干濕循環(huán)條件下有機聚合物復(fù)合黏土保水與開裂特性研究

何戲龍，宋京雷，理繼紅，卜 凡，劉 瑾*，王 梓

(1. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；3.自然資源部國土(耕地)生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心, 江蘇 南京 210018)

近年來，植被護坡綠化技術(shù)作為一種新型的邊坡防護治理技術(shù)，在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用，其不僅能夠在一定程度上提高邊坡的穩(wěn)定性，防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，還能夠改善生態(tài)環(huán)境，促進綠色發(fā)展[1-4]?？屯羾姴ゼ夹g(shù)作為我國一種主要的邊坡護坡綠化技術(shù)，其主要客土基材(黏土)在干旱氣候條件下容易產(chǎn)生失水開裂的現(xiàn)象，對實際邊坡工程防護效果產(chǎn)生嚴重影響，目前，針對黏性土體干縮開裂問題，國內(nèi)外學(xué)者就黏性土開裂影響因素及裂隙網(wǎng)絡(luò)定量化分析等方面進行了大量研究，但關(guān)于黏性土改良技術(shù)的研究較少[5-7]。近年來，高分子聚合物作為一種新型環(huán)保材料，被廣泛應(yīng)用于土體改良加固等方面[8-15]。因此，本文利用有機聚合物復(fù)合黏性土，通過一系列室內(nèi)干濕循環(huán)蒸發(fā)試驗，通過分析含水率、蒸發(fā)速率以及裂隙網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)特征等方面的變化，研究了聚合物濃度與干濕循環(huán)次數(shù)對黏性土干裂特性的影響，并從微觀角度進一步分析了有機聚合物對黏土干裂的影響機理。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本試驗所用土體為南京地區(qū)下蜀土，自然狀態(tài)下呈黃褐色(圖1(a))，經(jīng)烘干、碾碎后過2 mm的篩備用，其基本物理性質(zhì)見表1。試驗所用有機聚合物(簡稱PU)，自然狀態(tài)下呈淺黃色粘稠狀液體(圖1(b))，其能與任意比例水混合形成乳白色溶液(圖1(c))，其基本物理參數(shù)見表2。

圖1 試驗材料Fig.1 Materials of experiment

表1 試驗用黏土的物理參數(shù)

表2 有機聚合物的物理性質(zhì)

1.2 試驗方案

本文通過控制聚合物濃度(CPU)以及干濕循環(huán)次數(shù)，研究二者對黏土干裂特性的影響。其中，聚合物濃度(CPU)定義為聚合物與水質(zhì)量比，由公式(1)計算所得。本次試驗設(shè)置試樣厚度為1 cm；CPU分別為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%，對每個聚合物濃度條件下制備3個平行試樣；試樣初始含水率Cw為65%；最大干濕循環(huán)次數(shù)為3次，且一次干濕循環(huán)的結(jié)束定義為開始統(tǒng)計試樣含水率變化至試樣干燥完全。

(1)

式中：CPU—聚合物的濃度，%；MPU—聚合物的質(zhì)量，g；Mw—水的質(zhì)量，g。

本試驗采用10 cm×10 cm×3 cm規(guī)格的塑料盒作為試樣盒，并在盒底部粘貼一張規(guī)格為60目的砂紙，以模擬土層在自然狀態(tài)下所存在的外界摩擦力。根據(jù)試驗設(shè)計的試樣初始含水率、聚合物濃度，定量稱取黏土與聚合物，將聚合物與蒸餾水混合均勻后迅速與黏土進行充分拌合形成飽和漿液，并緩慢倒入試樣盒中，最后放置于振動臺上振動3 min，以排除試樣內(nèi)部的封閉氣泡。制備完成的試樣密封靜置24 h后放入溫度為20 ℃，相對濕度為50%的恒溫/濕箱中進行干燥，并按時對各組試樣進行稱重、拍照，至每兩次讀數(shù)之差小于1 g時，標志為試樣干燥完全。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 聚合物濃度、干濕循環(huán)次數(shù)對黏性土含水率的影響

當試樣初始含水率以及干濕循環(huán)次數(shù)相同時，聚合物濃度對試樣的含水率變化存在著明顯的影響。圖2為試樣經(jīng)過3次干濕循環(huán)后的含水率變化曲線。從圖2可以看出，試樣在干燥過程中含水率隨干燥時間的變化主要分為三個階段：線性減小階段，非線性減小階段，穩(wěn)定階段。如圖2(a)所示，聚合物濃度為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%的試樣對應(yīng)的含水率線性減小階段所持續(xù)的時間分別約為96、98、102、114、120 h，其中聚合物濃度為1%的試樣較無添加的素土試樣，其含水率線性減小階段的時間延長了約24 h，表明黏性土含水率線性減小階段的時間隨著聚合物濃度的提高而逐漸延長。圖2(b)與圖3(c)為第二、三次干濕循環(huán)的含水率變化曲線，可以看出第二、三次干濕循環(huán)含水率曲線變化趨勢與第一次干濕循環(huán)一致。如圖2所示，試樣在第一階段結(jié)束后其含水率均約為12%，隨后蒸發(fā)進入第二階段(非線性減小階段)，該階段試樣的蒸發(fā)速率逐漸減小且持續(xù)時間較短，主要是因為該試樣內(nèi)部含水率已處于較低水平，對表面的補給作用減弱。在試樣干燥進行至第三階段(穩(wěn)定階段)時，含水率幾乎不再變化，約為5%～6%。由上述分析可知，各試樣在第一階段含水量損失約53%，在第二階段含水量損失約6%，故在一次干燥過程中，試樣水分蒸發(fā)主要發(fā)生在第一階段，并且蒸發(fā)速率恒定，原因在于該階段內(nèi)試樣含水率較高，水分可以持續(xù)穩(wěn)定地運移至蒸發(fā)面，使其蒸發(fā)速率能在一個相對長的時間內(nèi)維持在一個較高的水平。

圖2 試樣含水率隨干燥時間的變化Fig.2 Change of moisture content of sample with drying time

圖3為3次干濕循環(huán)試樣內(nèi)部水分蒸發(fā)速率隨時間變化的曲線。由圖3可知，試樣在干燥過程中水分蒸發(fā)速率變化需經(jīng)歷三個過程：常速率蒸發(fā)階段，減速率蒸發(fā)階段，殘余蒸發(fā)階段。圖3(a)為添加不同濃度聚合物的試樣第一次干燥過程中蒸發(fā)速率的變化。由圖可知，隨著聚合物濃度的提高，試樣在常速率蒸發(fā)階段的蒸發(fā)速率逐漸降低，聚合物濃度為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%的試樣所對應(yīng)的常速率蒸發(fā)階段的蒸發(fā)速率分別約為0.67、0.66、0.58、0.55、0.53 g/h。并且隨著聚合物濃度的提高，試樣常速率蒸發(fā)階段所持續(xù)的時間增長，該階段與含水率變化曲線的線性減小階段相對應(yīng)。在減速率蒸發(fā)階段，試樣蒸發(fā)速率逐漸減小，且隨著聚合物濃度的提高，蒸發(fā)速率下降越慢，曲線越平緩。殘余蒸發(fā)階段試樣蒸發(fā)速率基本不再發(fā)生變化，表明試樣逐漸趨于穩(wěn)定。因此，在試樣的干燥過程中，聚合物的加入可以有效地減緩?fù)馏w內(nèi)部水分的蒸發(fā)，起到一定的保水作用，其原因在于聚氨酯型聚合物中含有親水基團，能夠緊密吸附土體內(nèi)部水分，延緩了水分的蒸發(fā)，并且當聚合物與水產(chǎn)生反應(yīng)時，會在土顆粒周圍形成具有一定彈性的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，包裹土顆粒，填充了顆粒之間的孔隙，導(dǎo)致水分向試樣表面運移的通道減少，并延長了水分運移路徑，進而影響土體內(nèi)部的水分蒸發(fā)。

圖3 蒸發(fā)速率隨干燥時間的變化Fig.3 Variation of evaporation rate with drying time

2.2 聚合物濃度、干濕循環(huán)次數(shù)對黏性土裂隙發(fā)育的影響

由于容器的邊界存在限制，導(dǎo)致土體裂隙無法無限地延伸發(fā)育，故文中所示試樣照片均向中心等比例截取1 cm，從而在一定程度上減小邊界限制對試驗所造成的影響。圖4為無添加試樣第一次干燥過程表面裂隙發(fā)育特征圖。經(jīng)歷48 h的干燥，試樣表面出現(xiàn)三條“主干裂隙”(圖4(b))。此時試樣的含水率約為37.4%，唐朝生等[16]將試樣表面首次出現(xiàn)裂隙對應(yīng)的含水率稱為臨界含水率Cw。當含水率持續(xù)降低，試樣表面“次級裂隙”與前期形成的“主干裂隙”相交后，停止延伸，向兩側(cè)持續(xù)擴張。圖4(c)為試樣表面裂隙網(wǎng)絡(luò)基本形成時的圖像，此時試樣含水率為27.7%。可以看出，試樣表面裂隙主要由三條主干裂隙以及沿著主干裂隙形成的“次級裂隙”所組成，這些“次級裂隙”一般與“主干裂隙”呈直角相交，交點處一般為“T”字形。當試樣表面裂隙網(wǎng)絡(luò)基本形成后，即使干燥繼續(xù)進行，含水率繼續(xù)下降，試樣表面也不再產(chǎn)生新的裂隙，僅為裂隙在寬度上的擴展，如圖4(d)所示。

圖4 無添加試樣裂隙發(fā)育過程Fig.4 Formation and development of cracks in plain soil samples

圖5為添加不同濃度聚合物的試樣在不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后表面裂隙形態(tài)特征。從圖5中可以看出，試樣在經(jīng)歷第一次干濕循環(huán)后，表面出現(xiàn)大量裂隙，裂隙網(wǎng)絡(luò)均以較少的“主干裂隙”為主體，伴生若干條“次級裂隙”，試樣表面較為平整、光滑。在第二次干濕循環(huán)后，試樣表面粗糙度增加，并產(chǎn)生大量的“凹凸點”，且試樣表面微細裂紋增多。與此同時，第一次干燥結(jié)束之后，試樣表面未貫通的獨立裂隙在第二次干濕循環(huán)之后也逐漸發(fā)育，并與“主干裂隙”呈近直角相交。通過圖5還可以看出，當聚合物濃度較低時，第二次干濕循環(huán)后試樣表面裂隙被部分充填，但隨著試樣聚合物濃度的提高，試樣裂隙被充填現(xiàn)象不明顯，原因在于低濃度聚合物團聚土顆粒能力較弱，在增濕過程中，土顆粒被沖散進而發(fā)生“崩解”，部分“崩解”后的土體對前期形成的裂隙進行了充填；而較高濃度聚合物團聚土顆粒的能力增強，進而提升了土體的整體穩(wěn)定性。第三次干濕循環(huán)結(jié)束后，試樣表面部分裂隙被進一步充填，裂隙出現(xiàn)不同程度的“愈合”，裂隙寬度較第一、二次干濕循環(huán)后大幅度減小。綜上所述，通過對圖5的縱向?qū)Ρ确治?，可以發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)的進行，高濃度聚合物試樣表面裂隙形態(tài)變化較小，在干濕循環(huán)的破壞下能保持較高的穩(wěn)定性。

圖5 不同聚合物濃度的試樣干濕循環(huán)作用下裂隙發(fā)育規(guī)律Fig.5 Crack development law of samples with different polymer concentrations under drying-wetting cycle

圖6為第一次干燥過程中試樣含水率隨干燥時間變化時所對應(yīng)的特征裂隙圖像。從圖6中可以看出，添加不同濃度聚合物的試樣表面首次出現(xiàn)裂隙均發(fā)生在含水率線性減小階段，即常速率蒸發(fā)階段，且隨著聚合物濃度的提高，試樣表面首次出現(xiàn)裂隙的時間相對滯后。聚合物濃度為0%、0.1%、0.2%、0.5%、1%的試樣表面首次出現(xiàn)裂隙的時間分別為48、48、54、54、66 h，對應(yīng)裂隙出現(xiàn)的臨界含水率分別為37.4%、37.9%、37.9%、38.9%、36.0%，集中分布于36%～39%之間。當試樣表面裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本形態(tài)發(fā)育完全時，添加聚合物濃度由低到高的試樣所需時間分別為66、72、78、78、90 h，此時對應(yīng)含水率為27.7%、25.5%、26.5%、28.6%、25.9%，集中分布于25%～29%之間。此后，即便試樣含水率隨著干燥時間的延長而繼續(xù)下降，但試樣表面裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)基本不變，僅為裂隙寬度向兩側(cè)逐漸擴展。由此可知，聚合物的加入可以延長試樣表面裂隙出現(xiàn)以及裂隙網(wǎng)絡(luò)基本發(fā)育完全的時間，且上述影響效果與添加聚合物濃度呈正相關(guān)。

圖6 第一次干燥過程中試樣含水率隨干燥時間變化時所對應(yīng)的特征裂隙圖像Fig.6 Characteristic crack image corresponding to the change of moisture content with drying time in the first drying process

3 機理分析

黏性土開裂宏觀上是水分蒸發(fā)、體積縮小的過程。由于黏土顆粒表面被一層結(jié)合水化膜包裹，導(dǎo)致顆粒之間并不是直接接觸，而是存在著一定的間隔，這為黏土失水收縮提供了必要的空間條件[17]。干燥開始時，試樣表面的自由水首先被蒸發(fā)，隨著蒸發(fā)的繼續(xù)，試樣內(nèi)部產(chǎn)生毛細水將試樣下部的水分運移至試樣表面以維持蒸發(fā)的進行，并在試樣內(nèi)部形成張拉應(yīng)力場。當土體內(nèi)部某處的張拉應(yīng)力增大至超過土體的抗拉強度時，便會產(chǎn)生拉裂破壞，形成裂隙[18]。

圖7為不同濃度聚合物溶液對黏土開裂產(chǎn)生影響的機理示意圖。聚合物與水反應(yīng)后生成彈性粘膜，其對黏土顆粒的影響主要為充填、包裹與膠結(jié)作用。當黏土顆粒與聚合物溶液混合之后，反應(yīng)生成的彈性粘膜會充填黏土顆粒與顆粒之間的孔隙，造成水分向上運移通道的“阻塞”，且聚合物濃度越高，孔隙被充填的程度越高。圖7(a)為無添加的素土試樣微觀結(jié)構(gòu)示意圖，土中孔隙未被充填，試樣下部的自由水可以通過毛細作用無阻礙地運移至試樣表面維持蒸發(fā)的進行。圖7(b)、(c)為不同濃度聚合物復(fù)合黏土試樣的微觀結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出，當聚合物濃度較低時，試樣內(nèi)僅有少部分孔隙被充填，當聚合物濃度達到較高水平時，試樣內(nèi)部的孔隙被大量充填，試樣下部的自由水運移至試樣表面的通道被“阻塞”，減少并延長了試樣水分遷移路徑，進而導(dǎo)致試樣蒸發(fā)速率降低。這是圖3中試樣蒸發(fā)速率隨聚合物濃度增大而降低的主要原因。彈性粘膜的存在不僅會充填顆粒間孔隙，還會對土顆粒進行包裹與膠結(jié)作用。如圖5所示，當一次干濕循環(huán)結(jié)束，在對試樣進行增濕的過程中，無添加的素土試樣以及低濃度聚合物復(fù)合黏土試樣上部土顆粒由于顆粒間聯(lián)結(jié)較弱被水流沖散，進而充填先期形成的裂隙，而高濃度聚合物混合黏土試樣由于聚合物的包裹與膠結(jié)作用，增強了顆粒間的聯(lián)結(jié)，在水流的作用下土顆粒不會輕易被沖散，試樣表層土體能維持整體穩(wěn)定性，如圖7(c)所示，當土顆粒周圍孔隙全部被彈性粘膜充填時，彈性粘膜會包裹與膠結(jié)土顆粒，增強顆粒間的聯(lián)結(jié)力，這也解釋了在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后高濃度聚合物復(fù)合黏土試樣表面裂隙形態(tài)變化較小，穩(wěn)定性較高的原因。

圖7 不同濃度聚合物溶液對黏性土產(chǎn)生影響的原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the influence of polymer solutions with different concentrations on the clayey soil

4 結(jié)論

本文通過改變聚氨酯型聚合物濃度以及干濕循環(huán)次數(shù)，開展了一系列室內(nèi)干濕循環(huán)蒸發(fā)試驗，從含水率變化、蒸發(fā)速率以及裂隙網(wǎng)絡(luò)形態(tài)特征等方面研究了二者對黏性土干縮開裂的影響，得到如下結(jié)論：

1)黏土干燥失水過程中含水率-蒸發(fā)速率變化主要經(jīng)歷三個階段：線性減小-常速率蒸發(fā)階段，非線性減小-減速率蒸發(fā)階段，穩(wěn)定-殘余蒸發(fā)階段。試樣內(nèi)部水分損失主要發(fā)生在第一階段，失水量約為53%，第二階段失水量僅為6%。隨著聚合物濃度提高，試樣含水率線性減小階段所持續(xù)時間延長且蒸發(fā)速率降低，其中1%聚合物濃度的試樣較無添加的素土試樣含水率線性減小階段的時間延長了約24 h，蒸發(fā)速率降低了0.14 g/h。其原因為聚合物與水反應(yīng)生成的彈性粘膜對土體孔隙的充填作用，造成水分向上運移通道的“阻塞”，進而降低水分蒸發(fā)速率，延長蒸發(fā)時間，起到一定程度的保水作用。

2)干濕循環(huán)作用將對黏性土表面及內(nèi)部裂隙的形態(tài)產(chǎn)生改變。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面裂隙會出現(xiàn)不同程度的“愈合”，但隨著聚合物濃度的提高，土顆粒被彈性粘膜包裹與膠結(jié)，顆粒間的聯(lián)結(jié)增強，在水體的作用下不會輕易被破壞，試樣表面裂隙形態(tài)變化較小，整體穩(wěn)定性得到一定程度的提升。