一種非傳統(tǒng)高分子粘結(jié)劑改良黏土的強(qiáng)度試驗(yàn)研究

李明陽(yáng)，祁長(zhǎng)青，卜 凡，王 梓，盧洪寧

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211100)

黏土工程力學(xué)特性較差，易形變[1-4]。在工程實(shí)踐中，常需要改善黏土的工程力學(xué)特性。工程中采取的土體改良方法多種多樣，如化學(xué)添加劑、再濕潤(rùn)、土壤置換、壓實(shí)等。然而以上這些方法往往存在著成本高、效率低和持久性差等缺點(diǎn)[5]。應(yīng)用穩(wěn)定劑是改良土體性能的常用手段。在傳統(tǒng)工程中，應(yīng)用水泥與石灰粘結(jié)劑是一項(xiàng)成熟技術(shù)。然而這兩類粘結(jié)劑會(huì)造成土壤的高剛性和高脆性[6]，同時(shí)不利于工程周邊環(huán)境的生態(tài)修復(fù)進(jìn)程。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保型工程建設(shè)的日益注重，生態(tài)友好型的工程地質(zhì)手段越來(lái)越受到重視。其中，添加水溶性化合物型粘結(jié)劑改良土體性能是一種常見(jiàn)的工程手段。目前添加水溶性化合物型粘結(jié)劑作為一種土體改良方式已經(jīng)成為工程地質(zhì)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-10]。PVAc(聚醋酸乙烯酯)是一種水溶性高分子聚合物，相比多種同類粘結(jié)劑，價(jià)格便宜，適用于大規(guī)模工程應(yīng)用。在土體性能研究中，PVAc可作為一種非傳統(tǒng)的土體粘結(jié)劑，應(yīng)用于多項(xiàng)改善土體性能的工程實(shí)踐和試驗(yàn)研究中[11-12]，這些研究表明了PVAc可對(duì)土體的多項(xiàng)工程力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生有利影響，反映了PVAc在工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。為了進(jìn)一步研究PVAc型粘結(jié)劑對(duì)黏土強(qiáng)度的影響，探討其工程應(yīng)用價(jià)值，本研究以PVAc型粘結(jié)劑改良黏土，并針對(duì)粘結(jié)劑濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間兩種變量進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，以研究粘結(jié)劑改良黏土的最佳方案。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

PVAc是一種有機(jī)水溶性聚合物，其主要成分為乙酸乙烯酯聚合物。PVAc的具體理化參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)所用PVAc的理化參數(shù)

本試驗(yàn)所用土樣采自南京市江寧區(qū)，將土樣置于烘干箱中以110 ℃烘干10 h后粉碎，過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩后備用。所用黏土物性參數(shù)如表2所示。

表 2 試驗(yàn)所用土樣的物性參數(shù)

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 直接剪切試驗(yàn)

為研究粘結(jié)劑濃度對(duì)改良黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，設(shè)置粘結(jié)劑含量為0%，1%，2%，3%。將稀釋至相應(yīng)濃度的粘結(jié)劑溶液與烘干過(guò)篩后的黏土顆?；旌暇鶆?，制成含水率為20%的土樣。取適量土樣置于專用壓實(shí)設(shè)備，制成高為20 mm，直徑為61.8 mm的直接剪切樣。最后將制得試樣置于室內(nèi)25 ℃恒溫環(huán)境下分別濕養(yǎng)1、3、5、9 d。剪切過(guò)程中施加的軸向壓力分別為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.024 mm/s。

1.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為研究粘結(jié)劑濃度對(duì)改良黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，土樣配置與直接剪切試驗(yàn)一致。制成高為80 mm，直徑為39.1 mm的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣。將制得試樣置于25 ℃恒溫環(huán)境下使用保鮮膜包裹，分別養(yǎng)護(hù)1、3、5、9 d。所用儀器為YYW-2型微機(jī)控制式三軸儀，加載速率為0.06 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 直接剪切試驗(yàn)

通過(guò)直接剪切試驗(yàn)對(duì)改良黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，得到粘結(jié)劑含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的關(guān)系如表3所示。

表3 試樣在不同粘結(jié)劑濃度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的黏聚力(kPa)及內(nèi)摩擦角(°)

圖1(a)為定養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)，試樣黏聚力與粘結(jié)劑濃度之間的關(guān)系。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，添加粘結(jié)劑可以提高試樣的黏聚力。且當(dāng)添加濃度不超過(guò)2%時(shí)，粘結(jié)劑濃度與試樣的黏聚力呈非線性正相關(guān)。同時(shí)，各養(yǎng)護(hù)時(shí)間組所對(duì)應(yīng)黏聚力增量主要發(fā)生在粘結(jié)劑濃度為2%時(shí)，這表明當(dāng)添加濃度為2%時(shí)，粘結(jié)劑對(duì)PVAc黏聚力的改良效果最好。而當(dāng)粘結(jié)劑濃度為3%時(shí)，相比2%添加濃度試樣，其對(duì)黏聚力的增強(qiáng)效果會(huì)變差。

圖1 不同試樣黏聚力變化Fig.1 Cohesion of different samples

圖1(b)為定添加濃度時(shí)，試樣黏聚力和養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系?？梢?jiàn)在不同粘結(jié)劑濃度下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黏聚力的影響規(guī)律有顯著差異。未添加粘結(jié)劑時(shí)，試樣的黏聚力變化與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間缺乏相關(guān)性；添加濃度為1%時(shí)，試樣的黏聚力與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間整體上呈非線性正相關(guān)，但相關(guān)性較差。當(dāng)粘結(jié)劑濃度為2%、3%時(shí)，試樣黏聚力與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈顯著的非線性正相關(guān)。同時(shí)各養(yǎng)護(hù)時(shí)間組所對(duì)應(yīng)的黏聚力增量主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)1～5 d期間。土壤的黏聚力主要受含水率和各種物理化學(xué)作用、膠結(jié)作用的影響。當(dāng)添加濃度為0%、1%時(shí)，含水率對(duì)試樣黏聚力的影響占主要作用。在恒溫濕養(yǎng)條件下，試樣的含水率幾乎沒(méi)有變化。因此測(cè)得試樣黏聚力結(jié)果與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈弱相關(guān)性。當(dāng)添加濃度為2%、3%時(shí)，土壤的黏聚力主要受粘結(jié)劑與土壤間的物理化學(xué)作用和膠結(jié)作用等的控制。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，粘結(jié)劑分子與土壤黏粒之間的反應(yīng)逐漸充分。因此試樣黏聚力結(jié)果與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈一定的正相關(guān)性。

圖2為定養(yǎng)護(hù)時(shí)間，定濃度時(shí)，試樣內(nèi)摩擦角與粘結(jié)劑濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系。兩組試驗(yàn)結(jié)果極差均小于3°?？梢?jiàn)粘結(jié)劑濃度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與試樣內(nèi)摩擦角變化的相關(guān)性均微弱。土體的內(nèi)摩擦角取決于土體的內(nèi)摩擦力、土壤顆粒間的表面摩阻力、咬合力等。黏土本身的性質(zhì)對(duì)其內(nèi)摩擦角的影響占主要因素。養(yǎng)護(hù)時(shí)間和粘結(jié)劑濃度造成的黏土內(nèi)摩擦角變化有限。

圖2 不同試樣的內(nèi)摩擦角變化Fig.2 Internal friction of different samples

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

粘結(jié)劑含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間與試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系如表4所示。圖3(a)表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，粘結(jié)劑的加入可以提高試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。水溶性聚合物改良土體時(shí)，其對(duì)土體的穩(wěn)定機(jī)理可大致概括為孔隙填充作用、物理化學(xué)反應(yīng)作用和包裹作用[14]。在適當(dāng)范圍內(nèi)(≤2%)，當(dāng)粘結(jié)劑濃度增加時(shí)，PVAc分子與黏土混合后能更充分地填充黏土顆粒間的孔隙、與黏土顆粒之間發(fā)生物理化學(xué)作用的速率更高、同時(shí)更容易形成薄膜狀結(jié)構(gòu)包裹黏粒團(tuán)聚體。這些微觀因素均會(huì)提高土體的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)粘結(jié)劑濃度為3%時(shí)，相比2%添加量，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低。

表4 試樣在不同粘結(jié)劑濃度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(單位：kPa)

圖3 不同試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化Fig.3 Unconfined compressive strength of different samples

圖3(b)為粘結(jié)劑濃度一定時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響?？梢?jiàn)在不同粘結(jié)劑濃度下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黏聚力的影響規(guī)律有顯著差異。當(dāng)未添加粘結(jié)劑時(shí)，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間相關(guān)性微弱；當(dāng)添加粘結(jié)劑時(shí)，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈非線性正相關(guān)。因?yàn)樗赝猎嚇拥臒o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度主要受土體本身性質(zhì)和含水率控制。在恒溫濕養(yǎng)條件下，各養(yǎng)護(hù)時(shí)間組試樣的最終含水率極差為0.98%，含水率差異輕微。添加粘結(jié)劑后，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，粘結(jié)劑分子與土壤黏粒之間的反應(yīng)逐漸充分。因此試樣黏聚力結(jié)果與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈一定的正相關(guān)性。

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與粘結(jié)劑含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間密切相關(guān)。圖4為定養(yǎng)護(hù)時(shí)間下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。取軸向應(yīng)變?yōu)?%至試樣達(dá)到最大軸向應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變之間的割線模量為考察數(shù)據(jù)。當(dāng)添加劑濃度不超過(guò)2%時(shí)，隨著粘結(jié)劑濃度增加，試樣的峰值應(yīng)變和彈性模量顯著提高。當(dāng)添加濃度為3%時(shí)，養(yǎng)護(hù)1 d試樣彈性模量為29.62 MPa，高于2%添加量組試樣的26.13 MPa；養(yǎng)護(hù)3、5、9 d試樣所對(duì)應(yīng)的彈性模量分別為29.71、31.22、30.24 MPa，低于2%添加量組試樣的36.78、34.72、39.57 MPa。粘結(jié)劑與土體之間的反應(yīng)速率與粘結(jié)劑的濃度有關(guān)。較短養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，高濃度粘結(jié)劑與土體之間的反應(yīng)更加充分，因此養(yǎng)護(hù)1 d組3%添加濃度試樣擁有比2%濃度試樣更強(qiáng)的抵抗彈性變形能力。養(yǎng)護(hù)時(shí)間充分后，高粘結(jié)劑濃度帶來(lái)的黏土顆粒團(tuán)聚、試樣整體性變差等因素的影響權(quán)重提高，使得養(yǎng)護(hù)3、5、9 d下3%添加量的試樣抵抗彈性變形的能力降低。

圖4 固定養(yǎng)護(hù)時(shí)間下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of samples under constant curing time

圖5(a)表明素土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)趨于一致。這是因?yàn)楹銣貪耩B(yǎng)條件下，試樣的最終含水率幾乎不隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間發(fā)生變化。在添加粘結(jié)劑后，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，PVAc分子與黏土顆粒之間的反應(yīng)充分程度增大，試樣的整體強(qiáng)度提高，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為試樣的峰值應(yīng)變和彈性模量均發(fā)生提高。

圖5 固定濃度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of samples under constant concentration

2.2.2 變形破壞形態(tài)分析

進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，試樣在垂向荷載下會(huì)出現(xiàn)明顯的剪切帶形，土體破壞實(shí)際上集中于土樣的剪切帶部位，其他部位則破壞程度較小[13]。土體的變形破壞形態(tài)與土體特性有較大相關(guān)。

圖6(a)中一條平直均勻的破壞裂隙自上而下貫通整個(gè)試樣，側(cè)脹現(xiàn)象微弱。試樣變形破壞形態(tài)接近脆性破壞。由圖6(b)—(d)可知，添加粘結(jié)劑后，試樣破壞裂隙貫通性變差、主級(jí)破壞裂隙退化或消失、次級(jí)裂隙發(fā)育，且試樣發(fā)生明顯的側(cè)脹現(xiàn)象。這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑加入后通過(guò)孔隙填充、物理化學(xué)反應(yīng)和包裹作用增強(qiáng)了試樣的抵抗破壞變形能力。這種強(qiáng)化效果隨著粘結(jié)劑濃度的增加而增強(qiáng)，在2%添加濃度時(shí)達(dá)到最佳效果。如圖6(c)所示，試樣的主級(jí)破壞裂隙已強(qiáng)烈退化，細(xì)小曲折，貫通性差。試樣表面細(xì)密裂紋發(fā)育。

圖6 養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)間下不同粘結(jié)劑濃度試樣變形破壞形態(tài)Fig.6 Deformation and failure modes of samples under constant curing time

圖7(a)中，試樣破壞時(shí)發(fā)生輕微側(cè)脹，主級(jí)破壞裂隙由下至上貫穿試樣4/5長(zhǎng)度，張開(kāi)均勻，發(fā)育明顯。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試樣主級(jí)裂隙逐漸退化，次級(jí)裂隙發(fā)育。直至養(yǎng)護(hù)9 d，如圖7(d)所示。試樣破壞后，表面包絡(luò)狀細(xì)密裂紋發(fā)育，主級(jí)破壞裂隙面粗糙，沿主裂隙面有細(xì)密裂隙發(fā)育。在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，各試樣含水率變化不大，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，粘結(jié)劑與土體顆粒的反應(yīng)程度更加充分。試樣的整體性隨之更強(qiáng)。

圖7 濃度1%下不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間組試樣變形破壞形態(tài)Fig.7 Deformation and failure modes of samples under constant concentration

3 機(jī)理分析

圖8為PVAc型粘結(jié)劑改良黏土的掃描電鏡照片。圖8(a)表現(xiàn)出了PVAc分子在黏土顆粒表面的包裹作用和充填作用。PVAc分子形成的三維膜結(jié)構(gòu)包裹在黏土顆粒表面，提高了試樣的整體強(qiáng)度。圖8(b)表現(xiàn)出了PVAc分子在不同黏土顆粒聚集體之間的橋接作用。PVAc分子通過(guò)一系列物理化學(xué)鍵與黏土顆粒表面相連接，形成橋接作用，使得黏土的整體性和穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖8 添加PVAc型粘結(jié)劑后黏土掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 SEM photos of clay improved by PVAc binder

PVAc包含有大量的-COOH官能團(tuán)。粘結(jié)劑分子中的官能團(tuán)能與黏土顆粒中的吸附性離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在PVAc分子和黏土顆粒之間創(chuàng)建一系列氫鍵、離子鍵和范德華鍵。通過(guò)這些鍵，PVAc長(zhǎng)鏈大分子形成兼具黏性和彈性的膜結(jié)構(gòu)。這些膜結(jié)構(gòu)限制了黏土顆粒的位移。隨著粘結(jié)劑濃度的增加，PVAc分子與黏土顆粒之間相互作用形成的交聯(lián)體相互纏繞結(jié)合的可能性也隨之增加，從而在土體內(nèi)部形成更完整的膜結(jié)構(gòu)。因此理論上粘結(jié)劑濃度越高，黏土的整體性和穩(wěn)定性越強(qiáng)。在實(shí)際試驗(yàn)操作過(guò)程中，高濃度PVAc溶液中PVAc長(zhǎng)鏈大分子之間彼此勾連纏繞，呈半凝膠態(tài)。經(jīng)充分?jǐn)嚢韬?，溶液無(wú)法充分分散在黏土顆粒之間，形成了分布不均勻的黏結(jié)核。制樣過(guò)程中黏土顆粒圍繞黏結(jié)核發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。圖9為不同粘結(jié)劑添加量下一組干養(yǎng)20 d的直剪留存樣的平面視圖。圖9(a)為添加量3%的留存樣平面圖，圖9(b)為添加量1%的留存樣平面圖?？梢?jiàn)3%添加量下試樣中黏土顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，形成1～3 mm團(tuán)聚體。這些團(tuán)聚體彼此之間關(guān)聯(lián)性差，破壞了制得試樣的整體性，使得試樣的強(qiáng)度特性相比2%添加量的試樣有所降低。

圖9 不同粘結(jié)劑濃度下保留直剪試樣的頂視圖Fig.9 Top view of retained direct shear samples with different stabilizer concentrations

4 結(jié)論

本文通過(guò)直接剪切試驗(yàn)和室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究粘結(jié)劑不同添加濃度對(duì)黏土強(qiáng)度的影響，得出結(jié)論如下：

1)PVAc型粘結(jié)劑的加入能夠提高黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力。添加濃度不超過(guò)2%時(shí)，隨著粘結(jié)劑濃度的增加，黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力也隨之呈非線性增加。粘結(jié)劑改良黏土?xí)r的建議摻量不大于2%。

2)當(dāng)粘結(jié)劑濃度大于2%時(shí)，黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和黏聚力相比2%添加濃度時(shí)會(huì)有所降低。這是由粘結(jié)劑高添加濃度下黏土顆粒團(tuán)聚，試樣整體性變差造成的。

3)黏土本身的性質(zhì)使其內(nèi)摩擦角的影響占主要作用。養(yǎng)護(hù)時(shí)間和粘結(jié)劑濃度造成的黏土內(nèi)摩擦角變化有限。