聚丙烯酸鈉混合劑固化黃土特性研究*

牛鵬堯 莊建琦 賈珂程 趙 勇 賈艷軍 王世寶

(長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院/西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國(guó))

0 引 言

在我國(guó)，黃土覆蓋面積約44×104km2，尤其在黃河中游地區(qū)厚層的黃土連續(xù)覆蓋面積約27.3×104km2(劉東生，1965)，形成了蔚然壯觀的黃土高原，為世界之罕見。但由于黃土具有典型的垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙、水敏性和濕陷性等特征(馮連昌等，1982; 劉東生，1985；王景明，1996)，導(dǎo)致黃土高原地區(qū)地質(zhì)環(huán)境極其脆弱，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大的阻擾。一方面，黃土堆積松散、濕陷性強(qiáng)等特征給工程建設(shè)帶來(lái)了諸多難題(邵生俊等，2013；Juang et al.，2019)；另一方面，黃土土壤易被侵蝕(Lü et al.，2014；Peng et al.，2019)，在水力、風(fēng)力、凍融、重力等自然因素和人類活動(dòng)作用下，黃土地區(qū)水土流失嚴(yán)重，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)(張茂省，2011；彭建兵等，2014)，其中，由于土體水穩(wěn)性差，導(dǎo)致水力侵蝕成為了黃土地區(qū)水土流失的主要方式，因水力侵蝕而導(dǎo)致的水土流失區(qū)域占黃土高原侵蝕總面積的52.70%(劉國(guó)彬等，2008)。因此，對(duì)黃土進(jìn)行固化改良，提高黃土強(qiáng)度，改善黃土土體水穩(wěn)性能，對(duì)緩解黃土地區(qū)土壤侵蝕，保護(hù)黃土高原生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

常用土體固化改良方法有物理加固、化學(xué)加固、生物加固3種。其中，物理加固通過(guò)物理方法使土體脫水(Chai et al.，2014；Wu et al.，2014)和致密化(Horpibulsuk et al.，2008；Bo et al.，2014)；生物加固通常利用植物根系進(jìn)行固土護(hù)坡，提高土壤抗沖性能(Gyssels et al.，2003；李強(qiáng)等，2017)，或者通過(guò)微生物誘導(dǎo)，使土體中礦物成分改變來(lái)改善土體性質(zhì)(Dejong et al.，2006；Paassen et al.，2010；Shahin et al.，2014)；化學(xué)加固即向土體中加入土壤固化劑對(duì)土體進(jìn)行改良，如有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、離子化合物等(Kampala et al.，2014；裴向軍等，2016；Aulrajah et al.，2016；王章瓊等，2018；吳雪婷等，2018；劉釗釗等，2019)。相比其他兩種加固方法，化學(xué)加固效果好、操作簡(jiǎn)單、受外界環(huán)境影響小。聚丙烯酸鈉混合劑固化土體屬于化學(xué)加固的一種，其主要成分是聚丙烯酸鈉，具有較強(qiáng)的吸水性(Hua et al.，2001)。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酸鈉作為土壤保水劑可以提高小麥產(chǎn)量(Geesing et al.，2004；莊文化等，2008)；Zhuang et al.(2013)發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸鈉對(duì)增加沙土持水能力和降低沙土滲透系數(shù)具有顯著的效果。但是，針對(duì)聚丙烯酸鈉改良土體水穩(wěn)性能，提高土體強(qiáng)度方面，尤其在黃土固化領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

本文研究了不同配比下聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)董志塬重塑黃土的固化效果，對(duì)加固前后土體的水穩(wěn)性及力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試分析，并結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)及固化前后土體粒徑級(jí)配的變化從微觀結(jié)構(gòu)方面解釋了土體的固化機(jī)理，為淺層黃土固化，緩解黃土高原土壤侵蝕提供方法。

1 材料與試樣制備

1.1 材料選擇

本文試驗(yàn)選取甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)火巷溝重塑黃土為研究對(duì)象，該區(qū)域近年來(lái)由于溯源侵蝕問題，溝頭不斷擴(kuò)展，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，當(dāng)?shù)卣畬?duì)溝頭進(jìn)行了回填，但在回填后不到一年時(shí)間，回填坡面出現(xiàn)流水細(xì)溝侵蝕裂隙和土體垮塌，在回填區(qū)，由于土體擾動(dòng)，出現(xiàn)土體垮落和較深的沖蝕溝。試驗(yàn)土樣取自溝頭回填區(qū)，土性為黃土，土體呈黃褐色，孔隙發(fā)育，土體中含有少量鈣質(zhì)結(jié)核。通過(guò)基本土工試驗(yàn)，測(cè)得土體干密度為1.50g·cm-3，含水率為15.40%，塑限為13.16%，液限為30.05%，塑性指數(shù)為16.89。如粒徑級(jí)配(圖1)所示，黏粒含量為6.88%，粉粒含量為67.32%，屬于粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)選用聚丙烯酸鈉混合劑作為固化材料，其主要成分是聚丙烯酸鈉，是一種有機(jī)高分子聚合物，該成分作為保水劑使用，對(duì)植被生長(zhǎng)和生態(tài)具有較好的作用(莊文化等，2008; Zhuang et al.，2013)。

1.2 試樣制備

參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)，試驗(yàn)土樣制備過(guò)程如下：首先，將試驗(yàn)用土過(guò)2mm標(biāo)準(zhǔn)篩后放入烘箱內(nèi)，在100℃溫度下烘烤24h以去除土體中水分；其次，將試劑以濕混的方式噴灑到土中，配置含水率為20%的試驗(yàn)土體。為研究不同固化劑配比對(duì)土體性質(zhì)的影響，本次試驗(yàn)分別配置了聚丙烯酸鈉混合劑濃度為0(蒸餾水)、1%、2%和3.5%的4種試劑。噴灑完成后將容器密封靜止24h后攪拌均勻，制得試驗(yàn)土體。在制作試樣時(shí)，為保證試樣均勻采用雙面靜力壓實(shí)法。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)，三軸試驗(yàn)試樣采用直徑39.10mm，高80mm的土柱；滲透試驗(yàn)與崩解試驗(yàn)均采用直徑61.80mm，高40mm的土柱。

2 水穩(wěn)性與力學(xué)性能測(cè)試

2.1 加固土崩解特性

為研究固化土體抗崩解性能，對(duì)經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為0(蒸餾水)、1%、2%、3.5%的試劑固化后的土體進(jìn)行崩解測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論試樣是否經(jīng)過(guò)固化，土樣在放入水中0～2s期間均為吸水狀態(tài)；25s時(shí)，未加固土相較試劑中固化劑濃度為1%、2%、3.5%的土體，出現(xiàn)諸多裂隙并伴有掉塊現(xiàn)象，試劑中固化劑濃度為1%的土體相較試劑中固化劑濃度為2%、3.5%的土體出現(xiàn)土屑脫落現(xiàn)象；1min時(shí)，放置未加固土的燒杯中水變渾濁，土柱潰散，試劑中固化劑濃度為1%的土體吸水同時(shí)伴隨少量土塊脫落，試劑中固化劑濃度為2%的土體開裂，試劑中固化劑濃度為3.5%的土體仍處于吸水狀態(tài)；2min時(shí)，未加固土完全崩解，試劑中固化劑濃度為1%的土體出現(xiàn)大量掉塊現(xiàn)象，水體變渾濁，試劑中固化劑濃度為2%的土體裂縫數(shù)量驟增，試劑中固化劑濃度為3.5%的土體停止吸水，維持原狀；15min時(shí)，試劑中固化劑濃度為1%的土體完全崩解，試劑中固化劑濃度為2%的土體出現(xiàn)塊體脫落現(xiàn)象；60min時(shí)，試劑中固化劑濃度為2%的土體部分崩解，土體中存在較多裂隙；24h時(shí)，所有試樣均不再發(fā)生變化(表1)。

表1 試樣崩解過(guò)程Table 1 Different procedure of static-water measurement for test sample

崩解試驗(yàn)結(jié)果顯示，聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)土體進(jìn)行固化的過(guò)程中，隨著固化劑配比的提高，土體抗崩解性逐步改善。在圖2中，不同聚丙烯酸鈉混合劑配比的固化土在浸水24h后均呈現(xiàn)不同程度的崩解，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為1%的試劑固化后的土體相比未加固土脫落土屑大，當(dāng)試劑中固化劑濃度提升到2%時(shí)，有少量土屑脫落，當(dāng)試劑中固化劑濃度為3.5%時(shí)，土體僅有極少量碎屑脫落，土體保存為一個(gè)整體。

當(dāng)試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度達(dá)到3.5%時(shí)，土體不發(fā)生崩解，水穩(wěn)性顯著提高。為驗(yàn)證土體在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后的抗老化特性，選取經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)，對(duì)土體進(jìn)行7次干濕循環(huán)條件下的崩解測(cè)試，計(jì)算出各次的崩解率(表2)。結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)7次干濕循環(huán)后，土體崩解率為1.15%，土體抗老化效果良好。

表2 崩解試驗(yàn)記錄表Table 2 Disintegration test record

2.2 加固土強(qiáng)度特性

為研究聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)黃土強(qiáng)度的影響，利用TFB-1三軸儀對(duì)經(jīng)不同聚丙烯酸鈉混合劑濃度固化后的土體進(jìn)行了固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得出100kPa、200kPa、300kPa圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3、圖4、圖5所示。在同一圍壓下，隨著土體中聚丙烯酸鈉混合劑配比增加，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)不同幅度的抬升，抬升幅度逐漸減小，當(dāng)試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度由2%提高到3.5%時(shí)，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線均接近重合，此時(shí)，試劑對(duì)土體抗剪切破壞的增強(qiáng)效果減弱。

土體在剪切過(guò)程中均出現(xiàn)應(yīng)力硬化現(xiàn)象，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)，選取應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)的主應(yīng)力差值作為土體的破壞點(diǎn)，在100kPa圍壓下，未加固破壞時(shí)的主應(yīng)力差為253.9kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時(shí)的主應(yīng)力差為305.9kPa，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差提高25.29%；在200kPa圍壓下，未加固土破壞時(shí)的主應(yīng)力差為431.1kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時(shí)的主應(yīng)力差為552.8kPa，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差提高28.23%；300kPa圍壓下，未加固土破壞時(shí)的主應(yīng)力差為596.9kPa，試劑中固化劑濃度為3.5%的加固土破壞時(shí)的主應(yīng)力差為731.1kPa，土體破壞時(shí)的主應(yīng)力差提高22.48%(圖6)。隨著試劑中固化劑濃度的提高，土體剪切破壞的主應(yīng)力差逐漸增大，但增加趨勢(shì)逐漸減小，當(dāng)試劑中固化劑濃度從2%提高到3.5%時(shí)，土體剪切破壞的主應(yīng)力差變化曲線逐漸趨于水平，聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)土體抗剪切破壞的提高效果減弱。結(jié)合崩解試驗(yàn)，試劑中聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%對(duì)土體的固化效果趨于最佳。

2.3 加固土滲透特性測(cè)試

為檢驗(yàn)聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)土體滲透系數(shù)的影響，利用TST-55型滲透儀分別對(duì)經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化土體與未加固土體進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測(cè)得未加固土體滲透系數(shù)為5.37×10-4cm·s-1，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化土體滲透系數(shù)為2.47×10-6cm·s-1，加固土體相比未加固土體滲透系數(shù)降低217.41倍。對(duì)滲透后試樣進(jìn)行對(duì)比分析，未加固土柱表面存在較多孔隙，然而，在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，表面致密，未見孔隙存在(圖7)。

2.4 加固土抗水流侵蝕測(cè)試

3 固化機(jī)理分析

經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后，黃土抗剪切破壞能力及水穩(wěn)性均得到大幅提高，為了研究聚丙烯酸鈉混合劑固化黃土的機(jī)理，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步分析，結(jié)合場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和激光粒度分析從微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究，對(duì)土體固化前后抗剪切破壞能力及水穩(wěn)性的變化進(jìn)行了現(xiàn)象和機(jī)理解釋。

根據(jù)三軸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)繪制經(jīng)不同聚丙烯酸鈉混合劑配比固化后的土體在不同圍壓下的有效應(yīng)力莫爾圓(圖9)，得出不同配比下土體的有效內(nèi)摩擦角及有效黏聚力。隨著聚丙烯酸鈉混合劑配比的提高，土體有效內(nèi)摩擦角由27.30°逐漸增加到29.93°(圖10)，有效黏聚力由27.65kPa逐漸增加到35.91kPa(圖11)。從圖10、圖11可以看出，隨著聚丙烯酸鈉混合劑配比的增加，土體有效內(nèi)摩擦角及有效黏聚力增加的趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)試劑濃度由2%增加到3.5%時(shí)，土體內(nèi)摩擦角及黏聚力變化曲線均趨于水平，聚丙烯酸鈉混合劑配比的增加對(duì)黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響微弱，固化劑配比趨于最佳。

聚丙烯酸鈉混合劑具有較高的黏性，與土體混合后土粒間的連接作用增大，促使土體黏聚力增大。此外，聚丙烯酸鈉混合劑與土體混合后，由于絮凝作用，土體中細(xì)小顆粒吸附成團(tuán)，土體粒徑變大，土體粒徑級(jí)配隨之發(fā)生改變。并且由于土體中大顆粒增多，顆粒間的粒間咬合力增大，促使土體內(nèi)摩擦角增大。分別從對(duì)未加固土及經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)和粒徑級(jí)配分析。觀察粒徑級(jí)配曲線(圖12)，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后土體的粒徑明顯大于未經(jīng)固化土體的粒徑，其中，經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后土體黏粒含量由6.88%降低到 1.77%。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)結(jié)果顯示(圖13)，土體在經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑固化后，試劑將土粒包裹，顆粒間連接增強(qiáng)，小顆粒聚集成團(tuán)。

聚丙烯酸鈉混合劑對(duì)降低土體滲透系數(shù)，提高土體抗崩解及抗侵蝕性能具有顯著影響。對(duì)土體水穩(wěn)性的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)聚丙烯酸鈉混合劑與黃土混合后，試劑將土粒包裹，部分小顆粒吸附在大顆粒表面(圖13b)，當(dāng)土體遇水后，土粒表面的聚丙烯酸鈉與水接觸，其分子中的親水基團(tuán)(羥基、羧基)快速吸水膨脹，將土體內(nèi)部孔隙填充，減緩水分子進(jìn)入土體內(nèi)部的速率，降低土體的滲透系數(shù)；(2)聚丙烯酸鈉混合劑可抑制土體中的黏粒水化、分散和轉(zhuǎn)移，通過(guò)絮凝作用將土體中黏粒聚集到一起，形成團(tuán)聚粒，同時(shí)，由于聚丙烯酸鈉混合劑具有黏性，土體內(nèi)的團(tuán)聚粒與團(tuán)聚粒、大顆粒與大顆?；驁F(tuán)聚粒與大顆粒黏結(jié)在一起(圖13a)，從而使土體黏聚力增加，遇水不易潰散，達(dá)到改善土體水穩(wěn)性的目的。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)向甘肅慶陽(yáng)董志塬重塑黃土中添加不同聚丙烯酸鈉混合劑濃度的試劑，研究不同聚丙烯酸鈉混合劑配比對(duì)重塑黃土抗剪切性能、抗崩解性、抗水流侵蝕特性和滲透系數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)隨著土體中聚丙烯酸鈉混合劑濃度的提高，土體固化效果逐漸增強(qiáng)，當(dāng)試劑中固化劑濃度達(dá)到3.5%時(shí)固化效果趨于最佳。

(2)經(jīng)聚丙烯酸鈉混合劑濃度為3.5%的試劑固化后的土體，抗沖刷性能大幅提高，滲透系數(shù)降低217.41倍，經(jīng)7次干濕循環(huán)后崩解率僅為1.15%，在100kPa、200kPa、300kPa圍壓下土體剪切破壞時(shí)的主應(yīng)力差分別提高25.29%、28.23%、22.48%。

(3)聚丙烯酸鈉混合試劑可改變土體粒徑級(jí)配，促使土體黏聚力及內(nèi)摩擦角增大，對(duì)黃土具有良好的固化效果，具有一定的可行性和潛在價(jià)值，可為黃土固化提供新方法。