生物聚合物對高含水量淤泥壓縮滲透特性的影響

鄔文昊,孫宏磊,翁振奇

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310058;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,杭州 310014)

濱海地區(qū)存在大量淤泥質(zhì)土,存在含水量高、強度低等特點[1]。目前,常用水泥、石灰等改善高含水量淤泥的工程特性[2-3],但是在水泥生產(chǎn)以及淤泥處理過程中存在環(huán)境污染、資源消耗大等諸多問題[4-5]。因此,有學(xué)者嘗試采用綠色環(huán)保的新型材料來改良高含水量淤泥[6-9]。

生物聚合物是由生物體如藻類、真菌或細菌產(chǎn)生的可降解多糖聚合物[10]。近年來,一些研究者對生物聚合物在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用進行了探究。Dehghan等[11]用黃原膠和瓜爾膠處理含水量為14%的濕陷性土,結(jié)果表明,生物聚合物改善了力學(xué)性能并降低了濕陷性土的最大干密度和滲透性。Soldo等[12]研究了黃原膠、β-1,3/1,6葡聚糖、瓜爾膠、殼聚糖和海藻酸鹽5種生物聚合物對含水量為16.5%的粉土強度的影響,研究表明,生物聚合物處理過的粉土具有更高的強度,并且在大氣條件下具有更強的干濕耐久性。Latifi等[13]用黃原膠處理了含水量為38%的膨潤土和19.5%的高嶺石,并以強度和壓縮性為標(biāo)準(zhǔn)得到其最優(yōu)摻量分別為1%和1.5%。Chang等[14]通過室內(nèi)試驗研究了結(jié)冷膠對含水量低于65%的砂質(zhì)黏土的加固性能的影響,發(fā)現(xiàn)結(jié)冷膠強化土體力學(xué)性能的原因主要是引起細顆粒的聚集以及細顆粒與粗顆粒的連接。Bozyigit等[15]用黃原膠和瓜爾膠處理含水量40%以下的高嶺土,結(jié)果表明,在含水量為25%、摻量為2%時土樣無側(cè)限抗壓強度最大。與純黏土相比,添加黃原膠的土樣強度提高了5.23倍,添加瓜爾膠的土樣強度提高了8.53倍。上述研究表明,生物聚合物作為一種環(huán)境友好型材料可以有效改善土體的力學(xué)性質(zhì)。為了評估生物聚合物改性淤泥在實際工程中的應(yīng)用前景,需要對生物聚合物對高含水量淤泥壓縮性和滲透性影響做深入研究,且目前國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究較少。

鑒于此,采用一維固結(jié)滲透試驗研究了黃原膠、海藻酸鈉和陽離子瓜爾膠處理的高含水量淤泥壓縮指數(shù)、結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力、滲透系數(shù)等參數(shù)隨摻量的變化規(guī)律,采用掃描電鏡(SEM)試驗和壓汞(MIP)試驗分析了改性淤泥微觀孔隙特征與孔隙分布規(guī)律,并從生物聚合物和黏土顆粒間相互作用的角度,揭示生物聚合物對高含水量淤泥壓縮特性和滲透特性影響的內(nèi)在機制。

1 試 驗

1.1 試驗材料

黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸組成的多糖類高分子化合物[16]。海藻酸鈉是由1,4聚-β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸組成的一種線型聚合物[17]。陽離子瓜爾膠是對瓜爾膠進行氨基化陽離子改性得到的一種水溶性高分子,其化學(xué)名稱為瓜爾膠羥丙基三甲基氯化銨[18]。

試驗淤泥取自浙江省臺州市某軟土地基處理現(xiàn)場,取樣位置為海平面高度以下2.40 m的吹填淤泥層。土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示。土體比重采用比重瓶法進行測定,土體液塑限采用液塑限聯(lián)合測定儀進行測量。通過密度計法獲得的顆粒級配如圖1所示,土中黏粒(<5 μm)、粉粒(5～75 μm)和砂粒(>75 μm～2 mm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.1%、55.6%和31.3%,根據(jù)美國材料試驗協(xié)會ASTMD2487-17標(biāo)準(zhǔn),判斷該土樣屬于低塑性粉質(zhì)黏土。

1.2 試驗方案與方法

試驗用土樣初始含水量設(shè)計為80%,即兩倍液限。結(jié)合已有研究[19],采用0.5%、1%、1.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))3種摻量,摻量定義為生物聚合物的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。

試驗開始前先將淤泥烘干,再用碎土機粉碎并過孔徑為2 mm的篩子。稱取一定質(zhì)量的干土,根據(jù)設(shè)計摻量將生物聚合物與干土拌合均勻,加入去離子水并攪拌使其充分混合?；旌虾蟮耐翗釉?20±2) ℃的恒溫條件下養(yǎng)護24 h,此時膠結(jié)反應(yīng)已基本充分[20]。將養(yǎng)護完成的土樣裝入直徑61.8 mm、高度40 mm的環(huán)刀內(nèi),作為固結(jié)滲透試驗的試樣。

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)裝置設(shè)計的初始壓力一般為12.5 kPa。試驗所用高含水量淤泥強度低,難以承受如此高的初始壓力,因此,本試驗采用Hong等[21]提出的超低壓一維滲透固結(jié)儀,如圖2所示。固結(jié)試驗的加載等級為1、2、3、4、6、8、10、12.5、25、50、100、200、300、400和800 kPa共15個荷載水平。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級荷載下固結(jié)24 h或試樣每小時變形量不大于0.01 mm[22]。在每一級加載完成后進行滲透試驗?？紤]到在豎向有效應(yīng)力很小(1～4 kPa)時試樣所能承受的滲透壓力過小,當(dāng)豎向有效應(yīng)力達到6 kPa后再進行滲透試驗。為了避免滲透壓力過小而導(dǎo)致的試驗誤差,滲透試驗在不同的荷載水平下采用了不同的初始水頭。當(dāng)豎向有效應(yīng)力小于12.5 kPa時,采用0.5 m的滲透水頭;豎向有效應(yīng)力在12.5～200 kPa時,采用1.0 m的滲透水頭;豎向有效應(yīng)力大于200 kPa時,采用2.0 m的滲透水頭[23]。完成固結(jié)滲透試驗后選取代表性土樣進行SEM和MIP試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 一維固結(jié)滲透試驗結(jié)果

采用Butterfield[24]提出的雙對數(shù)法,通過土體孔隙比與豎向荷載p之間的關(guān)系(ln(1+e)-logp)確定改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,結(jié)果見表2。圖3為不同摻量下生物聚合物改性淤泥雙對數(shù)壓縮曲線。從圖3及表2可以看出,生物聚合物的摻入提高了高含水量淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。當(dāng)摻量為1.5%時,黃原膠改性淤泥、海藻酸鈉改性淤泥和陽離子瓜爾膠改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力分別達到了11.20、6.31和6.89 kPa,相比重塑淤泥的2.01 kPa提高了457%、214%和243%。同時,隨著摻量的增加,生物聚合物改性淤泥的液限提高,含水比降低,結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力也逐漸增大。當(dāng)聚合物摻量從0.5%提高到1.5%時,黃原膠改性淤泥、海藻酸鈉改性淤泥和陽離子瓜爾膠改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力分別提高了113%(由5.30 kPa提高至11.20 kPa)、129%(由2.76 kPa提高至6.31 kPa)和213%(由2.20 kPa提高至6.89 kPa)。綜上可知,生物聚合物的摻入可以增強高含水量淤泥的結(jié)構(gòu)性,3種聚合物中黃原膠的效果最顯著。

圖3 生物聚合物改性淤泥雙對數(shù)壓縮曲線

表2 生物聚合物改性淤泥結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力

圖4為不同生物聚合物及其摻量對改性淤泥壓縮指數(shù)的影響。Cs和Cc分別表示豎向有效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時改性淤泥的壓縮指數(shù)。可以看出,各組改性淤泥的Cs均小于重塑淤泥,且隨著摻量的增加,各組Cs均呈減小的趨勢。重塑淤泥的Cs為0.306,而1.5%摻量黃原膠改性淤泥、海藻酸鈉改性淤泥和陽離子瓜爾膠改性淤泥的Cs分別為0.126、0.134和0.137,降低了59%、56%和55%。3種生物聚合物都能減小改性淤泥的壓縮性,其中黃原膠的降低效果最明顯。

圖4 生物聚合物改性淤泥壓縮指數(shù)

當(dāng)豎向有效應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,土樣壓縮性顯著增大。各摻量下黃原膠改性淤泥Cc都大于重塑淤泥的Cc,且黃原膠改性淤泥的Cc隨著黃原膠摻量的提高而增加。0.5%海藻酸鈉改性淤泥和0.5%陽離子瓜爾膠改性淤泥的Cc都比重塑淤泥小,當(dāng)摻量進一步增加達到1%和1.5%時,兩者的Cc都有明顯增加,且都高于重塑淤泥。綜上,當(dāng)豎向有效應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,高摻量的生物聚合物會導(dǎo)致改性淤泥的壓縮性提高。

圖5為生物聚合物改性淤泥e-logk滲透曲線?？梢钥闯?重塑淤泥和生物聚合物改性淤泥的孔隙比與滲透系數(shù)均大致呈線性關(guān)系,且土樣的滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而增大。在相同孔隙比的情況下,生物聚合物改性淤泥的滲透性明顯低于重塑淤泥。隨著摻量的提高,生物聚合物改性淤泥的滲透性進一步降低。3種改性淤泥中黃原膠改性淤泥的滲透性降低幅度最大,在1.5%摻量時與重塑淤泥相比降低了兩個數(shù)量級。海藻酸鈉改性淤泥和陽離子瓜爾膠改性淤泥的滲透系數(shù)降低幅度接近,在1.5%摻量時與重塑淤泥相比降低了1個數(shù)量級。

2.2 微觀試驗

圖6、7分別為生物聚合物改性淤泥的累計進汞曲線和孔隙密度分布曲線。圖7縱坐標(biāo)V(mL/g)代表孔容,D(μm)代表直徑。圖8為重塑淤泥以及摻量為1.5%時生物聚合物改性淤泥在放大倍數(shù)為5 000時的SEM圖像。由圖7可知,生物聚合物改性淤泥孔隙密度分布曲線呈單峰與主峰+次峰兩種形式,主要孔徑分布范圍為0.01 ～1 μm。

圖6 生物聚合物改性淤泥累計進汞曲線

圖7 生物聚合物改性淤泥孔隙密度分布曲線

圖8 生物聚合物改性淤泥SEM圖像

由圖6(a)可知,隨著黃原膠摻量的提高,改性淤泥內(nèi)部總孔隙體積降低。摻量為0.5%、1%和1.5%時對應(yīng)的總累計進汞量分別為0.175、0.166和0.157 mL/g,相比重塑淤泥的0.217 mL/g降低了19.4%、23.5%和27.6%。由圖7(a)可知,重塑淤泥孔隙密度分布曲線呈單峰形式,對應(yīng)孔徑為0.435 μm。在黃原膠摻量為0.5%時的孔隙密度分布曲線呈主峰+次峰形式,主峰對應(yīng)孔徑為0.192 μm,次峰對應(yīng)孔徑為0.104 μm。當(dāng)摻量提高到1%和1.5%時,孔隙密度分布曲線呈現(xiàn)單峰形式,其對應(yīng)孔徑分別為0.107和0.096 μm。隨著黃原膠摻量的提高,改性淤泥內(nèi)部孔隙直徑減小。結(jié)合圖8(a)、(b)可知,加入黃原膠后,已經(jīng)基本沒有松散的片狀黏土顆粒,取而代之的是黃原膠凝膠與黏土顆粒通過包裹和膠結(jié)作用形成的黃原膠-黏土基質(zhì)。這種凝膠產(chǎn)物使得顆粒與顆粒間連接緊密形成整體,并填充了顆粒間的大孔隙,使得大孔隙數(shù)量逐漸減少,小孔隙數(shù)量逐漸增多。黃原膠-黏土基質(zhì)降低了改性淤泥的總孔隙體積,導(dǎo)致改性淤泥滲透性降低。

由圖6(b)、(c)可知,海藻酸鈉和陽離子瓜爾膠的摻入使得改性淤泥總孔隙體積降低。1.5%摻量對應(yīng)的海藻酸鈉改性淤泥和陽離子瓜爾膠改性淤泥總累計進汞量分別為0.200和0.196 mL/g,相比重塑淤泥降低了7.8%和9.7%。由圖7(b)、(c)可知,海藻酸鈉改性淤泥的孔隙密度分布曲線均呈單峰形式,摻量為0.5%、1%和1.5%時曲線峰值對應(yīng)的孔徑分別為0.284、0.240和0.181 μm,即隨著摻量的增加,孔隙密度分布曲線峰值對應(yīng)的孔徑逐漸減小。由圖8(c)可知,當(dāng)加入海藻酸鈉后,部分細小片狀的黏土顆粒仍依稀可見,較大的黏土顆粒表面包裹有較厚的水凝膠,并且能觀察到大塊的黏聚體。由此可知,前述孔隙變化是因為海藻酸鈉水凝膠讓黏土顆粒形成凝塊,進而造成孔隙直徑減小、總孔隙體積降低。0.5%和1%摻量的陽離子瓜爾膠的孔隙密度分布曲線呈單峰+次峰形式,主峰峰值對應(yīng)孔徑分別為0.434和0.433 μm,次峰峰值對應(yīng)孔徑分別為0.276和0.185 μm。1.5%摻量時曲線為單峰形式,峰值對應(yīng)孔徑為0.184 μm。對比可知,隨著摻量的提高,陽離子瓜爾膠改性淤泥內(nèi)部小孔隙數(shù)量增加,大孔隙數(shù)量減少,導(dǎo)致改性淤泥總孔隙體積的降低。觀察圖8(d)陽離子瓜爾膠改性淤泥可知,原本分散的細小片狀黏土顆粒膠結(jié)在了一起,較大的黏土顆粒外的水凝膠包裹層明顯。陽離子瓜爾膠使細小的片狀黏土顆粒形成了聚集體填充大孔隙,減小了總孔隙體積。

2.3 機制分析

當(dāng)在淤泥中加入生物聚合物后,黃原膠、海藻酸鈉和陽離子瓜爾膠會附著在黏土顆粒上,與黏土顆粒表面之間形成氫鍵[25]。Podsiadlo等[26]研究表明,有機聚合物和黏土顆粒之間的氫鍵可以形成黏土-聚合物網(wǎng)絡(luò),提高整個系統(tǒng)的剛度。因此,改性淤泥的壓縮性降低。然而豎向有效應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,黏土-聚合物網(wǎng)絡(luò)被逐漸破壞,其對土體剛度的提高作用逐漸減弱。隨著摻量的增加,大量水凝膠包裹土顆粒,使得土顆粒與土顆粒之間的接觸變?yōu)橥令w粒與凝膠、凝膠與凝膠之間的接觸。水凝膠對土樣孔隙剛度的貢獻微乎其微,這導(dǎo)致了當(dāng)豎向有效應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后生物聚合物改性淤泥壓縮指數(shù)顯著提高,Cc隨著摻量的提高而進一步增大。此外,SEM試驗結(jié)果表明,相同摻量下黃原膠水化產(chǎn)生的水凝膠量高于海藻酸鈉和陽離子瓜爾膠,這使得在0.5%摻量時黃原膠改性淤泥的壓縮性就已經(jīng)大于重塑淤泥。

生物聚合物能夠增強淤泥的結(jié)構(gòu)性,一方面是由于黏性水凝膠的膠結(jié)作用,另一方面是通過離子鍵或氫鍵引起了顆粒聚集[27]。黃原膠分子鏈上的羥基和羧基水解使其帶有較多的負電荷,且黃原膠水凝膠的黏性是3種生物聚合物中最高的,這使得黃原膠改性淤泥同樣摻量下表現(xiàn)出更強的結(jié)構(gòu)性。海藻酸鈉具有的羥基和羧基水解產(chǎn)生的負電荷較少,且其水溶膠在濃度低時黏度較低,因此,在0.5%摻量時海藻酸鈉改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力提高不明顯。陽離子瓜爾膠帶有水解產(chǎn)生正電荷的氨基,與海藻酸鈉改性淤泥類似,在濃度較低時通過離子鍵只有有限的顆粒聚集,結(jié)構(gòu)性不明顯。當(dāng)摻量提高時兩種聚合物水溶膠黏度增加,同時引起更多的顆粒聚集,使得改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力隨著摻量的提高而快速增大。

生物聚合物改性淤泥滲透系數(shù)的降低可以歸因于生物聚合物的堵塞作用。根據(jù)Kozeny-Carman及其修正方程,多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)與土體平均孔徑呈正相關(guān),與土顆粒比表面積和孔隙流體黏滯系數(shù)呈負相關(guān)[28]。圖9為改性淤泥滲透系數(shù)與平均孔徑、比表面積的關(guān)系?？梢钥闯?生物聚合物使改性淤泥的平均孔徑減小,比表面積增大。以黃原膠為例,平均孔徑降低了50%,而比表面積僅提高了約25%,同時,Cabalar等[29]的研究表明,生物聚合物的摻入對孔隙流體的黏滯系數(shù)影響不大。因此,平均孔徑的變化是影響生物聚合物改性淤泥滲透系數(shù)變化的主要因素,比表面積的變化則是次要因素。生物聚合物與水結(jié)合形成黏性水凝膠包裹土顆粒,水凝膠在黏土顆粒間交聯(lián)形成膠結(jié)聚合物,土中的孔隙被填充導(dǎo)致土樣滲透性變差。相比另外兩種生物聚合物,黃原膠具有較高的黏性,有助于顆粒的結(jié)合聚集。同時,在相同摻量下能產(chǎn)生更多的水凝膠以及黃原膠-黏土基質(zhì)填充堵塞孔隙。由壓汞試驗的結(jié)果可知,相同摻量下黃原膠改性淤泥的總孔隙體積以及孔隙密度分布曲線峰值對應(yīng)的孔徑均明顯低于其他兩種改性淤泥,供水通過的連通孔隙是3種改性淤泥中最少的,因此,可以更大程度地降低改性淤泥的滲透系數(shù)。鑒于此,生物聚合物改性淤泥在淺層邊坡穩(wěn)定、堤岸防護等工程中有較大的應(yīng)用潛力。

圖9 改性淤泥滲透系數(shù)與平均孔徑、比表面積的關(guān)系

3 結(jié) 論

1)生物聚合物與黏土顆粒之間形成的黏土-聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了淤泥的壓縮性,試驗所用聚合物中黃原膠的效果最顯著。隨著摻量的增加,生物聚合物改性淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增大,壓縮性降低。

2)當(dāng)豎向有效應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后,改性淤泥的壓縮指數(shù)明顯增大。隨著摻量的增加改性淤泥Cc進一步變大,當(dāng)摻量超過一定閾值(黃原膠0.5%,海藻酸鈉和陽離子瓜爾膠1%)后改性淤泥Cc高于重塑淤泥。

3)生物聚合物對土體孔隙的堵塞作用導(dǎo)致淤泥的滲透性明顯降低。改性淤泥的滲透系數(shù)隨著生物聚合物摻量的提高而降低,其中,黃原膠對土體滲透性降低效果最明顯,在1.5%摻量時達到兩個數(shù)量級。

4)生物聚合物改性淤泥主要孔徑分布為0.01～1 μm。相比重塑淤泥,改性淤泥的孔隙直徑變小,總孔隙體積減小,且隨著摻量的提高進一步降低。