陰離子聚丙烯酰胺改性壓實黃土的力學特性研究

周 偉 洋，劉 建 坤，南 霽 云

(中山大學 土木工程學院，廣東 珠海 519082)

0 引 言

濕陷性黃土遇水后易發(fā)生突然的沉陷變形，在工程中不宜直接采用，需要改良加固。濕陷性黃土的改良已開發(fā)出多種方法，如壓實、注漿和化學改良等[1-3]。目前的化學改良法中，對水泥、粉煤灰、石灰等改良黃土的研究較多[4]，對高聚物改良黃土的研究則很少。高聚物因自身的分子特性，能夠改變土壤的結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應用前景。陰離子聚丙烯酰胺(APAM)是具有良好水溶性、吸附性和黏合性[5]的高聚物。眾多研究表明，APAM能有效改良土壤，但目前相關(guān)研究基本集中在土壤結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和水穩(wěn)性團聚體的改良[6-7]、水土保持[8-9]、土壤保肥增產(chǎn)[10-11]、鹽漬土治理[12-13]等農(nóng)業(yè)方面，對APAM改性土的工程力學性能的研究仍很少。同時，APAM常作為水泥土的外加劑，用以增強力學強度和降低脆性[14]，而水泥黃土作為最常見的濕陷性黃土改良方法之一，研究APAM對黃土力學特性的影響具有重要的意義。另外，由于路基的施工是分層壓實的，改良劑與土壤混合后所產(chǎn)生的土壤結(jié)構(gòu)的改善，經(jīng)壓實后會發(fā)生顯著變化，而目前對化學改性土壓實后的工程力學性能的研究很有限，故探究APAM改性黃土壓實后的力學特性是有必要的。

由于APAM改良土壤的效果受APAM的分子量、土壤pH環(huán)境、土壤中金屬離子的濃度、施用量和施用方式等因素影響[15]，同時CaCl2是APAM的常用外加劑，故選用CaCl2作為補充鈣源和APAM固化土壤的促進劑。

本文對APAM改性黃土進行擊實、固結(jié)、無側(cè)限抗壓強度等試驗。主要研究改性黃土在壓實后的力學特性，分析側(cè)限條件下土樣豎向變形隨豎向荷載的變化規(guī)律，結(jié)合SEM圖像對改性黃土和非改性黃土的微觀形態(tài)進行了對比分析，以綜合評價APAM改性黃土的工程力學性能。最終確定出相對合適的APAM摻入比，旨在為APAM改良黃土提供科學依據(jù)，也為APAM在路基改良方面的應用提供參考。

1 土樣的基本物理性質(zhì)

原狀黃土的基本物理性質(zhì)指標如表1所列。使用Malven Mastersizer 3000 激光粒度儀分析土樣的粒徑分布，采用濕散射法，分散劑為水，分散劑折射率1.330，散射模型為Mie，分析模型為通用模型，分析結(jié)果如圖1所示。按照GB 50021-94《巖土工程勘察規(guī)范》劃分粒組，其中黏粒(≤0.005 mm)占比為18.21%，粉粒(0.005～0.075 mm)占比為81.79%。

圖1 黃土的粒度分布Fig.1 Grain size distribution of loess

使用掃描電鏡的集成能量色散光譜(Energy dispersion spectrum，EDS)對試驗黃土進行元素分析，結(jié)果如圖2所示。含有金元素是由于制備試樣需要噴金處理。從結(jié)果可知，試驗黃土的鈣成分含量很少，因此有必要補充鈣源。

圖2 黃土的能量色散光譜圖像Fig.2 Image of EDS of loess

2 試驗設(shè)計

2.1 改性土的制備

聚合物改良土壤有3種施用方式[16]。① 液施：聚合物先溶于水，再將溶液施入待改良土壤。② 混施：先將粉末狀聚合物與土壤混合，再加入水。③ 表層干施：將粉末狀聚合物撒于待改良土壤的表層，再加入水。表層干施時，后加入的水易使APAM首先相互積聚成團，減弱了APAM和土壤顆粒相互吸附，且僅能在土壤表層吸附，缺點明顯，不采用。有研究表明[17]，采用液施的土壤其改良效果顯著優(yōu)于混施，能更有效控制土壤侵蝕。

原狀黃土以粉粒為主，故選用300萬分子量的APAM。APAM為液施，粉末狀CaCl2為液施。兩種添加方案為：只加APAM；同時加APAM和CaCl2(APAM+CaCl2)。試劑摻量用摻入比β表示：

(1)

式中：ma為改良劑的摻入質(zhì)量，g；ms為素黃土的干質(zhì)量，g。APAM的摻入比βAPAM分別為0.01%，0.03%和0.06%，對照組β=0。

2.2 試驗方法

試驗參照JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》和《土壤農(nóng)業(yè)化學分析法》。

(1) 擊實試驗(干法)。① 根據(jù)βAPAM和目標含水率制備濕土料(含水率按規(guī)程要求的2%～3%遞增)，悶料12 h；② 按照標準輕型Ⅰ-1類的要求擊實土料；③ 從已擊實土壤的上中下(三等分)3個位置的中心點取樣測含水率，該組結(jié)果為3點的算術(shù)平均值(點間差值不超過1%)。

(2) 同一擊實功下，黃土的無側(cè)限抗壓強度試驗。① 根據(jù)已擊實土體的實測含水率和干密度制備土料，壓實制成無側(cè)限抗壓強度試樣(直徑39.1 mm，高80 mm)；② 在三軸壓縮機中，以0.005 mm/s的恒定速率對試樣單軸加荷至試樣完全破壞。

(3) 固結(jié)試驗。對于壓實土體，用處于最優(yōu)含水率狀態(tài)的土體制樣，比較同一擊實功下APAM摻入比對壓縮特性的影響；對于未壓實的素黃土，采用現(xiàn)場取回的原狀土制樣。試驗步驟如下：① 將固結(jié)環(huán)刀(內(nèi)徑60 mm，高20 mm)壓入壓實/原狀土壤中，當環(huán)刀被完全壓入后，將其上下表面小心修平；② 制得土樣后，將土樣置于氣壓固結(jié)儀中加載。試驗的荷載梯度為50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa，判穩(wěn)條件為每小時變形量不大于0.005 mm。

(4) 黃土浸出液導電率試驗。水土比為5∶1，土樣為100 g烘干黃土。試驗步驟：① 將APAM和去離子水在燒杯中混合均勻；② 倒入土樣并充分攪拌；③ 采用減壓過濾法提取浸出液，在25 ℃下測定導電率。

(5) 采用韓國庫塞姆(COXEM)EM-30AX掃描電子顯微鏡對不同改良劑和不同摻入比的壓實黃土進行微觀圖像信息采集。

除了SEM觀測，其余試驗均設(shè)置3組平行試驗(擊實、無側(cè)限抗壓強度和固結(jié)試驗的組間差值分別不超過1%，15%，1%)，最終結(jié)果為3組的算術(shù)平均值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 擊實特性

圖3為不同APAM摻入比下改性土的擊實試驗結(jié)果。對比對照組(DI)，改性土的ρdmax均有增長，增幅為2.19%～3.77%。隨著摻入比從0%增加到0.06%，ρdmax在0.01%～0.03%范圍內(nèi)遞增，在0.03%～0.06%范圍內(nèi)遞減。這表明，在βAPAM=0.03%時較對照組的壓實效果最好，APAM改良黃土擊實特性存在施用閾值。研究認為，在濕陷性黃土中，APAM對土顆粒的吸附作用使土顆粒膠結(jié)在一起，是ρdmax增大的主要原因。ρdmax不隨APAM摻量的增大而一直增大，原因是摻入量過大時，APAM分子鏈有部分自身纏繞成團，并在土粒表面形成“雙層”吸附層[16]，從而不利于土體的壓密。從圖3還可觀察出，改性土的擊實曲線較DI組更加急陡，說明APAM改性土對含水率的敏感性有所提高。實際工程施工時，為達到設(shè)計要求的密實度，應嚴格控制預改性土的含水量。

圖3 APAM摻入量對黃土擊實特性的影響Fig.3 Effect of APAM contents on the compaction characteristics of loess

圖4為黃土浸出液電導率隨APAM摻入比的變化。浸出液的電導率隨摻入比的增大而先減小后增大，在βAPAM=0.03%時達到最小值。導致試驗結(jié)果可能原因是，溶于水后的APAM吸附了浸出液中的金屬離子，使金屬離子濃度降低，從而降低了溶液的含鹽量，使電導率降低。谷曉巖等[18]推測APAM能降低土壤電導率的原因可能與氫鍵和配位基交換有關(guān)，并證實通過減少土壤溶液的含鹽量來降低電導率是APAM對土壤電導率的作用機理。

由于土壤膠結(jié)是指土壤中的物質(zhì)通過表面電荷和功能團的分子引力、靜電引力、陽離子橋、氫鍵和化學鍵等方式聯(lián)結(jié)起來，故APAM吸附土壤顆粒包含且主要是膠結(jié)作用，即APAM能增強土壤的膠結(jié)。導電率試驗結(jié)果表明，濕陷性黃土中，βAPAM=0.03%時APAM對陽離子的吸附效果最好，即此時APAM增強土壤膠結(jié)的程度最大，這再次表明APAM的摻量不是越大越好。

圖4 APAM摻入比對土樣浸出液電導率的影響Fig.4 Effect of APAM incorporation ratio on the conductivity of loess sample leaching solution

3.2 無側(cè)限抗壓強度

壓實功相同的條件下，試樣的無側(cè)限抗壓強度(qu)如表2所列。經(jīng)相同的壓實功壓實后，試樣的摻入比和含水率是強度最主要的影響因素。圖5為同一壓實功下，APAM改性黃土含水率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線。由圖可知，試樣的含水率與qu呈近似拋物線關(guān)系[19]，則有：

qu=a+bw+cw2

(2)

式中：qu為土樣的無側(cè)限抗壓強度，kPa；w為含水率，%；a、b、c為擬合參數(shù)。其中，a表示含水率為零條件下的qu值，c表示qu隨含水率的變化速率，其絕對值越大說明qu增大或衰減越快。

試驗結(jié)果表明：在最優(yōu)含水率的干側(cè)，土樣的qu隨含水率增加而緩慢增長，在最優(yōu)含水率的濕側(cè)則快速衰減。這是因為，在同一壓實功下，當含水率較大且處于濕側(cè)時，試樣的干密度大幅降低，其剛度相應降低，且過多的水分會起到減小顆粒間摩擦、溶解膠結(jié)物質(zhì)的作用，減小了試樣的內(nèi)聚力，故無側(cè)限抗壓強度快速減小。而在干側(cè)，盡管土體的干密度不大，但土體的抗壓強度不僅與干密度有關(guān)，還顯著受到基質(zhì)吸力的影響。有研究表明[20]：土體具有較高基質(zhì)吸力時，其剛度和強度也較大。同一壓實功下，在干側(cè)的土體含水率低，但其基質(zhì)吸力大，故強度大。

對比處于最優(yōu)含水率的土樣，與DI組相比，摻入0.01%，0.03%，0.06%的APAM后，土體qu的增幅分別達43.34%，61.17%，36.56%，均有較大的增長，改良效果良好。但也需要注意，摻入APAM后黃土對水的敏感性反而有所提高。

表2 同一壓實功下土樣的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Tab.2 Unconfined compressive strength test results of loess samples under the same compaction work

圖5 APAM改性黃土無側(cè)限抗壓強度與含水率的關(guān)系Fig.5 Relationship between unconfined compressive strength and water content of loess modified with APAM

圖6為3，8，13，18號試樣的軸向應力-軸向應變曲線對比圖。能看到，各試樣破壞時的變形量差別不大，說明改性土的脆性基本一致。18號試樣的含水率比其他試樣都低，而破壞變形量比其他都高，說明APAM是有助于提升壓實黃土的塑性，但由于摻入比不高，改變效果不明顯。從擊實特性和無側(cè)限抗壓強度兩方面分析，0.03%是一個相對合適的摻入比。

圖6 最優(yōu)含水率狀態(tài)下不同APAM摻入比黃土的 應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of loess with different incorporation ratios of APAM under optimal water content

3.3 同時添加APAM和CaCl2

前期測定了單摻CaCl2的改性壓實黃土的相關(guān)力學特性。單摻APAM與單摻CaCl2的擊實試驗結(jié)果[21]對比如圖7所示。同一擊實功下，CaCl2改性黃土的ρdmax均大于APAM改性黃土，說明由CaCl2引起的土體額外膠結(jié)要強于APAM所引起的。在最優(yōu)含水率上，APAM改性黃土總體上大于CaCl2改性黃土，只有βCaCl2=2%的最優(yōu)含水率稍大于βAPAM=0.03%的最優(yōu)含水率。

圖7 兩類改性黃土的擊實效果對比Fig.7 Comparison on compaction effect of two types of modified loess

根據(jù)單摻CaCl2的研究結(jié)果[21]，βCaCl2在2%～10%范圍內(nèi)，改性黃土的qu隨βCaCl2的增大而減小，且在βCaCl2=2%時，qu=82.87 kPa，低于對照組。即盡管CaCl2增強了土體的膠結(jié)，但對qu卻是削弱的。因此，CaCl2的摻入量不宜過多。基于力學強度考量，βCaCl2=2%是3個CaCl2摻入比中改良效果相對較好的。試驗結(jié)果表明：在壓實程度上，CaCl2改性黃土表現(xiàn)優(yōu)于APAM改性黃土；在力學強度方面則相反。

由于APAM對土壤的改良主要是通過土壤與聚合物的相互吸附來實現(xiàn)，而APAM與土顆粒表面的電荷相同，本應與土顆粒相斥，但它能通過陽離子橋的作用與土壤相結(jié)合。土壤中的二價陽離子(如Ca2+)可以分別結(jié)合土壤顆粒表面和APAM分子的負相，形成陽離子橋，即APAM-Ca2+-土壤顆粒，從而增強土顆粒與APAM的相互吸附[22]。所以可考慮同時添加APAM和CaCl2，摻入比分別為0.03%和2%。

圖8為三類改性黃土的擊實曲線對比。表3為不同摻入比的改性黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度。結(jié)果顯示：同時摻入APAM和CaCl2比只加一種試劑時具有更大的最大干密度，表明具有更好的吸附和膠結(jié)效果；其擊實曲線沒有只加一種試劑時那么急陡，說明改性黃土對水的敏感性有所降低。

圖8 三類改性黃土擊實曲線對比Fig.8 Comparison of compaction curves of three types of modified loess

對2% CaCl2，0.03% APAM，2% CaCl2+0.03% APAM這三類改性黃土，取處于最優(yōu)含水率狀態(tài)的壓實土(壓實功相同)進行無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如表4所列。試驗結(jié)果顯示：CaCl2+APAM改性的黃土的qu比只加一種改良劑的都要高，較DI組的增幅達到85.33%，力學強度增長顯著。表明同時摻入CaCl2和APAM既能彌補單摻CaCl2時力學強度的不足，也能進一步提高土體的最大干密度，最優(yōu)含水率也有一定程度的減小，改良效果達到預期。由CaCl2膠結(jié)形成的土團聚體具有較大的膠結(jié)強度，土體比較致密，但力學強度一般。由APAM膠結(jié)形成的土團聚體有較好的穩(wěn)定性且力學強度有較大程度的提高，但孔隙較大。兩者同時摻入，既能很好地發(fā)揮各自的優(yōu)點，也能一定程度上彌補單一改良劑的不足，且能通過橋鍵作用進一步增強土體的膠結(jié)作用。

表3 不同摻比的改性黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度Tab.3 Optimal water content and maximum dry density of modified loess with different incorporation ratios

表4 三類改性黃土的無側(cè)限抗壓強度對比Tab.4 Comparison on unconfined compressive strength of three types of modified loess

3.4 固結(jié)和修正壓縮比

圖9(a)為未壓實素黃土(原狀土)和壓實黃土的壓縮曲線。圖9(b)為(a)的局部放大圖?？芍?，相比未壓實土體，壓實土體的孔隙比和壓縮性均大幅度減小，都隨初始干密度的增大而降低。壓實土的孔隙比隨豎向應力的變化呈現(xiàn)明顯的非線性，而未壓實土孔隙比的變化則非常接近線性。這表明，壓實后土骨架在豎向應力下的穩(wěn)定性和抗壓縮性均有顯著提升。試樣DI，0.01%APAM，0.03%APAM，0.06%APAM，0.03% APAM+2% CaCl2在固結(jié)前后的孔隙比變化量分別為0.116 9，0.086 9，0.070 8，0.073 0，0.067 8，由于試樣是經(jīng)同一擊實功壓實的，而孔隙比變化量越小說明土骨架在豎向應力下的穩(wěn)定性越強，這就再次證明改良劑的摻入增強了土體的膠結(jié)作用，提升了土體結(jié)構(gòu)的抗壓縮穩(wěn)定性。

圖9 壓縮曲線Fig.9 Compression curves

定義修正壓縮比為

(3)

式中：Rm為修正壓縮比，Ht和H0分別是壓實土樣和沒擊壓素黃土在豎向應力作用下的穩(wěn)定總變形量。豎向應力的范圍為50～3 200 kPa。

圖10為相同擊實功下，處于最優(yōu)含水率狀態(tài)的改性壓實黃土的修正壓縮比。修正壓縮比是為了比較在一定的豎向應力下，改性壓實黃土相較于未壓實素黃土的應變水平，用以表征改性壓實黃土在豎向應力作用下的土骨架穩(wěn)定程度。在βAPAM=0.01%時，土樣的修正壓縮比變化量最大；在摻入0.03%APAM+2%CaCl2時，土樣的修正壓縮比變化量最小，說明此摻入比下土體對豎向應力的敏感程度較低，土骨架穩(wěn)定性較高。βAPAM=0.01%時，修正壓縮比的偏離程度最大，原因是APAM在改性黃土中首先且主要起吸附土壤顆粒的作用，而APAM的摻入量過小，只有很少的APAM用于填充改性土的孔隙，宏觀表現(xiàn)為具有較高的壓縮性。建議今后在更多不同的APAM摻入比條件下進行試驗，以更加系統(tǒng)地研究APAM改性下修正壓縮比與豎向應力之間的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)集擬合的趨勢線的公式為

Rm=0.21268(1-σ-0.28591)

(4)

式中：σ為豎向應力，kPa。該式可用于預測在一定豎向應力下APAM改性壓實黃土的修正壓縮比。雖然擬合關(guān)系中存在偏離較大的散點，但隨著豎向應力的增大，修正壓縮比總體上呈收斂趨勢。

圖10 改性黃土的修正壓縮比Fig.10 Modified compression ratio of modified loess

3.5 微觀分析

圖11是經(jīng)同一擊實功壓實后，處于最優(yōu)含水率下的壓實土放大500倍的微觀圖片。圖11(a)中的土團聚體直徑較小且零碎，具有明顯的邊界和棱角，團聚體之間基本沒有相互連結(jié)，存在超大孔隙，故其最大干密度較小。有研究表明[23]，土團粒間形成的超過100 μm的超大孔隙穩(wěn)定性較差，因此壓實素黃土宏觀表現(xiàn)為強度較低，力學性能一般。

通過圖11(b)，(c)與(a)的對比可知，添加0.01%APAM后，土體微觀形態(tài)變化顯著，出現(xiàn)了較多黏性的小土團粒。但由于此時摻入量小，土團粒之間大部分仍是無黏結(jié)接觸，或者是黏結(jié)接觸但黏結(jié)力很小，宏觀表現(xiàn)為力學強度有一定程度提升。隨著APAM摻入量的增大，能觀察到土團粒之間的孔隙明顯變小，土團粒相互被黏結(jié)起來積聚成大的土團聚體，土團聚體排列逐漸緊密，土體結(jié)構(gòu)逐漸緊湊。同時，土團聚體之間的有效接觸面積增加，接觸方式由以點為主變成以面為主，且APAM也具有一定的孔隙填充作用，最后形成較為致密、穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，使土體的無側(cè)限抗壓強度有較大程度的提高。

圖11 不同摻入比改性黃土的500倍掃描電鏡圖Fig.11 500 times SEM images of modified loess with different incorporation ratios

對比圖11(b)，(c)和(d)可看到，隨著APAM摻入量的增大，土體變成了類似黏性土的層片狀堆疊形態(tài)，土團粒間是明顯的膠結(jié)狀態(tài)，但由于高APAM摻量不利于土體壓密，因此圖11(d)的孔隙總體上比圖11(c)大。另外，圖11(b)，(c)和(d)在土團聚體直徑、孔隙大小、團聚體之間的緊密程度上均比較接近，宏觀表現(xiàn)為3個摻入比下土體的最大干密度和力學強度比較接近。圖11(e)中，因Ca2+能促進土顆粒和APAM的相互吸附，所以同時加入CaCl2和APAM之后，土體的微觀結(jié)構(gòu)相對素黃土和只加APAM的土體而言更加密實，土團聚體直徑更大，孔隙更小，宏觀表現(xiàn)出更好的力學性能。

4 結(jié) 論

(1) 隨著APAM摻入量的增大，改性黃土的最大干密度和無側(cè)限抗壓強度先增大后減小，最優(yōu)含水率先減小后增大。APAM改性黃土的無側(cè)限抗壓強度一般隨含水率的增大而減小。

(2) 在一定的摻入量范圍內(nèi)，APAM能增強黃土的膠結(jié)作用。從擊實和無側(cè)限抗壓強度的試驗結(jié)果可看出，APAM對濕陷性黃土的改良效果存在閾值，0.03%是一個比較合適的摻入比。

(3) 同時摻入APAM和CaCl2的土體比只添加其中一種的具有更高的最大干密度和無側(cè)限抗壓強度，同時最優(yōu)含水率更小，對含水率的敏感程度有所降低。黃土中的CaCl2能夠促進APAM和土顆粒的相互吸附，進一步增強土體的膠結(jié)作用。黃土中同時摻入APAM和CaCl2的改良效果優(yōu)于單獨摻入APAM或CaCl2。

(4) APAM處理后，最大干密度較大的土體，其修正壓縮比較低，對豎向應力的敏感性較低。對改性黃土建立了豎向應力與修正壓縮比之間的關(guān)系，修正壓縮比一般隨豎向應力的增大而趨于某一界限值。