技术背景
1、膨胀土是一种典型的自然灾害
膨胀土其矿物组成多以伊利石、蒙脱石为主，夹少量的高岭石。这些亲水性的粘土矿物遇水膨胀，失水收缩，具有明显的胀缩性、多裂隙性、超固结性，以及强度减弱性。容易造成沉陷、溜塌、纵裂、坍塌等事故，已构成典型的地质灾害。
膨胀土的危害是潜在、长期和反复的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。据统计，美国每年用于解决膨胀土危害的成本高达几十亿美元，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失之合。膨胀土能够破坏建筑物、公路、铁路、机场跑道、下水道、地下管线和水利灌溉系统的结构。很多破坏是由于膨胀土在设计和施工前未被确定，另一些情况则是低估了膨胀土的潜在危害性，导致工程完工后遭到破坏。膨胀土对道路的危害主要体现在以下几个方面。
一是导致沉沦变形。膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎和压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，路堤愈高，沉陷量愈大，严重时可致使路面变形破坏。
二是导致滑坡。滑坡具有弧形外貌，有明显滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成群发生。滑坡与大气风化作用层深度、土的类型、土体结构较密切。
三是导致溜塌。边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌，多发生在雨季。
四是导致纵裂。路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度，后期沉降量相对较大，加之路肩临空，对大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生顺路线方向的开裂，行程数十米至上百米的张开裂缝。
五是导致坍肩。路堤肩部土体压实不够，又处于两面临空部位，易受风化作用影响而导致强度衰减。当有雨水渗入时，特别是当有路肩纵向裂缝出现时，在汽车动荷载作用下，很容易发生路肩坍塌，也常发生在雨季。
因此，在充分认识到膨胀土的潜在危险性的同时，在设计、施工中采取合理有效的应对措施是十分必要的。对膨胀土的认识不足常常会导致巨大的损失，一些工程中，用于修复和替换受破坏结构的开支甚至超过了原有投资。
2、膨胀土问题是一项世界级的科技难题
世界上膨胀土分布十分广泛，据报道迄今已经发现存在膨胀土的国家达40余个，遍及六大洲，我国有3亿多人口生活在膨胀土分布区。仅我国每年因膨胀土造成的经济损失就达150亿美元。修筑在典型膨胀土分布区的公路、铁路常常是“逢堑必滑、有堤必坍”，而且这种破坏作用具有多次反复性和长期潜在危害性。因此，有人称它为“工程中的癌症”。治理膨胀土，确保工程安全与质量一直困扰着工程界，是世界公认的重大技术难题。
3、传统治理方法不能从根本上解决膨胀土问题
膨胀土的矿物成分及结构形式，使它具有胀缩特性，含水量的变化使其这一特性显示出来。新开挖的膨胀土地基与边坡，受雨水、大气、地下水、土压力等因素的影响，使膨胀土含水量发生变化。反复胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂隙破坏了土体的整体性，使水的侵入和土中水分的蒸发更为容易。土体含水量的波动引起胀缩变形的反复发生，又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使土体强度大为降低，形成风化层。风化层深度一般在1～1.2m。风化层深度范围内，土体湿胀干缩效应明显，土体的粘聚力和抗剪强度急剧下降，所以大气风化作用层是产生各种地基，及边坡病害的直接引导层。对地基及边坡稳定性危害极大。因此膨胀土大气风化作用层是危害工程的主要原因，是工程防护和治理的重点对象。
国外对膨胀土的研究开始于上世纪三十年代。在我国，从六十年代才开始对膨胀土进行研究，人们对膨胀土的研究进展缓慢，几十年来一直停留在对膨胀土判别和雨水浸入对膨胀土的影响等方面。形成了对膨胀土的基本鉴别理论，根据这些理论人们一般采用以防为主的全封闭形式刚性防护。其主要观点认为：膨胀土边坡失稳的主要原因是受降水影响，当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中，土体的抗剪强度则由强逐渐变弱，当土体的剪切指标值随含水量增加而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏。因此采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土吸收，其主要方式如浆砌片石满铺防治、混凝土六角块满铺防护、土钉墙加固边坡等。实践证明这些刚性防护方案治理膨胀土效果较差。不能从根本上解决在大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的胀缩问题。因为膨胀土新开挖的坡面受大气、地下水、土压力变化等多种因素影响，既使没有降水的浸入，也会发生膨胀与收缩，必然产生一定的变形，以求达到新的平衡。即使这种变形不大，也会对刚性防护结构起破坏作用。慢慢形成裂缝，雨水就会从裂缝中渗入，加剧膨胀土的胀缩变形，恶性循环，直至引发连锁破坏。刚性防护结构还有产生眩光、燥声，不能还原生态环境等缺陷。
对于膨胀土路基的处理方法通常采用换填土及在膨胀土路堤填料中掺石灰、水泥能起到一定的效果。但是施工时需要反复拌和均匀，周期长，耗工时，施工性能不好，造价高。
视频简介：
公司简介
武汉中材科技有限公司是由国家有关部委所属的事业单位、社会团体联合发起组建。公司依托中科大地岩土化学研究所的科技资源，主要从事科技成果转化、新型建筑材料的研究、开发、生产与销售、地基处理、边坡防护技术的研发与施工等业务。是集研究、开发、生产与销售为一体的高新科技企业。
公司经济力量雄厚，管理规范。拥有一批来自国内外知名高校高素质员工队伍和管理团队；他们中有知识渊博的教授、学者，有经验丰富的专家、高工。公司与有关科研单位、大专院校以及国内外知名企业建立良好的合作关系，在岩土化学新材料研发方面处于国际领先地位。
公司研发的新产品有：CMA膨胀土生态改性剂、R-H+软土强效固化剂、松散砂土稳凝剂、强离子土壤防冻剂。属原创型的科技产品，其技术性已达到国际领先水平。已广泛应用于公路、铁路、矿山、工业与民用建筑等工程领域。公司荣获5项发明专利证书，2项国家重点新产品证书，1项国家科技型中小企业创新基金，2项国家注册商标，4项国家专利博览会金奖，1项湖北省技术发明奖，6项湖北省重大科技成果证书，1项武汉市科技进步奖，3项武汉市重点新产品证书，7项武汉市重点科技成果证书等荣誉。
公司本着以技术创新为先导，以市场为导向，在竞争中求发展，坚持质量第一，用户至上，推陈出新，精益求精的宗旨，努力保持其在岩土化学新材料领域的技术及产业化领先优势和专业化特色，提供新产品、新工艺、新技术，竭诚为广大客户服务。使公司成为国际上岩土化学新材料领域的重要领导型企业。
产品介绍
CMA膨胀土生态改性剂其性状为红棕色至黄棕色粘稠状液体，属有机化合物。应用于公路、铁路、水利、矿山、工业与民用建筑膨胀土路基处理与边坡防护工程。
1、CMA膨胀土生态改性剂的改性原理
A、离子交换作用
CMA(Changing theMontmoriuonite’s Absorbent)膨胀土生态改性剂是由一种复合化学配方，具有电解和离子交换的作用，有较强的渗透性，能溶于水，在水中离解出带正电荷的阳离子[X]n+和带负电荷的阴离子[Y]n-，阳离子与膨胀土胶体表面的阳离子[M]n+产生交换作用，将这些原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子赶走，代之以亲水性较低、粘结力较强的铝离子及其水合物。使膨胀土颗粒上的吸附水的化学键破坏形成自由水，改性后土颗粒形成键状和网状结构加快反应和离子交换，自由水通过重力、蒸发、压实作用排除，改变了膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，增强膨胀土的水稳性，永久的改变膨胀土的属性，将膨胀土改性为非膨胀土。且具有比石灰土更稳固更持久的效果。反应式如下：
[土壤胶体]n-[M]n+＋[X]n+－>[土壤胶体]n-[X]n+＋[M]n+
而离解出来的阴离子则与土壤中铝产生络合作用：
[土壤颗粒]＋[Y]n-－>[侵蚀的土壤颗粒]3-＋[AIY]3-n
铝离子的树脂络合物[AIY]3-n再与[土壤胶体]n-[X]n+作用，使树脂得以再生：
[AIY]3-n＋[土壤胶体]n-[X]n+－>Yn-Xn+[Al(土壤胶体)]
总反应式是：
[土壤胶体]n-[M]n+＋[X]n+－>Al[脱铝的土壤胶体]＋[M]n+
B、具有再生功能
CMA膨胀土生态改性剂是在水中电解出离子与膨胀土颗粒离子进行交换作用，从而达到将膨胀土改性的目的，它与其它的胶合材料不同，自身与土粒并不结合，而且具有再生功能，它与膨胀土作用时其总量并没有减少。其功效并不会随着时间的推移而逐渐减弱，相反，只要膨胀土中有水分，它的功效就会延续下去，这种作用是永久的不可逆的。作用过程大致是：当膨胀土生态改性剂喷洒在土体表面上通过渗透达到一定深度将其改性，还可以通过土体本身含水量经土体毛细孔隙到达一定深度。更重要的是膨胀土生态改性剂具有较强的渗透性，能溶于水，它可以随雨水渗透，到达雨水能到达的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响，做到对大气风化作用层影响深度范围内膨胀土体的彻底治理。
2、CMA膨胀土生态改性剂改性膨胀土的特点
A、改善膨胀土湿胀干缩的特性
膨胀土湿胀干缩特性是其所含的矿物与水作用的结果，在膨胀土矿物颗粒表面吸附着一层水，这层吸附水是以静电引力的形式被吸附在膨胀土矿物颗粒的表面上，由于静电引力的作用，这层吸附水在与膨胀土矿物颗粒结合得非常牢固，重力、较小的机械力不能将其排出。土壤通过风干可以除去大部分的吸附水，但环境湿度增加会导致其重新吸收水分，由于膨胀土矿物颗粒很小，其表面积非常巨大，吸附水的吸收或排出，势必引起土体强烈的湿胀干缩，从而导致岩土工程的破坏。离子交换作用结果，是使原来作用于土壤颗粒表面的吸附水静电引力被打破，吸附水变成自由水。经离子交换作用膨胀土颗粒不再容易与水分子结合，从而容易被排出，这样就从根本上改善了膨胀土湿胀干缩的特性，将膨胀土改性为非膨胀土，各项指标均优于正常土。
B、改性后的土体具有人造沉积岩倾向
由于改性后的土体水分在膨胀土生态改性剂的作用下被排除，改性土在重力的作用下被压实，在石灰和离子反应中形成胶状晶体的粘合作用下被固化。固结形成密实的板状结构，而且具有良好的弹性，不会发生裂隙，具有人造沉积岩的倾向。
C、的渗透不会引起岩土工程的破坏
水的渗透需要有气孔。未经处理过的土壤其中的气孔及虚空空间很多，水很容易渗透进去，渗透进去的水还会被膨胀土颗粒吸附而使土壤膨胀，导致岩土工程破坏。经过膨胀土生态改性剂处理的土体，由于其排水作用而使大部分的气孔也被压缩，且气孔里大部分空间会被再结晶物质所充填，虽然改性后的土体水还是能渗透进去，但由于这些水不会再被吸附而很快被排出。所以这些渗透水并不会引起岩土工程的破坏。
3、CMA膨胀土生态改性剂产品优点：
(1）、改性效果好
改性后的土体自由膨胀率均在20%以下，95%压实度的承载比是原状土的37倍，无侧限强度是原状土的3倍，改性后的土体试块在水中侵泡720小时不崩解，水稳性好。
(2）、环保产品
膨胀土生态改性剂pH值6～7之间，无毒、无腐蚀、不易燃易爆，无污染，属生态环保产品。
(3）、生态环境保护
改性后的土体能种植树木和花草，具有绿化美化环境的功能，满足水土保持，消声敛光等特点。
(4）、施工方便
施工简单，工期短，施工进度快，可多组同时施工，平行流水作业。
(5)、经济适用：
能按不同的土体配制，适合强、中、弱各种类型膨胀土的改性处理，改性后的边坡，可按正常土质边坡坡率设计，节约用地，减少挖方量，工程造价仅为传统防护方案的25%。
第三方评价
1、2004年在西宁铁路工程应用中CMA作为科技成果获得了以周镜院士为主任的铁道部专家评审委员会评审通过。
2、2005年CMA在安徽省合六叶高速公路工程应用中，与中科院岩土力学研究所合作，被以郑颖人院士为主任的安徽省交通科技评审委员会评定为省级科技成果。
3、2008年荣获国家发明专利证书、国家科技型中小企业技术创新基金立项证书。
4、2006年荣获国家重点新产品证书、武汉市重点高新技术产品证书。
5、2009年荣获国家注册商标证书
6、2009年荣获湖北省科学技术奖励证书、武汉市科学技术奖励证书。
7、2008年荣获湖北省重大科技成果证书、武汉市科技成果证书。
8、2008年被列入国家科技型中小企业技术创新基金计划，获得无偿资助80万。
9、2008年被列入湖北省科技型中小企业技术创新基金计划，获得无偿资助55万。
10、2006年被列入武汉市重点高新技术产品计划，获得无偿资助10万。
11、2006年被列入全国重点专利招商引资项目扶助计划。
12、2006年被列入湖北省高新技术产品目录。
13、2006年被列入湖北省2006年中小企业技术改造投资项目导向计划。
14、CMA膨胀土生态改性剂在多年的应用中，经中国科学院武汉岩土力学研究所检测中心、国土资源部南京岩土检测中心、河南省交通规划设计院检测中心等多家具有国家级资质权威检测机构，现场取样检测，所以检测结果均为改性效果良好，获得了具有权威性的检测报告28份。
15、该成果在国家级的刊物上发表研究和工程应用论文20篇。CMA膨胀土生态改性剂及施工方法被中国水利水电科学研究院陈祖煜院士编入《中国典型工程边坡》书中，被李庆鸿编入《新建时速200公里铁路改良膨胀土路基施工技术》书中。
推广、应用情况
CMA膨胀土生态改性剂已广泛应用于公路、铁路等地基处理和边坡防护工程，如：西宁铁路合肥南京段，湖北省襄十高速公路、江苏省宁淮高速公路、河南省信南高速公路、安徽省合六叶高速公路、铜九铁路、河南省郑石高速公路、襄渝铁路复线、石武客运专线、武咸城际铁路、武黄城际铁路、汉孝城际铁路、衡茶吉铁路、宁安城际铁路、锦赤铁路、西康铁路二线、合福铁路客运专线、阜六铁路等国家重点工程。累计改性施工面积2092万平方米，为国家节约资金20亿元。
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