陽離子聚丙烯酰胺改良弱膨脹土試驗(yàn)研究

史敏劼

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

膨脹土是一種災(zāi)害性土，其黏粒成分主要由親水性礦物蒙脫石、伊利石組成。膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的變形特性，且這種特性具有反復(fù)性和潛在性[1-4]。在公路、鐵路、地下建筑等建設(shè)中，常常由于膨脹土的特殊性質(zhì)給工程施工和維護(hù)帶來較多問題[5-7]。因此，為保證工程的順利建設(shè)和安全進(jìn)行，必須先對(duì)膨脹土進(jìn)行改良和處理。

目前工程中處理膨脹土主要采用化學(xué)法[8-9]，其中采用石灰、水泥、粉煤灰、水玻璃等無機(jī)材料改良膨脹土最為常見。莊心善[10]等通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，研究了強(qiáng)度和摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系，得出了石灰改良膨脹土的最佳摻量和最優(yōu)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。查普生[11]、惠會(huì)清等[12]通過液塑限和強(qiáng)度特性試驗(yàn)確定了石灰、粉煤灰復(fù)合改良膨脹土的最佳摻量。肖杰等[13]通過砂化試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)確定了石灰-水泥復(fù)合改良膨脹土滿足堤防填料的最佳摻量分別為2%和4%。Lu Yang等[14]通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥可降低膨脹土對(duì)水的敏感性，水泥的水化反應(yīng)減少了因凍融循環(huán)觸發(fā)的膨脹-收縮特性，對(duì)提高膨脹土的抗凍融性能具有良好的應(yīng)用前景?？稻赣畹萚15]對(duì)摻入水玻璃的膨脹土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)水玻璃可有效改善土體膨脹性和水穩(wěn)性，提升土體強(qiáng)度。王靖等[16]從自由膨脹率、抗剪強(qiáng)度方面比較了使用陽離子聚丙烯酰胺和粉煤灰改良膨脹土的效果。陳宇龍[17]從微觀角度入手，發(fā)現(xiàn)石灰和粉煤灰對(duì)膨脹土有絮凝作用，改良土微觀結(jié)構(gòu)由片狀變?yōu)閴K狀，工程性質(zhì)得以改善。

以上工作為膨脹土的改良積累了大量經(jīng)驗(yàn)，但現(xiàn)有研究大多采用水泥、石灰、粉煤灰等無機(jī)改性劑單獨(dú)改性或者聯(lián)合改性膨脹土，鮮有采用對(duì)有機(jī)類化學(xué)材料改性的研究，本文采用有機(jī)高分子化合物陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，開展室內(nèi)性能試驗(yàn)，在減少污染的同時(shí)，為工程施工提供科學(xué)建議。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用膨脹土取自安徽淮南山南新區(qū)某建筑工地基坑，土樣呈褐黃、灰黃色，表面有擦痕。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)測定其物理參數(shù)見表1。該土樣自由膨脹率為53.8%，由于40%<53.8%<65% ，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[19]規(guī)定，該土樣屬弱膨脹性土。通過篩析法所得顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，顆粒級(jí)配表見表2。所用CPAM來自鄭州森海水處理有限公司，離子濃度為40%，分子量為800萬，試驗(yàn)原材料見圖2。

表1 淮南膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 膨脹土顆粒級(jí)配圖

表2 顆粒級(jí)配表

1.2 試驗(yàn)方法

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]進(jìn)行物理、力學(xué)性能試驗(yàn)， CPAM摻量為CPAM質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。將烘干膨脹土磨細(xì)后過0.5 mm篩，分別按照0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)摻入CPAM，攪拌溶于水后與試驗(yàn)用土充分混合后測定液塑限、自由膨脹率指標(biāo)，如圖3、圖4所示；將土過2 mm篩，同樣按上述配比稱量改良劑溶于水拌和土樣，悶料24 h后使水分均勻分布，按照輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí),截取環(huán)刀樣后使用WZ-2型膨脹儀、固結(jié)儀、EDJ-2型直剪儀進(jìn)行膨脹率、水穩(wěn)性、直剪試驗(yàn)；采用Flex1000型掃描電子顯微鏡研究素土和改良土微觀形貌。

圖3 CPAM改良膨脹土液塑限變化圖

圖4 CPAM改良膨脹土自由膨脹率變化圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 液塑限試驗(yàn)

由圖3可知：加入CPAM后膨脹土的界限含水率指標(biāo)有明顯改善，隨著CPAM濃度的增加，改良膨脹土的液限和塑性指數(shù)逐漸降低，塑限逐漸增大。以加入1%CPAM為例，改良土的液限降低6.4%，塑性指數(shù)降低21.6%，塑限增加7.8%。這是由于膨脹土黏土礦物中含有的蒙脫石、伊利石表面積聚大量負(fù)電荷，會(huì)與摻入的陽離子添加劑緊密結(jié)合，使得膨脹土土粒表面的吸附水膜厚度降低，進(jìn)而ξ電勢下降，各粒徑之間的土團(tuán)孔隙縮小，土壤顆粒間進(jìn)一步靠近變得密實(shí)，膨脹土內(nèi)部結(jié)合水減少，使得宏觀上表現(xiàn)為土的液限和塑性指數(shù)降低，塑限增加。

2.2 自由膨脹率試驗(yàn)

由圖4可知：當(dāng)摻入0.2%CPAM時(shí)，改良土的自由膨脹率降至39.1%，已不再具有膨脹性；隨著濃度的增加，自由膨脹率呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律；當(dāng)摻量超過0.6%時(shí)，自由膨脹率又開始提高，這是因?yàn)闈舛容^低時(shí)，CPAM活性部分在靜電作用、氫鍵作用下對(duì)黏土的吸附能力隨著摻量的增加而增強(qiáng)，而在達(dá)到某一濃度時(shí)這種吸附能力會(huì)達(dá)到飽和，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將0.6%CPAM攪拌溶于水后已經(jīng)在水中形成絮狀物，正是這種絮狀物使得CPAM與膨脹土發(fā)生的吸附橋連作用減弱，從而導(dǎo)致改良土的膨脹性又出現(xiàn)增大的趨勢；兩種齡期的變化曲線接近重合，這是由于在自由膨脹率試驗(yàn)中CPAM的改良均是在溶液中進(jìn)行的，而離子交換發(fā)生速率很高，故養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)自由膨脹率的影響并不大。

2.3 有荷膨脹率試驗(yàn)

將改良膨脹土制成環(huán)刀試樣放入單軸固結(jié)儀中，施加25 kPa荷載，至土樣壓縮變形穩(wěn)定后，向水盒內(nèi)注水，進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn)，膨脹曲線如圖5所示。

(a)摻入CPAM后有荷膨脹率時(shí)效圖 (b) 摻入CPAM后有荷膨脹率變化圖5 CPAM對(duì)有荷膨脹率影響

由圖5(a)可知：在25 kPa荷載作用下，前140 min土樣發(fā)生收縮變形，至變形穩(wěn)定后，注水條件下土樣在隨后80 min內(nèi)處于快速膨脹階段，自此之后，土的有荷膨脹率增長逐漸緩慢直至穩(wěn)定。由圖5(b)可知：有荷膨脹率隨著CPAM摻量增加而降低，這是由于CPAM分子鏈上帶有的大量氨基可以與礦物晶面上的氧層和氫氧層形成氫鍵，并形成膨脹土顆粒表面的薄膜，這種較強(qiáng)靜電作用會(huì)削弱層間負(fù)電斥力，阻止外來水浸入導(dǎo)致晶層間距增大而形成膨脹，從而使有荷膨脹率降低。值得注意的是，當(dāng)摻量超過0.8%時(shí)，有荷膨脹率又有增大趨勢，原因是在一定濃度時(shí)，CPAM溶液在黏土表面的吸附會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，而過量的聚丙烯酰胺會(huì)導(dǎo)致土膨脹性增大。

2.4 水穩(wěn)性試驗(yàn)

將素土和CPAM改良土制成環(huán)刀重塑樣取出放入水中，進(jìn)行水理特性試驗(yàn)，觀察土樣在無側(cè)限下的塌落情況，素土與0.6%CPAM改良土水中濕化崩解圖見圖6。

圖6 水中崩解圖

由圖6可知：素土在0.5 h時(shí)底部土層開始成塊脫落，上浮氣泡增多，上表面邊緣逐漸翹起并出現(xiàn)裂縫；1 h后出現(xiàn)大量塌落，上部邊緣已完全松動(dòng)脫落，表面布滿裂縫；隨后上表面裂縫朝中間發(fā)展，土樣繼續(xù)塌落，4 h后基本穩(wěn)定，6 h后已完全崩解。0.6%CPAM改良土在0.5 h 時(shí)邊緣開始出現(xiàn)松動(dòng)，隨后1～4 h土樣上表面邊緣出現(xiàn)裂縫并逐步向中間延伸，邊緣松動(dòng)增多但并未有土屑滑落，6 h后表面裂縫寬度增大土樣整體完好，這是由于CPAM與蒙脫石、伊利石發(fā)生反應(yīng)形成的一層覆蓋膜將膨脹土的大小微粒聯(lián)結(jié)和包裹起來，改良后土體的親水性發(fā)生根本變化，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使土顆粒之間連接更加緊密，所以土樣整體完好并無塌落，這一改良特性提升了土的水穩(wěn)定性，有利于多雨地區(qū)膨脹土路堤和邊坡施工。

2.5 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)過程中手輪轉(zhuǎn)速為4 r/min，分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的垂直壓力，試驗(yàn)過程中記錄手輪轉(zhuǎn)數(shù)和測力計(jì)讀數(shù)，不同摻量試樣的應(yīng)力-位移曲線見圖7，不同上覆壓力下的抗剪強(qiáng)度如表3所示，直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表3 不同上覆壓力下的抗剪強(qiáng)度

表4 直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

圖7 不同CPAM摻量下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

由圖7可以看出：素土和改良土的應(yīng)力-位移曲線均滿足先上升后下降至穩(wěn)定的規(guī)律。素土和改良土峰值強(qiáng)度都隨著上覆壓力的增大而增大，殘余強(qiáng)度依然滿足此規(guī)律。這是因?yàn)橥馏w在受剪時(shí)，土顆粒之間緊密排列，在受到橫向推力時(shí)，上部土體和下部土體發(fā)生擠壓并產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)需要克服較大的“咬合”作用力，而上覆壓力越大，需要克服的咬合力也越大，因而表現(xiàn)出更大的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)土體本身的抗剪強(qiáng)度大于咬合力時(shí)，土體顆粒就可繞過另一部分土體顆粒，此時(shí)土體整體結(jié)構(gòu)變松，上下部分位置出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，抗剪能力減弱，表現(xiàn)為軟化特性。

由表3可知：同一上覆壓力下，土體的抗剪強(qiáng)度隨著CPAM摻量的增加而增大，但當(dāng)摻量大于0.6%時(shí)，抗剪強(qiáng)度的增長開始減緩，150 kPa上覆壓力下，摻量為0.8%CPAM的抗剪強(qiáng)度甚至比0.6%CPAM的還低，這說明CPAM摻量存在一個(gè)最佳值。

由表4可知：在0%～0.6%摻量下，隨著CPAM濃度的增加，改良土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角也在增加，這是因?yàn)榧尤隒PAM后，膠結(jié)作用提高了黏土顆粒之間的連接強(qiáng)度，使得顆粒與顆粒之間連接更加緊密，宏觀上表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的提高；改良效果方面，以施加200 kPa垂直壓力為例，摻入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%CPAM改良土的黏聚力增幅分別為10%、23%、45%、43%，內(nèi)摩擦角增幅為3%、6%、11%、14%；在0.6%～1%摻量時(shí)，內(nèi)摩擦角仍在繼續(xù)增大，但黏聚力有減少的趨勢，可見摻量過高時(shí)，CPAM并不能大幅度增加改良土樣的強(qiáng)度，這也印證了前面的結(jié)論。根據(jù)土力學(xué)中庫倫公式σtanφ以及經(jīng)濟(jì)角度，摻量0.6%是一個(gè)比較合理的數(shù)值。

2.6 微觀分析

為對(duì)比改良前后膨脹土微觀結(jié)構(gòu)變化，將素土和0.6%CPAM改良土制成小塊后烘干，使用掃描電子顯微鏡，將試樣噴金180 s后進(jìn)行掃描分析，見圖8。

圖8 掃描電子顯微鏡圖

CPAM的SEM圖片如圖9所示，500倍數(shù)下可發(fā)現(xiàn)CPAM固體間顆粒緊密連接，互相包裹。當(dāng)放大倍數(shù)為1 000時(shí)，發(fā)現(xiàn)局部有絮狀體出現(xiàn)，黏度較高且互相吸附。在5 000倍下可看出顆粒間呈膠體狀，這種膠體使得分子間具有吸附架橋作用，在與蒙脫石、伊利石等黏土礦物反應(yīng)時(shí)，會(huì)在其表面形成一種覆蓋膜，一方面促使顆粒間連接更加緊密，另一方面又阻止了外來水浸入土體內(nèi)部，降低了膨脹土的親水性。

圖9 CPAM的SEM圖片

素土的掃描電鏡圖像見圖10，經(jīng)500倍數(shù)放大發(fā)現(xiàn)，膨脹土由顆粒間層疊聯(lián)結(jié)，由面-面疊聚體構(gòu)成，呈鱗片狀，正是這種疊聚體構(gòu)成了起脹縮作用的組織單元，當(dāng)放大倍數(shù)為1 000時(shí)，可看出表面黏土的形態(tài)有扁平而直的，也有彎曲起皺的，邊緣形態(tài)或規(guī)整清晰或模糊不清。在5 000倍下，可更為清楚地觀察到薄片狀分布的顆粒，這些顆粒外形彎曲而起皺，邊緣無棱，模糊不清，這是蒙脫石或蒙脫石、伊利石混層礦物顆粒，這種顆粒是造成膨脹土吸水膨脹和失水收縮的主要原因。

圖10 素膨脹土SEM圖片

0.6%CPAM改良土的掃描電鏡圖像見圖11，500倍數(shù)放大下可發(fā)現(xiàn)改良土疊聚體的排列更為稀疏，這使得改良土在浸水后，膨脹壓力變小，膨脹程度降低。當(dāng)放大倍數(shù)為1 000時(shí)，相比較素土的面-面疊聚體，CPAM的膠結(jié)作用使得改良土連接方式轉(zhuǎn)變成邊-角或邊-面-角絮凝體，這種連接方式具有一定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。相比于素土，在5 000倍下可發(fā)現(xiàn)彎曲薄片狀顆粒數(shù)量減少，解釋了改良土膨脹潛勢下降的原因。同時(shí)可更加直觀地觀察顆粒間的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了土體穩(wěn)定性，從而增加了土體強(qiáng)度。

圖11 0.6% CPAM改良膨脹土SEM圖片

3 結(jié)論

(1)隨著CPAM的摻入，膨脹土塑限逐漸增加，液限和塑性指數(shù)逐漸降低；自由膨脹率與有荷膨脹率均呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，其中自由膨脹率在0.6%摻量時(shí)改良效果最優(yōu)，有荷膨脹率在0.8%摻量時(shí)改良效果最佳。

(2)水理特性方面，CPAM改良土的水中崩解情況穩(wěn)定，水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于素土，有利于多雨地區(qū)膨脹土路堤及邊坡施工。

(3)素土和改良土的抗剪強(qiáng)度隨著上覆壓力的增加而增大，改良土的抗剪強(qiáng)度隨著CPAM摻量的增加而提高，黏聚力先增大后減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大，最佳摻量為0.6%。

(4)通過掃描電鏡微觀分析發(fā)現(xiàn)素膨脹土主要由面-面疊聚體排列組成，土顆粒呈彎曲起皺狀；0.6%CPAM改良土疊聚體主要呈邊-角或邊-面-角排列，形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提高了土體的強(qiáng)度。