生物聚合物固化粉土室內(nèi)試驗(yàn)與機(jī)理研究

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(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098)

1 研究背景

土壤處理的一般目的是提高土壤的性質(zhì)，如團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和抗侵蝕性。大量的土壤處理方法已經(jīng)在實(shí)踐中得到了應(yīng)用，其中水泥是土壤處理中最常用的材料[1-2]。盡管水泥處理土具有許多優(yōu)勢(shì)，但水泥生產(chǎn)的過(guò)程中排放大量二氧化碳和氮氧化物以及粉塵顆粒，已被認(rèn)為是影響全球二氧化碳排放最主要的因素之一。在水泥生產(chǎn)中，每生產(chǎn)1 t水泥約有1 t二氧化碳產(chǎn)生。這意味著，僅水泥產(chǎn)生的二氧化碳就占全球二氧化碳產(chǎn)量的5%。尤其在西北部分干旱地區(qū)，天氣干燥導(dǎo)致表層土體水分蒸發(fā)迅速[3]，而水泥石灰等改良固化土體的養(yǎng)護(hù)需要在較高的濕度下，高蒸發(fā)量的惡劣氣候條件對(duì)水泥等固化土的施工造成了極為不利的影響。石灰水泥土由于高堿性在一定程度上也加劇了荒漠化的趨勢(shì)。同時(shí)西北地區(qū)廣泛分布著砂土和粉土，黏聚力低，強(qiáng)度差，不經(jīng)過(guò)改良處理難以作為路面乃至建筑材料。因此，需要開(kāi)發(fā)對(duì)水依賴小且環(huán)境友好的可再生土壤改良材料。

生物聚合物是一種由黃原桿菌類作用于碳水化合物而生成的高分子鏈多糖聚合物，中性環(huán)保且可再生[4]。目前，國(guó)外對(duì)于生物大分子的應(yīng)用主要集中在植被或植被的覆蓋土壤上，主要功能是防治水土流失、邊坡破壞以及減少水分入滲[5-6]，而對(duì)以生物聚合物固化土的研究較少。Chang等[7]采用β-1、3/1、6-葡聚糖對(duì)韓國(guó)殘積土進(jìn)行固化，顯著地提高了殘積土的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度；并以結(jié)冷膠和瓊脂膠作為熱凝膠生物聚合物，分別對(duì)黏土和砂進(jìn)行處理，試驗(yàn)產(chǎn)生了極佳的固化效果和耐久性[8]。Cabalar等[9]將黃原膠加入砂土中研究固化土的剪切特性，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度隨黃原膠含量的增加而增加。Latifi等[10]利用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)以及掃描電鏡試驗(yàn)研究了黃原膠對(duì)高有機(jī)質(zhì)含量的泥炭土固化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的2%黃原膠固化土無(wú)側(cè)限強(qiáng)度是未經(jīng)處理泥炭土的6倍，黏聚力也產(chǎn)生了明顯的增長(zhǎng)。

本文以黃原膠作為生物聚合物固化材料開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，研究其對(duì)西北干旱地區(qū)粉土的固化效果，并分析其固化機(jī)理，以期為西北地區(qū)粉土、砂土的改良與應(yīng)用提供新的思路。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

黃原膠(Xanthan Gum，XG)是一種常用的食品添加劑和流變改性劑多糖，經(jīng)葡萄糖或蔗糖發(fā)酵由野油菜黃單胞菌產(chǎn)生[11]。黃原膠無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、食用安全, 易溶于水, 在水溶液中呈多聚陰離子，為一種生物聚合物。在靜態(tài)條件下，少量的黃原膠(0.5%)可大量增加液體的黏度。此外，不同于其他膠，黃原膠具有高寬范圍的溫度和pH值下的穩(wěn)定性。它的陰離子和親水性的表面特性促進(jìn)與陽(yáng)離子的相互作用誘導(dǎo)更強(qiáng)的凝膠化。在現(xiàn)場(chǎng)，黃原膠已廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)作為鉆井泥漿的增稠劑[12]。

圖1 土樣的粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

試驗(yàn)所用黃原膠購(gòu)于上海伊卡生物技術(shù)公司，純度等級(jí)為分析純。所用土樣取自西北地區(qū)某工地，粒徑分布曲線如圖1所示，其中粒徑>0.075 mm的顆粒含量為15.2%，土的塑性指數(shù)為8.5，經(jīng)判斷試驗(yàn)用土屬于粉土。

圖2 不同黃原膠摻量的試樣(含水率15%)Fig.2 Specimens with different dosages of xanthan gum(moisture content 15%)

2.2 試樣制備

試樣制備時(shí)，將黃原膠按照干土質(zhì)量的0%，0.25%，0.50%，0.75%與粉土拌合，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率確定為15%，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。如圖2所示，壓制直徑50 mm、高50 mm的圓柱體試樣，壓實(shí)度均為96%，試樣置于溫度25 ℃左右、相對(duì)濕度50%的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

取養(yǎng)護(hù)至3，5，7，14，28 d的各黃原膠摻量試樣做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)在南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的YSH-2型無(wú)側(cè)限壓力儀上進(jìn)行，荷載加載速率為1 mm/min。

為模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的施工方式，室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)將黃原膠拌合方式分為干法和濕法2種，以黃原膠摻量0.5%的固化土作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。干法即將黃原膠粉末與較低含水率的干土拌合后，加水至指定含水率，燜料24 h使黃原膠充分溶解；濕法即將黃原膠粉末事先溶解于水溶液中，再倒入土中拌合均勻。濕法在實(shí)際操作時(shí)，如果直接加入水中而攪拌不充分，外層吸水膨脹成膠團(tuán)，從而阻止水分進(jìn)入里層，進(jìn)而影響黃原膠作用的發(fā)揮。因此以一定量的土顆粒作為分散劑與黃原膠顆粒一同溶解在水中，減少膠團(tuán)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

采用2種拌合方式的土樣各齡期無(wú)側(cè)限試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，黃原膠顆粒所占干土的質(zhì)量百分比均為0.5%。從圖3中可知，養(yǎng)護(hù)前一周固化土試樣的強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，干法混合的土樣強(qiáng)度明顯高于濕法混合的土樣，一周之后的強(qiáng)度略有增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定。干法混合土28 d后的穩(wěn)定強(qiáng)度比濕法拌合的高出30.8%。

圖3 黃原膠摻量0.5%的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compressive strength of solidified soil with 0.5% dosage of xanthan gum

圖4 不同齡期及不同黃原膠摻量固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.4 Unconfined compressive strength of solidified soil at different ages and with different dosages of xanthan gum

試驗(yàn)后掰開(kāi)土樣，干法混合土肉眼無(wú)法辨別到土中存在其他物質(zhì)；濕法混合土中則可以看到少量的條狀固體物質(zhì)，為部分硬化后的黃原膠。分析原因，黃原膠的水溶液具有較高的黏性，分子間相互吸引團(tuán)聚，濕法混合時(shí)無(wú)法做到黃原膠分子足夠分散，因此黃原膠分子的作用無(wú)法得到充分發(fā)揮。干法混合時(shí)，由于黃原膠顆粒細(xì)小，可以充分地分散到土顆粒間，足夠量的土顆粒充當(dāng)了很好的分散劑，固化后強(qiáng)度自然高于濕法混合土。

鑒于此，后續(xù)的試驗(yàn)均采用了干法混合的方式。并對(duì)不同齡期、不同黃原膠摻量的固化土開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)可知，以黃原膠作為生物聚合物固化土?xí)r，強(qiáng)度相比素土產(chǎn)生了顯著的增長(zhǎng)，自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d的土樣強(qiáng)度最高可達(dá)3.44 MPa，為素土的4.6倍，摻量?jī)H為干土質(zhì)量的0.75%。且試樣在前一周的時(shí)間內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，一周后強(qiáng)度略有增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定。固化土強(qiáng)度的快速形成對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工具有很高的實(shí)際意義，減少了施工工期的同時(shí)又便于下一步施工工序的進(jìn)行。從圖4(b)可知，黃原膠(XG)的摻量越高，固化土的穩(wěn)定強(qiáng)度越高，尤其是當(dāng)摻量由0%增加至0.25%時(shí)強(qiáng)度增加最多，28 d后的0.25%摻量的固化土強(qiáng)度相比素土增加了1.37 MPa。素土在室內(nèi)環(huán)境下抗壓強(qiáng)度也產(chǎn)生了一定的增長(zhǎng)，這是由于素土有固化黏聚力隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象，但強(qiáng)度值明顯小于黃原膠固化后的試樣。

圖5反映了不同齡期、0.5%黃原膠摻量的固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。可以看出，隨著齡期增長(zhǎng)，固化土的峰值應(yīng)力發(fā)生了顯著的增長(zhǎng)，7 d完成了28 d養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的87.5%，7 d后峰值應(yīng)力增長(zhǎng)幅度較小。盡管峰值應(yīng)力隨齡期增長(zhǎng)，但峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變穩(wěn)定在4%左右。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，黃原膠分子與土顆粒的反應(yīng)越完全。由于黃原膠分子的陰離子和親水性的表面特性，使得它與土顆?；プ饔幂^快，進(jìn)而土樣強(qiáng)度增加迅速。

圖5 黃原膠摻量0.5%的固化土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of solidified soil with 0.5% dosage of xanthan gum

4 固化機(jī)理分析

為研究黃原膠固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理，測(cè)定養(yǎng)護(hù)各齡期、各摻量的固化土的含水率，如圖6所示。

圖6 固化土含水率變化曲線Fig.6 Curves of moisture content of solidified soil

從圖6中可以看出，試樣含水率變化大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：迅速衰減階段(0～7 d)、衰減變緩階段(7～14 d)以及穩(wěn)定階段(14 d以后)。如圖4(a)所示，對(duì)應(yīng)的固化土強(qiáng)度也經(jīng)歷迅速增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)減緩階段和穩(wěn)定階段。可以認(rèn)為，固化土的強(qiáng)度變化和試樣含水率多少有關(guān)。素土的含水率隨脫濕過(guò)程的進(jìn)行，28 d后趨于0，摻有黃原膠的固化土的含水率也穩(wěn)定在一定的數(shù)值，且摻量越高，含水率的穩(wěn)定值越高，試驗(yàn)也證明了黃原膠固化土具有一定的保濕能力[13]。

繪制含水率與固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖7 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系Fig.7 Relationship between unconfined compressive strength and water content of solidified soil

當(dāng)試樣含水率<12%時(shí)，黃原膠分子的作用得以發(fā)揮，試樣的強(qiáng)度隨含水率的降低出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且曲線的斜率隨著脫濕過(guò)程的進(jìn)行越來(lái)越陡?？梢悦黠@看出，黃原膠固化后的土體強(qiáng)度相比素土產(chǎn)生了較大的增長(zhǎng)。素土的強(qiáng)度隨含水率的減小而增加的現(xiàn)象，是由于土顆粒間的吸著水膜變薄引起的。

分析其固化機(jī)理，由于土壤顆粒表面吸附著天然的陽(yáng)離子，如Na+，K+，Ca2+，Mg2+，黃原膠作為一種陰離子高聚物，分子鏈上的羧基(-COOH)和羥基(-OH)與土體顆粒間通過(guò)陽(yáng)離子形成離子鍵橋聯(lián)。而這種黃原膠分子與土顆粒間的離子鍵作用隨著含水率的降低而迅速增強(qiáng)，黃原膠分子牢固地吸附在土顆粒表面，在土顆粒間起到極強(qiáng)的膠結(jié)作用，如圖8所示。隨著土樣含水率降低，土顆粒間的吸著水膜就越薄，黃原膠分子與土顆粒的離子鍵作用就越強(qiáng)，而離子鍵的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于土顆粒間的靜電吸附作用，土顆粒被黏結(jié)成一個(gè)完整的整體，從而表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)(無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)的顯著增長(zhǎng)。

圖8 固化機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic diagram of curing mechanism

5 結(jié) 論

(1)以黃原膠作為生物聚合物固化粉土，采用自然養(yǎng)護(hù)的方式，相比素土具有更好的固化效果。采用干法拌合方式的土樣強(qiáng)度高于濕法拌合的土樣。

(2)黃原膠固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在一周內(nèi)增長(zhǎng)迅速，之后增速放緩并達(dá)到穩(wěn)定；且黃原膠的摻量越高，土體的強(qiáng)度越高，尤其是當(dāng)摻量由0%增加至0.25%時(shí)強(qiáng)度增加最多，28 d后的0.25%摻量的固化土強(qiáng)度相比素土增加了1.37 MPa，摻量為0.75%時(shí)試樣強(qiáng)度達(dá)到了素土的4.60倍。

(3)固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)得益于試樣含水率的減少，黃原膠分子鏈上的羧基(-COOH)與羥基(-OH)與土體顆粒間通過(guò)陽(yáng)離子形成離子鍵橋聯(lián)，離子鍵作用隨著含水率的降低而迅速增強(qiáng)，黃原膠分子牢固地吸附在土顆粒表面，從而在土顆粒間起到極強(qiáng)的膠結(jié)作用。

(4)黃原膠作為一種生物聚合物，具有中性環(huán)保、可再生的優(yōu)點(diǎn)，且固化土無(wú)需特殊養(yǎng)護(hù)，在自然環(huán)境中脫水形成強(qiáng)度，并具有保濕抗荒漠化的作用，尤其適用于西北干旱地區(qū)。且用量較少，0.25%的摻量即可達(dá)到較好的固化效果，具有投入現(xiàn)場(chǎng)施工的可行性，在路面材料、建筑材料、邊坡處理等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，值得對(duì)其做進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。