膨潤土復(fù)合材料滲透性與微觀結(jié)構(gòu)研究

嚴(yán)馳，張潔*，王帥，郭偉鋒

（1.天津大學(xué)巖土工程研究所，天津300072；2.中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)管理有限公司，天津300000）

膨潤土復(fù)合材料滲透性與微觀結(jié)構(gòu)研究

嚴(yán)馳1，張潔1*，王帥1，郭偉鋒2

（1.天津大學(xué)巖土工程研究所，天津300072；2.中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)商業(yè)地產(chǎn)開發(fā)管理有限公司，天津300000）

文章通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)與微觀電鏡掃描試驗(yàn)對膨潤土緩膨特性進(jìn)行研究，探究葡萄糖溶液對膨潤土的緩膨抑制作用。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著靜置時間的增加，葡萄糖溶液配制的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)逐漸減小，并且葡萄糖溶液濃度越大，試樣滲透系數(shù)減小的越明顯；當(dāng)葡萄糖溶液濃度為8%～10%時，復(fù)合材料滲透系數(shù)會隨著試樣靜置時間的增加，呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢，并且膨潤土含量越大這種影響作用越顯著，滲透系數(shù)可達(dá)10-8數(shù)量級；電鏡試驗(yàn)中隨著試樣靜置時間的增加，用葡萄糖溶液配制的膨潤土復(fù)合材料試樣微孔隙逐漸減少，微觀結(jié)構(gòu)致密性逐漸增加。通過宏觀滲透試驗(yàn)和微觀電鏡掃描試驗(yàn)得出葡萄糖溶液對膨潤土的膨脹具有緩膨抑制作用，并且當(dāng)溶液濃度在8%～10%時對膨潤土的緩膨抑制作用最優(yōu)。

膨潤土復(fù)合材料；葡萄糖；滲透性；微觀結(jié)構(gòu)

0 引言

在地下防滲工程中，防水帷幕滲水和漏水多是由帷幕產(chǎn)生貫穿的裂縫引起的[1]，故防滲先防裂，但是很多防滲材料難以避免膨脹、徐變等變形引起的裂縫，因此最理想的方法就是利用材料自身的作用去克服。

目前國內(nèi)地下防水帷幕的主要原材料大部分是水泥，但是水泥帷幕的滲透系數(shù)一般在k=10-5~10-6cm/s左右，并且還有干縮裂紋，防滲效果不夠理想。除此之外，有些防水要求高的工程則采用高分子聚合物，雖然防滲性能良好，但造價昂貴，施工要求高、難度大，部分對環(huán)境污染嚴(yán)重，因此一般工程很少采用[2]。由于具有防滲效果好、污染小、造價低等優(yōu)點(diǎn)，近些年來歐美等一些國家多采用水泥、膨潤土、粉煤灰等一些材料配制而成的泥漿墻（slurry wall）作為垂直防滲帷幕[3-4]，國內(nèi)也有許多工程采用膨潤土混合材料防水帷幕，例如上海老港生活垃圾填埋場的部分垂直防滲墻采用水泥-膨潤土泥漿作為防滲墻材料[5]；柳杰等選擇膨潤土為主要材料，把具有防水、隔水性能的膨潤土按一定比例均勻地噴入自然砂土層，與原位土體混為一體，提高土體的防滲性能，形成具有一定深度封閉的隔水屏障，達(dá)到隔水防滲的目的[6]。但是膨潤土遇水后在很短的時間內(nèi)就能吸水膨脹，漿液懸凝時間很短，這就對注漿壓力要求很高[7-8]，如果壓力過大會對底部管線造成破壞，或者噴出地面，造成工程事故[9]，并且膨潤土若在注漿之前膨脹完畢也不能很好地利用膨潤土的膨脹性能。針對此問題，本文對膨潤土的改性試劑進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一種膨潤土緩膨試劑——葡萄糖溶液[10]，并通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)探究膨潤土緩膨效果最優(yōu)的葡萄糖濃度。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用膨潤土為天津中聯(lián)格林科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的鈉基膨潤土，基本物理化學(xué)指標(biāo)見表1，粉土取自天津?yàn)I海某施工現(xiàn)場，基本物理化學(xué)指標(biāo)見表2，試驗(yàn)用葡萄糖（Glucose）為河北德瑞淀粉有限公司生產(chǎn)的葡萄糖固體粉末，化學(xué)式C6H12O6，它是一種多羥基醛，其中5個親水性較強(qiáng)的羥基可以通過氫鍵在膨潤土顆粒上吸附形成一層有效的半透膜達(dá)到抑制膨潤土水化膨脹作用[11-12]。葡萄糖作為膨潤土緩膨添加劑，無毒、無污染、并且容易生物降解，因此應(yīng)用前景良好[13]。試驗(yàn)用水為土工試驗(yàn)室自來水。

表1 膨潤土的性能指標(biāo)Table 1Property indexes of bentonite

表2 粉土的性能指標(biāo)Table 2Property indexes of silty soil

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)儀器

所用滲透試驗(yàn)儀器為TST-55型號土壤滲透試驗(yàn)儀。電鏡觀測設(shè)備為美國FEI公司生產(chǎn)的Nanosem430型號場發(fā)射掃描電鏡試驗(yàn)儀。

1.2.2 試驗(yàn)配合比

滲透試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)配合比方案如表3所示，其中葡萄糖溶液濃度的選擇是由泥漿黏度試驗(yàn)結(jié)果確定的。滲透試驗(yàn)根據(jù)如下配合比方案分別制備每一編號土樣3組進(jìn)行平行試驗(yàn)，求取均值為最終結(jié)果。掃描電鏡試驗(yàn)共制備3組試樣，每組試樣編號為E、A3、B3、C3、D3。3組試樣以土樣密閉靜置時間不同而區(qū)分，密閉靜置時間分別為3 d、7 d、14 d。每組同一編號試樣平行試驗(yàn)2個，因此試驗(yàn)共計(jì)掃描試樣數(shù)為30個。

表3 試驗(yàn)配合比方案及部分試驗(yàn)結(jié)果Table 3Mixture proportions and parts of experimental results in the penetration test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 黏度試驗(yàn)

試驗(yàn)中水與膨潤土質(zhì)量之比均為10∶1，配制成不同葡萄糖濃度的膨潤土泥漿進(jìn)行黏度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，添加相同濃度葡萄糖溶液的膨潤土泥漿隨著密閉靜置時間的增加，同體積泥漿從黏度儀漏斗中流出的時間不斷增加；加水拌制而成的膨潤土泥漿在80~100 min左右稠度達(dá)到一定限值，在漏斗中發(fā)生懸凝狀態(tài)，不再流出；用濃度5%的葡萄糖溶液拌制而成的膨潤土泥漿懸凝時間大致為480~600 min，濃度分別為10%、15%的葡萄糖溶液拌制而成的膨潤土泥漿隨靜置時間的增加稠度不斷增大，最終流動時間趨于穩(wěn)定，泥漿沒有達(dá)到前面所述的懸凝狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明葡萄糖溶液對膨潤土的膨脹特性有抑制作用，并且葡萄糖溶液濃度越大，對膨潤土的膨脹抑制作用越大；當(dāng)葡萄糖溶液濃度不變時，同一漏斗膨潤土泥漿的流動時間隨著靜置時間的增加而逐漸增大，由此證明葡萄糖溶液對膨潤土的膨脹起到了緩膨作用。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖（圖1），得出5%~10%葡萄糖溶液濃度對膨潤土的膨脹起到緩膨作用的同時抑制膨潤土膨脹的作用也不是太強(qiáng)，可以作為工程實(shí)際考慮的濃度范圍進(jìn)行下一步深入研究。

圖1 膨潤土泥漿流動時間與靜置時間關(guān)系曲線Fig.1Relationship between bentonite slurry flow time and stock-still time

2.2 滲透試驗(yàn)

2.2.1 葡萄糖溶液濃度對復(fù)合材料滲透性的影響圖2（a）中的膨潤土含量為2.5%，圖2（b）中的膨潤土含量為5%，兩圖中膨潤土含量都為定量，葡萄糖濃度都為變量。從這兩組曲線圖中可以分析出，用水配置的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)隨著試樣靜置時間的增加，滲透系數(shù)有減小，但是變化幅度不大，呈現(xiàn)出比較穩(wěn)定的趨勢。查閱相關(guān)資料可知膨潤土在水溶液中的膨脹速度很快[7]，由此可以解釋用水配制的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)隨著時間的變化基本呈現(xiàn)不變的趨勢。然而用葡萄糖溶液配制的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)隨著靜置時間的變化而不同，在試樣開始階段相同的靜置天數(shù)下，葡萄糖溶液濃度越小的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)越小，但隨著靜置天數(shù)的逐漸增加，不同葡萄糖濃度的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)差異性逐漸減小，當(dāng)試樣靜置天數(shù)超過5 d后，葡萄糖溶液濃度越大，試樣的滲透系數(shù)反而越小，跟試樣靜置前期正好成相反趨勢。為了進(jìn)一步量化滲透系數(shù)變化幅度，分別計(jì)算各配比試樣靜置7 d滲透系數(shù)與靜置1 d滲透系數(shù)比值，如表3所示，當(dāng)水膨比為8∶1（圖2（a））時，A1試樣滲透系數(shù)變?yōu)樵瓉淼?01.10%，滲透系數(shù)基本與原試樣相同，B1試樣滲透系數(shù)減小為原來的11.27%，C1試樣減小為原來的1.91%，D1試樣減小為原來的1.19%；當(dāng)水膨比為4∶1（圖2（b））時，A3試樣減小為原來的42.12%，B3試樣減小為原來的5.64%，C3試樣減小為原來的0.55%，D3試樣減小為原來的0.53%。由此對比分析得出，當(dāng)膨潤土含量一定時，葡萄糖濃度越大對試樣滲透系數(shù)減小的幅度越大，當(dāng)葡萄糖濃度增大到10%時試樣滲透系數(shù)減小的程度逐漸趨于穩(wěn)定。這也進(jìn)一步說明葡萄糖溶液濃度越大對膨潤土的膨脹抑制作用越明顯，減緩膨潤土膨脹的效果越不理想。

圖2 不同葡萄糖濃度試樣滲透系數(shù)與時間的關(guān)系曲線Fig.2Relationship between hydraulic conductivity and stock-still time of different concentration of glucose

2.2.2 膨潤土含量對復(fù)合材料滲透性的影響

圖3中（a）~（d）分別為不同濃度葡萄糖溶液配制的膨潤土復(fù)合材料試樣滲透系數(shù)與時間的關(guān)系曲線圖。4組曲線圖都充分說明了隨著靜置時間的增加，膨潤土復(fù)合材料試樣中膨潤土含量越大，試樣的滲透系數(shù)越小。當(dāng)膨潤土含量從2.5%增大到3.3%時，試樣滲透系數(shù)減小的程度較小，然而當(dāng)膨潤土含量從3.3%增大到5%時，試樣滲透系數(shù)減小的程度較為明顯。分別計(jì)算各配比試樣靜置7 d滲透系數(shù)與靜置1 d滲透系數(shù)比值，如表3所示。當(dāng)葡萄糖溶液濃度為0%時，A1試樣滲透系數(shù)基本沒有變化，A2、A3試樣滲透系數(shù)都有所減小，但相對于其它糖濃度試樣減小的幅度要小很多；當(dāng)葡萄糖濃度為5%時，B1、B2、B3試樣滲透系數(shù)分別減小為原來的11.27%、1.46%、5.64%；當(dāng)葡萄糖濃度為8%時，C1、C2、C3試樣滲透系數(shù)分別減小為原來的1.91%、1.13%、0.55%，此時滲透系數(shù)減小的幅度相對較大；當(dāng)葡萄糖濃度為10%時，D1、D2、D3試樣滲透系數(shù)分別減小為原來的1.19%、1.04%、0.53%，試樣滲透系數(shù)減小的幅度加大，但與葡萄糖濃度為8%試樣的滲透系數(shù)減小幅度相差不大。

圖3 不同膨潤土含量試樣滲透系數(shù)與時間的關(guān)系曲線Fig.3Relationship between hydraulic conductivity and stock-still time of different bentonite content

4組曲線圖可以說明當(dāng)葡萄糖濃度一定時，膨潤土含量對試樣滲透系數(shù)的變化起到了一定的影響作用，膨潤土含量越大試樣滲透系數(shù)減小幅度基本呈增加的趨勢，這種現(xiàn)象會隨著葡萄糖濃度的增加表現(xiàn)的更加明顯。所以考慮工程實(shí)際情況，在工程造價合理的范圍之內(nèi)，可以選擇較大的膨潤土含量進(jìn)行弱質(zhì)土層的注漿施工。

2.3 掃描電鏡試驗(yàn)

土的微觀結(jié)構(gòu)概念中將土的微觀結(jié)構(gòu)分為顆粒形貌、排列組合方式、孔隙性和顆粒間的接觸關(guān)系[14-15]，本文主要從這幾方面對土樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性研究，并進(jìn)一步解釋試驗(yàn)所研究土體的宏觀特性。試驗(yàn)中需要觀察土粒與膨潤土顆粒之間的黏結(jié)結(jié)構(gòu)及顆粒間的孔隙大小和分布情況，為了更加準(zhǔn)確地對土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以放大倍數(shù)為500的土樣微結(jié)構(gòu)圖片進(jìn)行分析說明。

2.3.1 膨潤土-粉土試樣微觀結(jié)構(gòu)對比分析

圖4為編號A3試樣靜置3 d、7 d、14 d的掃描電鏡圖，A3編號土樣為葡萄糖濃度0%的膨潤土復(fù)合材料試樣。從試樣的微觀結(jié)構(gòu)可以看出靜置天數(shù)對A3試樣的微觀結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，不同靜置時間試樣的微觀結(jié)構(gòu)近乎相似，顆粒形態(tài)都為團(tuán)粒狀，結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀，這說明隨著時間的變化粉土試樣內(nèi)部不再產(chǎn)生物理化學(xué)變化。從圖中也可以看到土顆粒間大多以線-線形式相互接觸，并被少量細(xì)粒填充，呈現(xiàn)較多的微孔隙。

圖4 不同靜置天數(shù)的試樣（葡萄糖濃度0%）掃描電鏡圖Fig.4SEM graphs of samples with different standing days(0%glucose concentration)

2.3.2 摻糖膨潤土復(fù)合材料試樣微觀結(jié)構(gòu)對比分析

以葡萄糖濃度10%的膨潤土復(fù)合材料試樣（D3）掃描電鏡圖為例進(jìn)行分析，圖5為編號D3試樣靜置3 d、7 d、14 d掃描電鏡圖。觀察試樣微觀掃描圖片得出，靜置3 d試樣呈現(xiàn)出微觀片架結(jié)構(gòu)，膨潤土顆粒與土顆粒相互膠結(jié)形成大片架體，片架相互鑲嵌接觸，微孔隙較多。與圖4試樣微觀結(jié)構(gòu)類似。靜置7 d試樣土顆粒微觀結(jié)構(gòu)更加致密，試樣形態(tài)為凝塊狀，結(jié)構(gòu)為板狀結(jié)構(gòu)，其中以面-面接觸形式和鑲嵌接觸形式為主，凝塊之間的孔隙較少，致密性良好。靜置14 d試樣微結(jié)構(gòu)隨著時間的增加呈現(xiàn)出更為致密的板狀結(jié)構(gòu)，相比較3 d、7 d試樣鑲嵌的板狀結(jié)構(gòu)中間微孔隙越來越少，之前的凝塊狀固結(jié)體隨著時間的增加逐漸膠結(jié)在一起，形成一個大的板結(jié)體，致密性變得更好。

圖5 不同靜置天數(shù)的試樣（葡萄糖濃度10%）掃描電鏡圖Fig.5SEM graphs of samples with different standing days(10%glucose concentration)

分析原因由于葡萄糖試劑的加入對復(fù)合材料中膨潤土的前期膨脹抑制作用較大，膨潤土未達(dá)到完全膨脹，因此試樣靜置3 d固結(jié)體孔隙較多，致密性較差。隨著靜置時間的增加，葡萄糖溶液對膨潤土的抑制作用逐漸減弱，使得膨潤土的膨脹性逐漸呈現(xiàn)出來，膨脹的土體占據(jù)試樣微孔隙，使得試樣微孔隙逐漸減少，致密性逐漸增加，從而引起材料的抗?jié)B性增強(qiáng)。因此通過不同靜置時間試樣微結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖片可以分析出葡萄糖濃度為10%溶液配制的復(fù)合材料試樣的微觀結(jié)構(gòu)隨著靜置時間的增加，呈現(xiàn)出逐漸致密的特性，由此也反應(yīng)出此配比下試樣的抗?jié)B性隨著時間的增加逐漸增強(qiáng)。

3 試驗(yàn)原理分析

以上試驗(yàn)得出隨著土樣靜置時間的增加，葡萄糖溶液對于膨潤土的膨脹抑制作用逐漸減弱，膨潤土的膨脹作用逐漸呈現(xiàn)出來。通過理論分析可知葡萄糖分子中5個親水性較強(qiáng)的羥基可以通過氫鍵在膨潤土顆粒周圍吸附形成一層有效的半透膜[10，13]，從而抑制膨潤土水化膨脹，當(dāng)葡萄糖含量越高時這種膨脹抑制作用會越強(qiáng)，但是葡萄糖分子屬于可生物降解分子，隨著時間的逐漸增加土中的某些微生物可能會酶化掉部分糖分子，導(dǎo)致混合料中葡萄糖的含量逐漸降低，氫鍵形成的半透膜被毀損，此時被包裹的膨潤土顆粒裸露出來，吸附混合料中的水分子逐漸膨脹并且填充混合料中的孔隙從而使得固結(jié)體致密性逐漸增加，抗?jié)B性逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié)語

1）本文通過黏度試驗(yàn)對葡萄糖溶液配置的膨潤土懸浮液進(jìn)行初步試驗(yàn)研究，分析得出葡萄糖溶液對膨潤土的膨脹具有緩膨抑制作用，并得出葡萄糖溶液濃度在5%～10%時對膨潤土的緩膨抑制作用最優(yōu)。

2）從宏觀方面對膨潤土復(fù)合材料的滲透性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出隨著試樣靜置時間的不斷增加，用葡萄糖溶液配制的膨潤土復(fù)合材料試樣的滲透系數(shù)逐漸減小，并且葡萄糖溶液濃度越大，試樣滲透系數(shù)減小地越明顯，當(dāng)濃度增大到10%時滲透系數(shù)減小的幅度將呈現(xiàn)減小的趨勢，這說明葡萄糖溶液濃度的大小對于減緩膨潤土膨脹起到了一定的影響作用。當(dāng)膨潤土含量從2.5%增大到3.3%時，試樣滲透系數(shù)減小的程度較小，然而當(dāng)膨潤土含量從3.3%增大到5%時，試樣滲透系數(shù)減小的程度較為明顯。從而分析得出葡萄糖溶液濃度影響膨潤土的緩膨抑制作用，并且隨著膨潤土含量的增加，葡萄糖溶液對于膨潤土的這種緩膨抑制作用更加有效。

3）從微觀方面對膨潤土復(fù)合材料進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，以葡萄糖濃度10%配制的膨潤土復(fù)合材料試樣為例進(jìn)行分析，得出隨著試樣靜置時間的逐漸增加，膨潤土復(fù)合材料試樣的微觀結(jié)構(gòu)致密性逐漸增加，微孔隙逐漸減少，結(jié)合宏觀試樣滲透試驗(yàn)得出，葡萄糖溶液的加入對膨潤土的膨脹起到了一定的抑制作用，并且延緩了膨潤土的膨脹時間。

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Permeability and microstructure of bentonite composite materials

YAN Chi1,ZHANG Jie1*,WANG Shuai1,GUO Wei-feng2
（1.Tianjin University Geotechnical Engineering Institute，Tianjin 300072,China;2.China Railway Real Estate Group Commercial Real Estate Development and Management Co.,Ltd.,Tianjin 300000,China）

To study the effect of the glucose solution on slowing the expansion of bentonite,we utilized indoor falling head permeability test and SEM observation in this work.The result shows that the permeability coefficient of bentonite composite sample with glucose solution is gradually reduced with the increasing specimen stock-still time.Moreover,the permeability coefficient of sample decreases with the glucose concentration increased.When the concentration of glucose solution is 8%to 10%,the composite sample permeability coefficient shows a significant decreasing trend with the increasing standing time,the higher content of bentonite,the greater of this effect,and the penetration coefficient decreases even to 10-8orders of magnitude; With the increasing specimen stock-still time,the microstructure of composite sample with different concentration of glucose solution gradually compacted,and micro pore gradually reduced.According to the experiments of macroscopic permeability test and micro electron microscope scanning test,glucose solution can slow the expansion of bentonite,and when the solution concentration is 8%to 10%,the inhibition effect of slowing swelling bentonite is optimal.

bentonite composite materials;glucose solution;permeability;microstructure

TU592

A

2095-7874（2017）05-0041-06

10.7640/zggwjs201705010

2016-09-13

2016-11-07

嚴(yán)馳（1959—），女，湖北黃梅人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程等方面的教學(xué)和科研工作。

*通訊作者：張潔，E-Mail：zmj316006160@126.com