不同含水率對(duì)于黃原膠改良土性能影響研究

黃馨平

(西京學(xué)院土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

1 研究背景

近年來(lái)，氣候變化問(wèn)題已經(jīng)引起世界各國(guó)以及社會(huì)各界的廣泛重視，并成為了眾多學(xué)者探討的焦點(diǎn)。在實(shí)際工程中，人們常使用水泥、石灰、粉煤灰等外摻料對(duì)不適于直接使用的土進(jìn)行改良，以達(dá)到工程活動(dòng)的目的。然而，這些傳統(tǒng)的改良劑不僅會(huì)影響土壤的pH值，破壞自然環(huán)境，生產(chǎn)制備的過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體[1]。

作為一種從天然資源中產(chǎn)生的可降解大分子多糖，生物聚合物主要種類包括多糖、蛋白質(zhì)、海洋原核生物、生物衍生單體的化學(xué)合成產(chǎn)物以及微生物活動(dòng)產(chǎn)物等。由于其在自然界中分布廣泛，理化性質(zhì)優(yōu)良，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者通過(guò)對(duì)其分離、表征、生物活性和結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行研究，嘗試將生物聚合物用于巖土工程，并取得了一定成果[2]。由于黃原膠在較低濃度下也能夠表現(xiàn)出較高的黏度，溶液的黏度隨含量呈線性增加，同時(shí)表現(xiàn)出偽塑性行為，在廣泛的溫度、pH和電解質(zhì)濃度范圍下表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性[3]。因此被廣泛應(yīng)用于食品、化工行業(yè)[4-5]?；诳沙掷m(xù)發(fā)展的觀念以及綠色環(huán)保要求，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)黃原膠可作為一種綠色環(huán)?？山到獾耐寥栏牧紕﹣?lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)土壤改良技術(shù)的缺陷，同時(shí)能表現(xiàn)出較高的土壤強(qiáng)化效率和足夠的經(jīng)濟(jì)可行性。

AM Firat Cabalar通過(guò)直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃原膠含量和固化時(shí)間顯著影響砂的剪切強(qiáng)度[6]。N Latifi的研究說(shuō)明了黃原膠作為環(huán)保穩(wěn)定劑的可行性，可以改善低溶脹和高溶脹黏土的工程性能[7]。I Chang等人則進(jìn)一步揭示了黃原膠與土壤共同作用的工作機(jī)理，同時(shí)提出黃原膠的強(qiáng)化效果取決于土壤類型、含水量、黃原膠含量和混合方式四個(gè)因素[8]。Cabala等人將黃原膠與砂土進(jìn)行混合對(duì)土的剪切特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土體抗剪強(qiáng)度增加與黃原膠含量成正比[9]。Chang等人指出黃原膠用于土壤處理的效果是可行的，黃原膠可以大大提高土壤的抗壓強(qiáng)度，在抗侵蝕、防荒漠化方面具有巨大價(jià)值[10]。

目前已有許多案例證明黃原膠在巖土工程中實(shí)施的效果，例如使用進(jìn)行邊坡表面處理[11]發(fā)現(xiàn)黃原膠處理后的邊坡表面植被密度以及表面抗侵蝕性顯著增加[12]。以邊坡處理為例，土壤含水率是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[13]。土壤的含水率是土的基本物理指標(biāo)之一，不僅反映了土壤的干濕狀態(tài)，還影響著土壤的力學(xué)性質(zhì)。

本研究旨在研究含水率對(duì)黃原膠處理土壤的工作性能影響。通過(guò)調(diào)整不同飽和含水率，對(duì)黃原膠處理后的土壤進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)、變水頭滲透試驗(yàn)以及壓縮試驗(yàn)。討論了黃原膠與土壤在不同含水率條件下的鍵合性能，進(jìn)一步解釋了黃原膠改良土在不同的水分條件下的性能。

2 研究方法

2.1 土樣

試驗(yàn)所選取土樣為重塑廣州砂質(zhì)黏土，其基本物性指標(biāo)見表1。

表1 砂質(zhì)黏土基本物性力學(xué)指標(biāo)

2.2 黃原膠

本研究所使用的黃原膠為河南省鄭州裕和食品添加劑有限公司所生產(chǎn)的可食用級(jí)黃原膠。

2.3 試樣制備

本研究所選用的黃原膠溶液濃度參考Chang等的研究，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)所用土樣在2%黃原膠的質(zhì)量濃度下的剪切強(qiáng)度強(qiáng)化效率最高，由于本研究主要分析含水率對(duì)黃原膠改良土的工作效果影響，對(duì)(w)水[14]為30%飽和含水率，45%飽和含水率、60%飽和含水率、100%飽和含水率的黃原膠改良土樣進(jìn)行試驗(yàn)。

首先，用蒸餾水制備黃原膠溶液，用磁力攪拌器按預(yù)定濃度攪拌。由于黃原膠吸水性較強(qiáng)，制備過(guò)程中應(yīng)該保證黃原膠充分溶解無(wú)結(jié)團(tuán)。其次，對(duì)土進(jìn)行碾壓、分篩、風(fēng)干后稱取適量風(fēng)干土稱取相應(yīng)質(zhì)量的黃原膠溶液以達(dá)到規(guī)定的含水率，將其充分混合翻拌均勻，放置于密封袋中室溫養(yǎng)護(hù)7 d。最后，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最大干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量的土壤，用壓樣法制作試樣。

2.4 試驗(yàn)方法

1)直剪試驗(yàn)：采用不固結(jié)不排水直剪試驗(yàn)，所施加豎向壓力分別為50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa，直剪速度為0.8 mm/min，試驗(yàn)過(guò)程參照GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

2)滲透試驗(yàn)：采用變水頭滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程參照GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3)壓縮試驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)適用于飽和黏土，由于本試驗(yàn)采用試驗(yàn)土樣均為非飽和土，故只進(jìn)行壓縮。豎向壓力分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa，每次施加一級(jí)壓力后間隔24 h讀數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程參照GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 直剪試驗(yàn)成果與結(jié)果分析

將摻入2%質(zhì)量濃度黃原膠溶液的改良土樣調(diào)整至相應(yīng)飽和含水率并室溫養(yǎng)護(hù)7 d，如圖1,圖2所示，當(dāng)改良土樣含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，黃原膠改良土的黏聚力、摩擦角均隨著含水率的增加而增加。這是由于此時(shí)土樣中含有大量毛細(xì)水，顆粒間的毛細(xì)水在表面張力作用下向內(nèi)收縮形成彎液面，表面張力的方向與彎液面相切，其合力方向指向接觸面，使得土樣黏聚力增加[15]；另外要使土顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，不僅要克服摩擦力，還要克服由于生物聚合物的摻入而提高的黏聚力。

當(dāng)土樣含水率由最優(yōu)含水率提高至完全飽和，黃原膠改良土樣的黏聚力降為15.3 kPa，降低至最優(yōu)含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))黃原膠改良土樣的18.6%，內(nèi)摩擦角也減小至30.3°(見表2)。當(dāng)改良土樣含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，土樣中的自由水增加，水的偶極性干擾削弱黃原膠與土顆粒之間的有效黏結(jié)，導(dǎo)致黃原膠凝膠的強(qiáng)度由于吸水而降低。進(jìn)而的，生物聚合物由于表觀黏度的降低繼而表現(xiàn)為連接土顆粒的能力下降，因此黏聚力下降，土樣抵抗剪切時(shí)顯示出的強(qiáng)度取決于連接土顆粒的黃原膠凝膠的強(qiáng)度。并且隨著含水率增加，黃原膠的相對(duì)含量也隨之增加，生物聚合物對(duì)顆粒表面的覆蓋作用顆粒間摩擦力減小，從而減少了部分土壤的粗糙互鎖，導(dǎo)致摩擦角的減小。

表2 不同含水率黃原膠改良土直剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.2 滲透試驗(yàn)成果與結(jié)果分析

將摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%黃原膠的土樣調(diào)整至規(guī)定含水率并養(yǎng)護(hù)7 d，從圖3中可以清楚看到，黃原膠改良土的含水率提高使得土樣滲透系數(shù)有明顯降低。與未處理土樣作比較發(fā)現(xiàn)，完全飽和的黃原膠改良土滲透系數(shù)從8.38×10-6cm/s降低至1.76×10-7cm/s，滲透系數(shù)降低至未處理土樣的2.10%。滲透性的降低主要由于兩方面因素導(dǎo)致：其一，隨著含水率的提高黃原膠的相對(duì)含量也隨之增加，土壤基質(zhì)內(nèi)的交聯(lián)元素填充空隙并阻礙通過(guò)試樣的流動(dòng)；另外，與黃原膠吸水特性有關(guān)，當(dāng)改良的土壤被浸濕時(shí)黃原膠就會(huì)膨脹，形成纖維狀網(wǎng)絡(luò)并填充土壤中的孔隙，這種聯(lián)系的數(shù)量隨著土中黃原膠含量的增加而增加。

3.3 壓縮試驗(yàn)成果與結(jié)果分析

如圖4所示，將不同含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的2%黃原膠改良土樣養(yǎng)護(hù)7 d，隨著土樣含水率逐漸增加至完全飽和，壓縮模量Es從11.11 MPa降至4.48 MPa。無(wú)處理對(duì)照組的壓縮模量Es從7.20 MPa降至2.24 MPa。當(dāng)含水率為同一水平時(shí)，經(jīng)黃原膠處理的土樣壓縮性顯著低于無(wú)處理對(duì)照組。同時(shí)，如圖4～圖6顯示，土在前期固結(jié)壓力作用下，含水率變化對(duì)土的壓縮性有重要影響，在同一級(jí)荷載作用下，改良土的軸向變形隨著含水率的增加而逐漸增加；土樣含水率越大，孔隙比的變化速度越快，土樣越易被壓縮；隨著豎向壓力增大，土樣孔隙比的變化率減小，壓縮變化率也越來(lái)越小。黃原膠壓縮性變化符合常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)中的一般性壓縮規(guī)律。對(duì)比圖5與圖6，可以發(fā)現(xiàn)土壤經(jīng)過(guò)2%黃原膠處理后孔隙比有明顯的降低，并且在施加相同豎向壓力下黃原膠組的孔隙變化小于無(wú)處理土樣，這是因?yàn)樵? d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)黃原膠由于脫水硬化具有了部分強(qiáng)度，即使土樣中自由水的含量提高會(huì)削弱黃原膠與土顆粒結(jié)合效果，但黃原膠依舊能夠在一定豎向壓力下的作用下與土顆粒協(xié)同作用構(gòu)成更為牢固致密的土顆粒骨架抵抗變形。

當(dāng)飽和含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于60%時(shí)，相對(duì)于最優(yōu)含水率的無(wú)處理土樣壓縮模量Es為7.2 MPa，黃原膠對(duì)土樣壓縮性的降低效果是明顯的。這是因?yàn)樵谳^低的黃原膠含量下，氫鍵與陽(yáng)離子橋接的形成降低了土壤-生物聚合物混合物的壓縮性。而當(dāng)黃原膠改良土樣的含水率繼續(xù)增加，黃原膠凝膠取代了低塑性黏土的土壤顆粒，吸收了更多的水分，減少了黃原膠和土壤顆粒之間的相互作用，從而提高了壓縮性值[16]。

作為親水凝膠型生物聚合物，黃原膠的主要缺點(diǎn)是它們對(duì)水的敏感性。從直剪試驗(yàn)的結(jié)果可以得出結(jié)論，黃原膠處理后的砂質(zhì)黏土的剪切強(qiáng)度隨著土壤含水量的增加而大大降低。這種缺點(diǎn)同樣體現(xiàn)在生物聚合物改良土的壓縮性方面。當(dāng)改良土含水率增加，水的偶極特性干擾作用使得生物聚合物優(yōu)先與水之間發(fā)生反應(yīng)從而削弱了生物聚合物與土壤之間的黏結(jié)效應(yīng)[17]，并大大提高了土壤的壓縮性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同飽和含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的2%黃原膠改良土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)通過(guò)直剪試驗(yàn)反映出，黃原膠通過(guò)改善土顆粒之間的有效黏結(jié)來(lái)提高土壤的剪切強(qiáng)度。土壤含水量在最優(yōu)含水率附近時(shí)，黃原膠對(duì)土壤剪切強(qiáng)度的強(qiáng)化效率最高。

2)黃原膠通過(guò)吸水膨脹填充孔隙與土顆粒的交聯(lián)黏結(jié)而降低土壤的滲透性能、提高土體的壓縮性能。在7 d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，黃原膠的主要缺點(diǎn)是它對(duì)水的敏感性，土壤中自由水會(huì)干擾黃原膠凝膠與土顆粒之間的黏結(jié)效應(yīng)，從而影響黃原膠改良效果。

3)隨著黃原膠改良土樣中含水率的提高，滲透性的降低主要由兩方面因素導(dǎo)致：其一，土壤基質(zhì)內(nèi)的交聯(lián)元素填充空隙并阻礙通過(guò)試樣的流動(dòng)；另外，與黃原膠吸水特性有關(guān)，當(dāng)改良的土壤被浸濕時(shí)黃原膠就會(huì)膨脹，并形成纖維狀網(wǎng)絡(luò)填充土壤中的孔隙。

4)與水泥等其他材料相比，黃原膠具有可持續(xù)性和環(huán)境友好性，是一種很有前途的土壤改良材料。然而黃原膠此類親水類生物聚合物在實(shí)際工程中的使用需要考慮環(huán)境中的水含量與地下水位關(guān)系，從而保證其能夠發(fā)揮改良效果。