類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水及抑制土體凍融效果研究

劉志彬，劉鋒，張書建，雷松林，白梅，黃昊冉

（1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189；2.吉林省高等級公路建設(shè)局，吉林 長春 130062）

季節(jié)性凍土區(qū)公路路基凍害主要表現(xiàn)為凍脹和翻漿2 類，凍脹會引起路面橫向撓曲變形和裂縫，翻漿則會導(dǎo)致路面沉陷、鼓包及車轍變形[1-2].李雨濃等[3]指出，在季節(jié)性凍土區(qū)路基水分遷移變化是導(dǎo)致道路凍害頻發(fā)的最主要因素.許健等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)，土體降溫凍結(jié)時(shí)凍結(jié)區(qū)的液態(tài)水含量急劇減小，從而引起其基質(zhì)勢能的急劇降低，促使土中未凍水沿著溫度降低方向遷移，最終導(dǎo)致路基強(qiáng)度降低.Hermansson 等[5]調(diào)查了水位高度對凍土路基凍脹行為的影響，結(jié)果表明，路面排水結(jié)構(gòu)的改善以及降低地下水位高度可以顯著減少凍脹.因此路基的防排水技術(shù)是減少道路凍脹破壞的關(guān)鍵所在.

目前解決季節(jié)性凍土區(qū)路基凍脹破壞的措施主要是通過改良路基填筑用土或換填來實(shí)現(xiàn)[6-9]，但上述措施對道路凍脹破壞只能起到一定的預(yù)防和改善作用，存在諸多不足.例如，換填法和保溫法成本高，不能徹底消除及避免路基土水分遷移與凍脹[10-11].美國TenCate 公司研制了一種具有毛細(xì)吸水功能的毛細(xì)導(dǎo)水材料H2Ri，這是一種由親水吸濕纖維制成的新型高分子材料，能夠在非飽和條件下將土中水分排出，美國一些學(xué)者圍繞這種材料開展了一些研究工作.Azevedo 等[12]利用小型土柱模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)導(dǎo)水材料的水平排水性能明顯優(yōu)于其豎向排水能力.Zhang 等[13]在阿拉斯加某公路試驗(yàn)段開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，初步證明該種毛細(xì)導(dǎo)水材料可有效解決凍土區(qū)路基的凍融破壞問題.Lin 等[14-15]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)證明毛細(xì)導(dǎo)水材料可以有效地將自由水和毛細(xì)水排出路面結(jié)構(gòu).Guo 等[16]在控制溫度和相對濕度條件下測試了毛細(xì)導(dǎo)水材料的除水率，結(jié)果表明毛細(xì)導(dǎo)水材料可以以較快速率從水箱中抽排水.

由于國內(nèi)并不生產(chǎn)上述毛細(xì)導(dǎo)水材料，本文采用與毛細(xì)導(dǎo)水材料H2Ri 具有相似功能的類毛細(xì)導(dǎo)水材料Coolmax 材料進(jìn)行研究.以商用高嶺土為對象，對使用類毛細(xì)導(dǎo)水材料處理后的不同初始含水率高嶺土單元體試樣分別進(jìn)行排水和凍融試驗(yàn)，研究類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水特性及其抑制土體凍融變形的效果.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用市場上具有毛細(xì)導(dǎo)水性能的類毛細(xì)導(dǎo)水材料Coolmax 材料（如圖1 所示）進(jìn)行測試分析，探討其排水能力以及抑制黏性土凍融變形的效果.Coolmax 材料由于具有良好的吸排水性能，被廣泛地應(yīng)用于制造速干類運(yùn)動衣[17]，Coolmax 材料的規(guī)格參數(shù)見表1.

圖1 Coolmax 材料實(shí)物圖Fig.1 Picture of the Coolmax material

表1 Coolmax 材料的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specifications of the Coolmax material

試驗(yàn)所用土樣為徐州礦務(wù)局夾河高嶺土廠生產(chǎn)的商用高嶺土（粒徑<50 μm）.其主要的物理性質(zhì)指標(biāo)見表2.

表2 高嶺土主要物理性質(zhì)Tab.2 Basic properties of the kaolinite soil

1.2 試驗(yàn)方法

將上述高嶺土按15%、17%、19%、21%、23%調(diào)制含水率，密封養(yǎng)護(hù)24 h 后采用靜壓法制成φ5 cm×H10 cm 的圓柱樣，試驗(yàn)控制土樣初始干密度為1.76 g/cm3，土樣壓實(shí)度為95%.在相同含水率條件下，制樣采用2 種材料布設(shè)方案，同時(shí)制作對照試樣.

方案1 將類毛細(xì)導(dǎo)水材料直接包裹在樣品側(cè)面.試驗(yàn)組1a 將類毛細(xì)導(dǎo)水材料完全包裹在土樣側(cè)面，僅留下上下表面裸露在外，旨在測試材料接觸面排水效果；對照組1b 則直接使用塑料保鮮膜將土樣側(cè)面包裹起來，僅留上下表面裸露在外.方案2 將類毛細(xì)導(dǎo)水材料分上下2 層埋設(shè)于土樣中間.試驗(yàn)組2a制樣時(shí)將寬0.7 cm、長6.5 cm 的類毛細(xì)導(dǎo)水材料分2 層布設(shè)在土柱試樣1/3 和2/3 高度，每層2 根寬0.7 cm 的材料平行布設(shè)，間距0.5 cm；對照組2b 使用塑料保鮮膜將側(cè)面包裹起來，僅留上下表面裸露在外，在材料對應(yīng)的位置剪出開口，將開口區(qū)域的土樣曝露于空氣中.本次試驗(yàn)所制試樣編號見表3，材料布設(shè)方法和試樣制備方法分別如圖2 和圖3 所示.

表3 試樣編號Tab.3 Sample number of all the soil samples

圖2 方案2 材料布設(shè)方法Fig.2 Material layout method of scheme 2

圖3 試樣制備方法示意圖Fig.3 Diagram of sample preparation method

進(jìn)行排水試驗(yàn)時(shí)，室溫為（25±3）℃，濕度為65%±5%，定期測量土樣質(zhì)量變化并精確至0.1 g，最終測量至72 h.凍融試驗(yàn)參考美國ASTM D6035/D6035M規(guī)范[18]進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)時(shí)將試樣在-20 ℃下凍結(jié)24 h，然后置于25 ℃環(huán)境下融化24 h.

凍融過程中每隔1 h 用游標(biāo)卡尺測量試樣直徑和高度，考慮凍融過程中試樣變形的不均勻性，沿試樣高度方向取3 個(gè)斷面測量直徑，并取平均值計(jì)算試樣體積.最后根據(jù)式（1）計(jì)算試樣體積變化率.

式中：δ 為體積變化率，%；Vt為土樣經(jīng)歷凍融后體積，cm3；V0為土樣初始體積，cm3.

2 排水試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹土樣排水結(jié)果分析

圖4 所示為材料包裹試樣的試驗(yàn)組1a 與對照組1b 含水率變化曲線.從圖4 可看出在類毛細(xì)導(dǎo)水材料作用下，土樣含水率明顯低于對照組土樣含水率.在類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹下的土體排水過程主要可分為2 個(gè)階段，即類毛細(xì)導(dǎo)水材料主導(dǎo)的快速排水階段，以及蒸發(fā)作用主導(dǎo)下的勻速排水階段.

圖5 所示為采用材料包裹試樣與對照組試樣的含水率降低率曲線.由圖5 可看出，類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹的試樣的初始含水率越高，材料排水效果越明顯.這表現(xiàn)在土樣初始含水率越高，含有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的土樣最終含水率降幅越大.

圖4 材料包裹土樣的含水率變化Fig.4 Moisture content of samples with wrapped quasi wicking fabrics

圖5 材料包裹土樣的含水率降幅Fig.5 Moisture content reduction of samples with wrapped quasi wicking fabrics

2.2 鋪設(shè)2 層類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣排水結(jié)果分析

圖6 所示為鋪設(shè)2 層材料試樣的試驗(yàn)組2a 與對照組2b 的含水率變化曲線，從圖6 可看出含類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣的含水率始終低于對照組試樣.隨著時(shí)間的增長以及土中含水率的減小，最終2 組試樣的排水速率相差不多.

圖6 鋪設(shè)2 層類毛細(xì)導(dǎo)水材料土樣的含水率變化Fig.6 Variation of moisture content of samples with two layers of quasi wicking fabrics

圖7 所示為鋪設(shè)2 層材料的土樣與對照組試樣的含水率降低率曲線.分析圖7 可發(fā)現(xiàn)埋有類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的含水率降低率與對照組試樣的含水率降低率之間未表現(xiàn)出太大差異.埋有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的土樣排水效果略優(yōu)于沒有材料的土樣，這可能是因?yàn)檎舭l(fā)作用比較明顯且類毛細(xì)導(dǎo)水材料在土樣中排水工作面積不足，未能表現(xiàn)出明顯的吸排水效果.

圖7 鋪設(shè)2 層材料試樣的含水率降低率Fig.7 Moisture content reduction of samples with two layers of quasi wicking fabrics

圖8 所示為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)鋪設(shè)2 層材料土樣的分層含水率，由圖8 可看出鋪設(shè)2 層材料的土樣不同深度的含水率是不同的，由于土樣頂層暴露在空氣中，所以土樣上部同時(shí)受到類毛細(xì)導(dǎo)水材料的毛細(xì)效應(yīng)以及蒸發(fā)影響，含水率最低.土樣中部只受到類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水作用，能夠體現(xiàn)材料真實(shí)排水能力.土樣下部含水率較高可能是由于土樣底層無蒸發(fā)作用且離導(dǎo)水材料較遠(yuǎn)所致.

圖8 鋪設(shè)2 層材料試樣的分層含水率Fig.8 Moisture content of each layer in samples with two layers of quasi wicking fabrics

2.3 布設(shè)方案對類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水效果影響分析

圖9 顯示了2 種材料布設(shè)方案對試樣含水率變化率的影響.由圖9 可發(fā)現(xiàn)材料包裹試樣的排水效果要明顯優(yōu)于在試樣中鋪設(shè)2 層材料的排水效果，且初始含水率越大，越能發(fā)揮材料的排水作用.此外，類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水能力與它和土樣之間的有效接觸面積相關(guān)，接觸面積越大，材料的排水效果就越好.除了有效接觸面積之外，類毛細(xì)導(dǎo)水材料在空氣中的暴露面積同樣起到關(guān)鍵作用.類毛細(xì)導(dǎo)水材料暴露在空氣中的部分直接參與了蒸發(fā)過程，因此暴露在空氣中的材料面積越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水能力越強(qiáng).

圖9 2 種材料布設(shè)方案含水率降幅比較Fig.9 Comparison of moisture content reduction between two layout methods

結(jié)合具體工程實(shí)際進(jìn)行考量，第一種材料布設(shè)方案在實(shí)際工程中較難應(yīng)用，而第二種布設(shè)方案所表現(xiàn)出的效果雖然不如方案一，但在具體工程應(yīng)用上更加可行.在第二種材料布設(shè)方案中，由于室內(nèi)試驗(yàn)條件限制，材料埋設(shè)寬度較小，類毛細(xì)導(dǎo)水材料與土樣接觸面積不足，因此降低了其排水效果.

3 材料抑制土樣凍融效果研究

3.1 類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹試樣凍脹融沉分析

圖10 所示為用材料包裹的初始含水率為19%與23%的試樣體積變化率.從圖10 可看出土樣初始凍脹階段體積變化最快，隨著時(shí)間增長，體積變化逐漸減慢，直至穩(wěn)定.試樣剛開始融化時(shí)，試樣的體積迅速減小，隨著時(shí)間增長，體積變化逐漸減小.

從圖10 可看出，在凍脹階段，包裹了類毛細(xì)導(dǎo)水材料和不含材料的2 個(gè)試樣的體積變化率都在增加，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象；在融化階段，2 個(gè)試樣也都出現(xiàn)了明顯的融沉現(xiàn)象.但在整個(gè)凍脹融沉試驗(yàn)過程中，類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹的試樣的體積變化率一直都比素土試樣的體積變化率低15%左右，這說明采用類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹側(cè)面的布設(shè)方案確實(shí)能夠有效抑制土樣的凍脹融沉.

圖10 材料包裹試樣的體積變化率Fig.10 Volume change ratio of samples with wrapped quasi wicking fabrics

3.2 均勻鋪設(shè)2 層材料試樣凍脹融沉分析

圖11 為初始含水率分別為19%與23%且均勻鋪設(shè)2 層類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的體積變化曲線.由圖11 可看出，在初始凍脹階段，土樣體積迅速增大，出現(xiàn)明顯的凍脹現(xiàn)象，隨著時(shí)間增長，體積逐漸趨于穩(wěn)定，直至不再變化.相同情況下，試樣初始含水率越高，其體積變化越大.比較2 種試樣的體積變化率可見，鋪設(shè)有類毛細(xì)導(dǎo)水材料試樣的體積變化率比對照組試樣低5%，這說明采用在土樣中均勻鋪設(shè)類毛細(xì)導(dǎo)水材料的試驗(yàn)方案能夠抑制土樣的凍脹融沉.

圖11 鋪設(shè)2 層材料試樣的體積變化率Fig.11 Volume change ratio of samples with two layers of quasi wicking fabrics

4 結(jié)論

本文以商用高嶺土為對象，通過對埋設(shè)有類毛細(xì)導(dǎo)水材料的不同含水率高嶺土試樣進(jìn)行排水和凍融試驗(yàn)，得到了以下主要研究結(jié)論：

1）類毛細(xì)導(dǎo)水材料能夠?qū)⒎秋柡透邘X土中的水分排出，使土樣的含水率降低20%～30%，起到抑制路基土凍脹的作用.

2）在排水試驗(yàn)中，采用了將類毛細(xì)導(dǎo)水材料直接包裹在土樣側(cè)面和將2 層材料均勻鋪設(shè)在土樣中2 種材料布設(shè)方案，其中類毛細(xì)導(dǎo)水材料包裹在土樣側(cè)面時(shí)的排水效果明顯好于將其鋪設(shè)于土樣中；土樣的初始含水率越高，類毛細(xì)導(dǎo)水材料的排水能力越強(qiáng)；暴露在空氣中的類毛細(xì)導(dǎo)水材料面積越大，類毛細(xì)導(dǎo)水材料排水效果越好.

3）在凍融試驗(yàn)中，所有土樣均發(fā)生了明顯的凍脹和融沉現(xiàn)象，且土樣含水率越高，土樣的體積變化越大；使用類毛細(xì)導(dǎo)水材料能夠使土樣在凍融過程中的體積變化率減少5%～15%，有效抑制土樣的凍脹融沉.