由于表面活性剂具有黏合性，增强了土体颗粒的毛细水液面张力和土体表面张力，使土体颗粒之间逐渐凝聚。土体颗粒逐渐变大，土粒愈粗，则比表面积愈小，结合水愈难形成吸附水膜附着在土体颗粒上，最终导致液限W_L、塑限W_P和塑性指数I_P出现下降的趋势。(2)从土中水溶液性质角度分析，随着表面活性剂掺量的增加，由表面活性剂分解的钙离子数量逐渐增加。土体颗粒表面吸附的反离子层中阳离子数量逐渐减少，结合水层厚度逐渐变薄，因此液限W_L、塑限W_P和塑性指数I_P逐渐下降。

图 4为表面活性剂掺量与击实参数的关系曲线，从图中可以看出随着表面活性剂掺量的增加改良碳酸盐渍土的最佳含水率逐渐减小，当掺量超过3%时，最佳含水率出现急剧下降的趋势。然而在此过程中随着表面活性剂掺量的增加最大干密度上升趋势并不明显。其中最佳含水率由10.56%下降至6.42%，同比下降39.2%。最大干密度由1.94 g/cm³上升至1.96 g/cm³，同比上升1%。

图 4 表面活性剂掺量与击实特性的关系曲线 Fig. 4 Relation curves of surfactant content and compaction characteristics

图选项

分析原因在于表面活性剂的掺入改变了碳酸盐渍土结合水膜厚度，由于表面活性剂具有吸附性，当表面活性剂掺入碳酸盐渍土后，表面活性剂细小的颗粒便包裹在土体颗粒之间，随着土体颗粒间距逐渐增加，土体颗粒间的相对位移阻力逐渐减小，引力逐渐增加。与此同时在击实功能作用下，土体颗粒间不再需要过多的水分来形成结合水膜，因此导致最佳含水率逐渐降低。土体的最大干密度主要与击实功能大小、土的颗粒机配、土的粒径、以及土的含水良息息相关^[13]。随着表面活性剂掺量的增加，土体颗粒因被碳酸型表面活性剂包裹，导致土体颗粒粒径逐渐变大。当土体中粗粒越来越多，相同含水率条件下，在同样的压力作用下，土粒之间就越容易错动从而压密变实，因此最大干密度逐渐增加。

由于土样采集地点多处于农田河流，必须考虑改良剂的引入是否会造成土壤酸碱度污染。另一方面土体pH值过低或过高都会对高速公路附属结构构造物产生酸性或碱性腐蚀。因此pH值既是衡量环境污染的重要指标，又是改良剂作用机理的宏观体现。依据JTG 3430—2020进行酸碱度测试，取土样1%浓度水溶液测试pH值。重点探究分析了不同掺量、不同养护龄期下pH值的变化规律。

图 5(a)为表面活性剂掺量对pH值的影响。随着表面活性剂掺量的增加pH值逐步下降，土体趋于中性。因此表面活性剂改良土不会造成土壤酸碱化。当掺量超过1%后表面活性剂改良土的pH值急速下降随后趋于平缓。养护龄期60 d、掺量为5%的表面活性剂改良土pH值为7.23。未进行改良的碳酸盐渍土pH值为8.22，表面活性剂改良土pH值下降12%。图 5(b)为养护龄期对pH值的影响。随着养护龄期的增加表面活性剂改良土的pH值逐步下降。表面活性剂改良土在养护14 d后，pH值下降趋势趋于缓慢。无论养护龄期如何变化，表面活性剂改良土的pH值均小于天然土。养护龄期60 d时，掺量为5%的表面活性剂改良土的pH值为7.23。而养护龄期为7 d的表面活性剂改良土pH值为7.56，pH值下降了4.4%。

图 5 改良碳酸盐渍土的pH值 Fig. 5 pH values of modified carbonate saline soil

图选项

酸碱度出现变化的原因在于黏土颗粒的热力学电位发生了改变^[14]，黏土颗粒表面和边缘会暴露出羟基并且具有分解的趋势：SiOH→SiO^-+H⁺。因受所处环境酸碱度的影响，当土体颗粒处于碱性环境时，则H⁺+OH^-→H₂O反应向右进行，反之则向左进行。羟基的离解度降低，OH^-逐渐减少，净负电荷数减少，双电层厚度变薄，土颗粒絮凝^[15]。因此当表面活性剂掺入碳酸盐渍土后，由于表面活性剂本身显酸性，羟基分解趋势逆向进行从而离解度降低，导致SiO^-吸附的Na⁺含量降低，因此表面活性剂不仅可以降低了碳酸盐渍土的pH值还使土体颗粒发生絮凝宏观上提高了土体的工程特性。

阳离子交换量反映着土体颗粒结合水膜中具有交换能力的阳离子总量，是判断是否盐碱化的重要指标，同时也是改良剂与碳酸盐渍土相互作用机理的宏观表现。根据JTG 3430—2020测试了养护龄期60 d时不同掺量下表面活性剂改良土的阳离子交换量，重点分析了不同掺量下阳离子交换量的变化规律，从而为表面活性剂改良碳酸盐渍土的机理分析提供依据。图 6为表面活性剂掺量对阳离子交换量的影响。随着表面活性剂掺量的增加，交换盐基中Ca²⁺含量逐渐降低，阳离子交换量与交换盐基中Na⁺逐渐增加。表面活性剂掺量为5%的改良土的阳离子交换量为10.32，未进行改良的碳酸盐渍土的阳离子交换量为1.05，阳离子交换量比改良前增加883%，Ca²⁺降低了99%，Na⁺增加1 205%。综上表明，表面活性剂的掺入发生了阳离子交换反应。

图 6 表面活性剂掺量与改良土阳离子交换量的关系曲线 Fig. 6 Relation curves of surfactant content and improved soil cation exchange capacity

图选项

表面活性剂掺入土体中后，原生矿物和次生矿物具有稳定性，不会与表面活性剂发生化学反应生成新的矿物质，但引入了大量的Ca²⁺改变了土体中原有的易溶盐含量。此外，根据阳离子交换能力，在相同条件下，Ca²⁺的置换能力要强于Na⁺如图 7(a)所示。土体空隙中充斥着大量游离的Ca²⁺，在与土颗粒接触后会紧紧吸附在土颗粒表面置换出Na⁺。随着表面活性剂掺量的增加，交换吸附出来的Na⁺逐渐增多而Ca²⁺下降，宏观表现为阳离子交换量不断上升。同时表面活性剂中的极性基团磺酸基(—SO₃H)显负电性如图 7(b)所示，在阳离子桥接作用下被吸附到黏土颗粒表面，并将阳离子束缚在原位。根据双电层理论，Ca²⁺具有的双电层厚度和水化半径比Na⁺小，导致矿物层间距变小，从而在减小了晶粒尺寸的同时减小了土颗粒间距，使Ca²⁺絮凝能力更强，土体结构更加密实。

图 7 表面活性剂与碳酸盐渍土相互作用机理示意图 Fig. 7 Schematic diagrams of interaction mechanism between surfactant and carbonate saline soil

图选项

红外观谱官能团分析是指红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息^[16]。本节采用Nicolet IS型傅里叶变换红外光谱仪对表面活性剂改良土进行红外光谱分析。图 8为养护龄期60 d时，不同掺量下表面活性剂改良土的红外光谱图。

图 8 改良碳酸盐渍土红外光谱 Fig. 8 Infrared spectrum of modified carbonate saline soil

图选项

从图中可以看出不同的峰值代表着不同的官能团。根据以往研究^[17-19]对红外光谱中官能团进行分析3 416 cm^―1的峰值氢键的吸收峰，表明表面活性剂的掺入引入了大量的氢键；2 928 cm^―1附近的峰值代表不同的C—H健；2 851 cm^―1附近的峰值是表面活性剂官能团中脂族亚甲基、芳香环以及二烷基醚键共同作用形成的。2 520 cm^―1为方解石中C O健；1 617 cm^―1的峰值则与芳香族的C C振动以及脂肪烃类的C—H弯曲振动有关；1 500 cm^―1附近的峰为芳香环的振动范围；1 027 cm^―1则是磺酸基团与烷基醚键振动共同作用的混合峰；872 cm^―1与778 cm^―1由石英中Si—O的对称弯曲振动造成，693 cm^―1与513 cm^―1由Si—O—Al弯曲造成。总体来看，碳酸盐渍土经过改良前后测试土样的光谱图非常相似且没有产生新的峰值，这说明表面活性剂掺入碳酸盐渍土后官能团没有发生太大改变。

微观结构研究可以从微观角度观察土体结构的差异性，通过微观结构研究可以找到宏观力学特性变化的原因，因此微观结构研究可作为评价表面活性剂改良土力学性质的重要方法。改良碳酸盐渍土力学性能的提升得益于土体颗粒围观的排列方式、孔隙特征以及土体颗粒的联结，对表面活性剂改良土体进行微观研究可以从微观角度更好地揭示改良土性能提升的原因。采用扫描电子显微镜观察土颗粒排布方式和孔隙分布特征，重点分析了养护龄期60 d各种掺量表面活性剂改良土的电镜图片，见图 9。

图 9 改良碳酸盐渍土微观结构 Fig. 9 Microstructure of modified carbonate saline soil

图选项

图 9(a)为未进行改良的碳酸盐渍土SEM图像，从图像中可以清晰看出，碳酸盐渍土骨架颗粒轮廓整体清晰，土体颗粒主要呈现出米粒状和片状且颗粒表面光滑。未进行改良的碳酸盐渍土孔隙发育，主要为分布不规则的镶嵌孔隙。骨架颗粒之间仅有少许黏性物质，胶结程度差，土体结构整体疏松稳定性差。通过扫描电镜试验发现，活性剂的掺入使土体颗粒间出现了凝聚现象。图 9(b)~ (f)为各种掺量下表面活性剂改良土SEM图像，从图像中可以看出，随着表面活性剂的掺入改良土中原有的米粒状和片状颗粒逐渐消失，取而代之的是由表面活性剂包裹形成的土体颗粒基团。整体来看，表面活性剂的掺入能够填充部分大孔隙，使土体颗粒单元之间的胶结力增强。土体结构呈现出密集型骨架结构。如图 9(d)所示，当表面活性剂掺量为3%时，不再出现大孔隙现象。土体颗粒被表面活性剂整体包裹，由于表面活性剂本身具有黏结性，导致土体颗粒联结为整体。土体内部结构质地紧密，从而宏观表现出最优的力学特性。然而当掺量超过3%时，表面活性剂出现局部聚集状态。如图 9(f)所示，过多的表面活性剂会优先与自身结合形成大分子物质。土体压实变得困难，宏观上产生大孔缺陷，土体孔隙率增大，并因此削弱了土颗粒的骨架作用。这是导致表面活性剂改良土力学强度降低的主要原因。

为了探究磺酸型表面活性剂对碳酸盐渍土的改良作用机理，结合宏观试验和微观试验，探究了不同磺酸型表面活性剂掺入比条件下碳酸盐渍土的物理特性、力学特性的变化情况，并结合化学特性和微观特性对磺酸型表面活性剂与碳酸盐渍土的相互作用机理做出阐释说明。

(1) 掺入表面活性剂后，土体由高塑性状态转变为中塑性状态。无侧限抗压强度先增大后减小，掺量为3%时获得极值，无侧限抗压强度最大增长72.8%。与此同时，改良碳酸盐渍土的液限、塑限和塑性指数分别下降32%, 25%和74%，最佳含水率下降了39.2%。

(2) 表面活性剂与碳酸盐渍土颗粒结合后，pH值下降了22%，与此同时产生了阳离子交换作用，阳离子交换量提高了8.83倍。表面活性剂通过阳离子交换桥接作用将Ca²⁺吸附到黏土颗粒表面，导致矿物层间距变小，使土体结构变得更加密实。

(4) 碳酸盐渍土改良前后的红外光谱图非常相似并没有产生新的峰值，这说明表面活性剂掺入碳酸盐渍土后没有发生化学反应生成新的物质，而是通过物理加固的形式提高碳酸盐渍土的工程特性。

(5) 从电镜扫描图像中可以看出表面活性剂掺入土体后不再出现大孔隙现象。土体颗粒被表面活性剂整体包裹，由于表面活性剂本身具有黏结性，导致土体颗粒联结为整体。土体内部结构质地紧密，从而宏观表现出最优的力学特性。