有機(jī)硅材料作用下路基土體毛細(xì)水上升試驗(yàn)研究

董慶杰 韓春鵬

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

公路路基作為道路的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)公路的整體穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。新建公路路基土體一般具有強(qiáng)度高、壓實(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但隨著使用時(shí)間的增加，路基土體受到外界環(huán)境影響，尤其是在地下水的毛細(xì)作用影響下，路基土體達(dá)到一個(gè)新的溫濕平衡的狀態(tài)，土體逐漸變得濕軟從而導(dǎo)致路基整體穩(wěn)定性遭到破壞，尤其對(duì)于季凍區(qū)公路，地下水毛細(xì)作用會(huì)使路基土體遭受更加嚴(yán)重的凍融作用，出現(xiàn)更嚴(yán)重的凍脹、翻漿病害，對(duì)公路的正常使用造成了極大影響[1]。因此減緩、阻隔地下水的毛細(xì)作用對(duì)于路基土體十分重要。工程施工上采用設(shè)置路基隔水層來(lái)達(dá)到阻隔毛細(xì)水的目的。常見(jiàn)的隔水層形式為增加路基填高、換填土質(zhì)、設(shè)置粒料層、不透水隔水層及土工格柵等。但這些隔水處理方式存在著增加工程預(yù)算及工程量、施工工藝復(fù)雜延長(zhǎng)工期、對(duì)粒料類材料數(shù)量和質(zhì)量上有一定硬性要求等缺點(diǎn)。針對(duì)上述隔水層不足之處，本論文采用有機(jī)硅疏水材料作為路基隔水層制備材料。由于有機(jī)硅疏水材料具有較強(qiáng)的疏水性，其在房屋室內(nèi)防水、文物遺址保護(hù)、路基邊坡集雨等多個(gè)領(lǐng)域有著重要的作用，且其用作路基隔水層的設(shè)置材料擁有施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、綠色污染等優(yōu)點(diǎn)。本論文通過(guò)豎管法模擬路基地下水毛細(xì)上升試驗(yàn)，通過(guò)不同高度處土體含水率的變化表征有機(jī)硅疏水材料阻隔毛細(xì)水上升效應(yīng)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

本試驗(yàn)所用土體取自哈爾濱附近某公路施工現(xiàn)場(chǎng)，依照J(rèn)TG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程對(duì)土體進(jìn)行含水率測(cè)定試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)以及擊實(shí)試驗(yàn)，土體相關(guān)物理指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)上述試驗(yàn)可知，該土體不均勻系數(shù)Cu為15.06，顆粒粒組分布較廣，土體級(jí)配良好。該土體為低液限黏土，天然含水率為26.7%，液限34.5%，塑性指數(shù)11.6，最佳含水率為16.25%，最大干密度為1.78 g/cm3，適合用作路基填土。

表1 土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 有機(jī)硅疏水材料

有機(jī)硅疏水材料產(chǎn)自北京市家晟建材有限公司，為無(wú)味，無(wú)毒的流動(dòng)性白色粉末狀材料，主要成分為含活性基團(tuán)的有機(jī)硅烷物質(zhì)，該材料細(xì)度為150目，純度較高。有機(jī)硅疏水材料具有優(yōu)良的疏水性，同時(shí)抗酸堿、耐老化、防碳化、防潮、防霉、防凍、在水中的分散性極佳。有機(jī)硅疏水材料形態(tài)見(jiàn)圖1。

2 毛細(xì)水上升試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

由于JTG E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程中毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)的儀器尺寸較小，適用于風(fēng)干狀態(tài)下土體的毛細(xì)水上升試驗(yàn)而無(wú)法很好地模擬公路路基土體受到的地下水毛細(xì)作用。所以本試驗(yàn)依據(jù)豎管法原理采取自行設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃管作為儀器主體，有機(jī)玻璃管內(nèi)徑15 cm，壁厚0.5 cm，長(zhǎng)度1 m。玻璃管底部開(kāi)有4個(gè)直徑1 cm的半圓孔方便蒸餾水進(jìn)入，玻璃管高度方向上自下而上每隔10 cm位置處在水平方向上每90°有直徑1 cm的小孔1個(gè)，即每個(gè)水平方向4個(gè)小孔，方便后期測(cè)量土體含水率，每個(gè)小孔對(duì)應(yīng)有玻璃塞防止水分散失。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土體過(guò)2 mm篩后按照最佳含水率使用噴壺灑水拌和，在密封的塑料袋中悶料24 h使水分?jǐn)U散均勻；限于室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)有條件很難在該試驗(yàn)儀器尺寸下完成更高壓實(shí)度要求，因此選擇土體壓實(shí)度為90%。由前期室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)可知，當(dāng)有機(jī)硅疏水材料用量在100 g/m2、作用時(shí)間為24 h時(shí)其效果較好，該種作用方式下土體滲透系數(shù)較素土滲透系數(shù)降幅可達(dá)77.3%，故本次毛細(xì)水上升試驗(yàn)選取該作用方式開(kāi)展。詳細(xì)試驗(yàn)方案如圖2所示。

本試驗(yàn)共4組試件，分別為素土試件2個(gè)、作用有機(jī)硅疏水材料試件2個(gè)。由圖2可知有機(jī)玻璃管底部為振搗結(jié)實(shí)的4 cm高礫石及1 cm高石屑，石屑以上95 cm高度范圍內(nèi)均為試驗(yàn)土體，外部供水水面略高于石屑頂面高度。對(duì)于作用有機(jī)硅疏水材料試件，有機(jī)硅疏水材料的布置位置為距離水面高度以上20 cm處。

土體含水率的測(cè)量選擇最為準(zhǔn)確的烘干法，使用特制的取土器在規(guī)定的時(shí)間取土。土柱某一高度斷面含水率的確定為該斷面4個(gè)小孔取出土體測(cè)得含水率的平均值，每個(gè)小孔每次取土不少于10 g以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。完成一次土體含水率測(cè)量后，盡快按照取土?xí)r該孔土體的含水率及質(zhì)量回配土體，回配結(jié)束后將土體填于開(kāi)口處減小土體結(jié)構(gòu)破壞對(duì)土體含水率的影響。土體測(cè)量時(shí)間點(diǎn)為毛細(xì)水土體制作完成當(dāng)天，15 d,30 d,60 d。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

1)將透水布封于有機(jī)玻璃管底部，以免管內(nèi)固體材料外泄；

2)稱取一定質(zhì)量礫石倒入有機(jī)玻璃管中，控制其搗實(shí)后的高度為4 cm。稱取一定質(zhì)量的石屑覆蓋于礫石層上，控制經(jīng)過(guò)搗實(shí)后的礫石與石屑總高度為5 cm。由于礫石層搗實(shí)后仍存在一定程度上的孔隙，可將其高度范圍視為地下水活動(dòng)范圍。鋪筑石屑的目的在于一定程度上堵塞礫石層上表面部分孔隙，防止細(xì)顆粒土體滲入礫石層中；

3)將有機(jī)玻璃管內(nèi)壁涂抹一層凡士林，防止土體與管壁接觸不實(shí)存在孔隙；

4)采用分層壓實(shí)的方法填筑土樣，提前按照90%壓實(shí)度計(jì)算好5 cm高度所需土樣質(zhì)量，稱取該質(zhì)量土樣通過(guò)長(zhǎng)漏斗將土樣均勻平鋪在有機(jī)玻璃管內(nèi)，遵循先中間后四周的原則均勻搗實(shí)至5 cm高度，拉毛鋪筑下一層；

5)對(duì)于對(duì)照組素土土柱重復(fù)步驟4)中方法直至裝滿整個(gè)有機(jī)玻璃管；對(duì)于試驗(yàn)組，在作用有機(jī)硅疏水材料溶液前正常填筑土體，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)計(jì)設(shè)置隔水層高度處時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)方案使用噴壺均勻噴灑有機(jī)硅疏水材料溶液在土體表面，待規(guī)定的作用時(shí)間24 h到達(dá)后重復(fù)步驟4)填筑土體直至填滿有機(jī)玻璃管；

6)供水水面高度略高于有機(jī)玻璃管內(nèi)石屑頂部高度；

7)按照監(jiān)測(cè)周期測(cè)量土柱不同高度處土體含水率。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 毛細(xì)水上升試驗(yàn)土體含水率測(cè)量結(jié)果

不同位置處土體含水率如表2所示。

表2 土體含水率測(cè)量結(jié)果

3.2 不同位置處土體含水率隨時(shí)間變化情況

由圖3可知素土試件位置1及位置2處土體含水率隨時(shí)間變化最為明顯，位置1處土體含水率隨時(shí)間的增加持續(xù)增加，0 d～15 d含水率變化最快，增長(zhǎng)率達(dá)28.5%，隨后其增長(zhǎng)略微變緩。位置2處含水率的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出“較快—加劇—減緩”的趨勢(shì)，在15 d～30 d時(shí)間內(nèi)含水率變化最為明顯，土體含水率增加速率為0.24%/d。位置3～位置6處土體含水率增長(zhǎng)較為明顯，截止60 d時(shí)其較初始含水率增加分別為35.2%,13.2%,10.1%,13.4%。位置7～位置9處含水率沒(méi)有明顯變化，位置10處含水率略微下降，可能是由于試件頂部保鮮膜不能完全密封而使得土體水分散失。由圖4可知對(duì)于作用有機(jī)硅疏水材料的試件，位置1及位置2處土體含水率的變化趨勢(shì)與素土試件的相同，均呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加含水率快速增加的狀態(tài)。位置1處土體含水率變化最為明顯，截至60 d時(shí)其含水率較初始含水率增加70.8%，位置2處含水率的增長(zhǎng)同樣出現(xiàn) “較快—加劇—減緩”的變化趨勢(shì)。位置3處0 d～30 d時(shí)含水率增加8.2%，截至60 d時(shí)含水率較初始增加16.2%。位置4處含水率在0 d～15 d內(nèi)基本沒(méi)有變化，在15 d～30 d內(nèi)有較明顯增加，在30 d～60 d時(shí)間內(nèi)趨于平緩。位置5處～位置9處含水率沒(méi)有太大變化。這是由于有機(jī)硅疏水材料隔水層設(shè)置在距離水面高度20 cm位置處，介于位置2和位置3之間，有機(jī)硅疏水材料對(duì)土體毛細(xì)水上升起到了一定的抑制作用。

3.3 相同位置處土體含水率變化情況

有機(jī)硅疏水材料作用位置為距離水面高度20 cm處，介于位置2和位置3之間，由圖3及圖4可知作用有機(jī)硅疏水材料前后位置2處含水率變化趨勢(shì)基本相同，故分析對(duì)比位置3處含水率變化情況。

圖5所示為素土試件及作用有機(jī)硅疏水材料試件在位置3處較各自初始含水率增加率示意圖。由圖可知作用疏水材料后位置3處受到的毛細(xì)作用明顯下降，在15 d時(shí)作用有機(jī)硅疏水材料試件含水率增加率較素土的降幅為62.5%，30 d時(shí)降幅為54.2%，60 d時(shí)降幅為53.9%。

4 結(jié)論

1)毛細(xì)水隨著時(shí)間的增加，在土體中逐漸上升，土體各高度含水率隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)出“較快—加劇—減緩”的趨勢(shì)。

2)有機(jī)硅疏水材料隔水層能夠有效抑制路基土體的地下水毛細(xì)作用，對(duì)于在有機(jī)硅疏水材料隔水層以上的土體，其含水率的增長(zhǎng)率較素土的降幅在50%以上。