黃原膠改善黏土斷裂性能研究

呂家棟　趙立財

摘要：為了研究生物聚合物黃原膠對黏土抗彎強(qiáng)度及斷裂性能的影響，在黏土中加入不同含量黃原膠，通過制成單邊缺口梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析了不同含水率及不同黃原膠含量下黏土梁的斷裂行為。結(jié)果表明：含水率與黏土梁的抗彎強(qiáng)度及斷裂特征參數(shù)在低含水率狀態(tài)下呈顯著的負(fù)相關(guān)特征；黃原膠的添加能顯著提高干燥狀態(tài)下黏土梁的抗彎強(qiáng)度、斷裂性能以及黏土梁斷裂前的最大位移，同時使得黏土梁由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，這些性能的提高與黃原膠含量呈正相關(guān)。最后基于含水率和黃原膠含量建立了黏土梁抗彎強(qiáng)度及斷裂參數(shù)的非線性表達(dá)式，擬合結(jié)果證實(shí)其具有較高的準(zhǔn)確性。

關(guān) 鍵 詞：黏土； 黃原膠； 含水率； 抗彎強(qiáng)度； 斷裂能； 斷裂韌性； 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

中圖法分類號： S156.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.029

0 引 言

純黏土在濕潤條件下具有較強(qiáng)的韌性，在干燥條件下具有較高的干強(qiáng)度，因此在工程建（構(gòu)）筑物中被廣泛應(yīng)用，如土壩、路堤邊坡、老式建筑等。但黏土在干燥過程中斷裂特性和韌性的發(fā)展是制約其在工程中使用頻率的重要因素，也是黏土類建（構(gòu)）筑物修復(fù)加固工程中亟待解決的問題。

黏土在失水過程中，由于土顆粒間水分的排出，顆粒相互靠攏、間距縮短而引起土體收縮，并在土體內(nèi)部形成收縮裂縫［1］。裂縫的不斷發(fā)展對土工建（構(gòu)）筑物將造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，例如引起土壩滲漏、墻體開裂等。然而，無論在何種條件下對失水黏土進(jìn)行水分補(bǔ)給，都無法使由于干燥失水引起的黏土體裂縫完全自愈［2-3］，同時采用纖維增強(qiáng)體亦無法避免土體在干濕循環(huán)下，因纖維材料達(dá)到疲勞強(qiáng)度或拉斷引起的裂縫發(fā)展［4-5］。因此，要解決黏土開裂問題需要從黏土自身性質(zhì)的改良上考慮。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)（MICP）已廣泛應(yīng)用到土體加固、土性改良等方面［6-8］。研究表明，經(jīng)生物聚合物處理后，土壤的強(qiáng)化特性與土壤類型、水化程度、生物聚合物類型和含量以及混合方法密切相關(guān)［9-11］。大量學(xué)者對巴氏芽孢桿菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀加固土體進(jìn)行了研究，總結(jié)出微生物技術(shù)可有效降低土體滲透性［12］、提高土體抗剪強(qiáng)度［13］和抗壓強(qiáng)度［14］等。同時有研究表明，生物聚合物處理可使砂土的剪切強(qiáng)度和黏合性能隨著水分的蒸發(fā)而增加［15］。借助這些特點(diǎn)，采用生物聚合物改善黏土斷裂性能成為了切實(shí)可行的技術(shù)方法。黃原膠是一種環(huán)境友好型生物聚合物，在工程實(shí)踐中與土體協(xié)作表現(xiàn)出良好的適宜性及穩(wěn)定性，被廣泛用于土體加固［16-19］。但目前采用黃原膠提升黏土斷裂性能的研究較少，尤其是生物聚合物對黏土在干燥失水過程中斷裂性能的影響。因此綜合考慮含水率與黃原膠含量雙因素變化條件下，黏土斷裂性能的發(fā)展規(guī)律有待進(jìn)一步研究，這對加強(qiáng)黏土類建（構(gòu)）筑物的防護(hù)和修復(fù)具有積極的意義。

基于此，本文采用黃原膠與黏土混合，通過黏土梁彎曲試驗(yàn)研究黃原膠對干燥過程中黏土斷裂行為的影響，總結(jié)了干燥過程中黏土斷裂能和斷裂韌性隨含水率及黃原膠含量變化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究采用中弘生物有限公司生產(chǎn)的黃原膠粉末作為生物聚合物添加劑。黃原膠是由野油菜黃單胞桿菌（Xanthomnas campestris） 以碳水化合物為主要原料（ 如玉米淀粉） 經(jīng)發(fā)酵工程生產(chǎn)的一種作用廣泛的微生物胞外多糖（見圖1）。這種陰離子生物聚合物很容易通過氫鍵吸附水分子形成黏性水凝膠，同時其表面親水性陰離子與陽離子反應(yīng)，導(dǎo)致其凝膠化效果更為突出［20］。

本次研究所用黏土取自西南地區(qū)，采用3組平行試驗(yàn)測得其基本物理力學(xué)參數(shù)見表1，土樣2 mm以下細(xì)顆粒的粒徑分布情況為：粒徑0.075～2 mm顆粒含量約為16.50%，粒徑在0.005～0.075 mm之間的含量約為28.22%，小于0.005 mm的顆粒含量約為55.28%。采用X射線衍射（XRD）對土樣進(jìn)行礦物成分分析（見圖2），可知高嶺石含量占比58%、伊利石占比21%、蛭石占比10%、斜長石占比6%、方解石占比4%。此土樣中黏土礦物以高嶺石為主，該類黏土礦物土顆粒往往帶正電荷，可以通過靜電力有效地附著在帶負(fù)電的黃原膠長鏈上，呈現(xiàn)出絮凝的織物結(jié)構(gòu)［21］。采用液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)測得黏土樣的塑限含水率及液限含水率分別為25.72% 和 45.00%，土壤最優(yōu)含水率為24.14%。

1.2 試樣制備

本次研究采用干混的方式制備土樣，即先將黃原膠粉末與土料混合均勻再加水?dāng)嚢柚茦?，混合前先將土樣干燥、過篩，剔除大于2 mm的土顆粒，以保證土料的均勻性。研究表明，過量的黃原膠會影響樣品的制樣質(zhì)量，其最優(yōu)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為黏土質(zhì)量的1.0%～1.5%［17］，在本次研究中黃原膠粉末添加量分別設(shè)定為0，0.5%，1.0% 和 1.5%共4組。加入不同質(zhì)量的水，控制土料含水率分別為24%，18%，12%。然后按黏土料的最大干密度制樣，計算在干密度為1.7 g/cm3時不同含水率試樣所需的土料質(zhì)量，分層填入鋼梁模具中，并用木錘擊實(shí)，黏土梁制樣尺寸為240 mm×30 mm×30 mm。制樣完成后將土樣和模具一并放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度20 ℃及與含水率對應(yīng)的濕度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d。干燥狀態(tài)下的黏土梁試樣是含水率為12%的試樣養(yǎng)護(hù)完成后，采用烘干裝置在60 ℃下烘干至質(zhì)量恒定狀態(tài)，測得其含水率約為2%。制樣完成后，將制備的試樣進(jìn)行切口處理，采用0.5 mm厚度的鋼鋸在黏土梁試樣受拉側(cè)鋸入梁高度的1/3，以備試驗(yàn)。本次試驗(yàn)所用儀器為南京華德土壤儀器制造有限公司生產(chǎn)的WDW-100D微機(jī)控制萬能伺服機(jī)。

2 試驗(yàn)方法

本文對黏土梁斷裂性能的研究采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行，考慮到梁自重引起梁中部發(fā)生撓曲，為減少自重影響，最佳支座位置［22］及試樣加載如圖3所示，此時試樣受拉側(cè)支撐跨度為133 mm。由于黏土梁抗彎強(qiáng)度及韌性受含水率影響較大，因此在試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)過程中應(yīng)特別注意對黏土梁的保護(hù)，避免試驗(yàn)外因素對黏土梁強(qiáng)度及韌性的擾動。試驗(yàn)加載過程采用位移控制，控制加載速率為0.2 mm/min，文獻(xiàn)［23］表明在此加載速率下，黏土梁斷裂時長為5～10 min，試驗(yàn)過程中記錄黏土梁的荷載-位移曲線。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 黏土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)荷載-位移特征

圖4為在不同含水率及不同黃原膠添加量條件下，黏土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)荷載-位移曲線。可以看出：隨著含水率的增加，試樣承受的最大荷載呈降低趨勢，這符合一般土體的力學(xué)特征。隨著黃原膠添加比例的增加，試樣在各含水率條件下所能承受的最大荷載均呈增加趨勢，且在干燥狀態(tài)（含水率2%）下顯著增加。這是由于黃原膠是具有親水基團(tuán)的生物聚合物，黃原膠分子與帶電黏土中羥基和羧酸基團(tuán)內(nèi)的陽離子橋聯(lián)形成黏土-黃原膠團(tuán)聚體。同時黃原膠通過水凝膠的水合作用改變了土壤特性，在干燥過程中，水分子傾向于從聚合物鏈中逸出，水凝膠從橡膠態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，這一系列反應(yīng)使得黏土試樣承受的最大荷載與黃原膠含量呈現(xiàn)出正相關(guān)特征（見圖5）。

添加黃原膠能顯著地增加黏土梁破壞前的最大位移，表2為各試樣在峰值荷載作用下的最大位移?？梢钥闯觯何刺砑狱S原膠的黏土梁，干燥狀態(tài)下其最大位移最??；隨著含水率增加，其最大位移在各含水狀態(tài)下相差較小。對于含黃原膠的黏土梁，在同一含水率狀態(tài)下，黏土梁的最大位移隨黃原膠含量的增加而增長，并且在由0.5%增加至1%時有最大的位移增量。在同一黃原膠含量條件下，黏土梁位移最大值出現(xiàn)在干燥狀態(tài)下（含水率2%），并表現(xiàn)出隨著含水率的增加而先減后增的特征。

3.2 黏土梁抗彎強(qiáng)度

圖6為不同黃原膠含量（即0，0.5%，1.0%和1.5%）處理后黏土梁在各含水率下的抗彎強(qiáng)度特征。隨著含水率的減小，不同黃原膠含量的黏土梁抗彎強(qiáng)度均呈增加的趨勢，這是由于水的不斷蒸發(fā)和黃原膠凝膠硬化增強(qiáng)了黏土梁的整體強(qiáng)度。黃原膠在不同含水率條件下對黏土梁抗彎強(qiáng)度的影響有所不同，在高含水率（24%）下，黃原膠含量對抗彎強(qiáng)度的影響相對較小，在試驗(yàn)范圍內(nèi)表現(xiàn)為每增加1%的黃原膠使黏土梁抗彎強(qiáng)度增加5.63 N/cm2。隨著含水率的降低，黃原膠對抗彎強(qiáng)度的影響逐漸增加，在含水率為12%時，每增加1%的黃原膠使黏土梁抗彎強(qiáng)度增加13.65 N/cm2。處于干燥狀態(tài)的黏土梁試樣與其他含水狀態(tài)的試樣抗彎強(qiáng)度性質(zhì)有所不同，黃原膠的添加與否使得干燥狀態(tài)下黏土梁抗彎強(qiáng)度存在較大差異。在干燥狀態(tài)（含水率2%）下，黃原膠添加量從0增至0.5%時，黏土梁抗彎強(qiáng)度增長約2.7倍，之后，每增加1%的黃原膠可使黏土梁抗彎強(qiáng)度增加67.00 N/cm2。

3.3 黏土梁斷裂能及斷裂韌性

不同含水率和不同含量黃原膠條件下黏土梁斷裂能如圖7所示。假設(shè)黏土梁在斷裂前的斷裂特征符合Griffith斷裂理論，斷裂能主要由土顆粒間的結(jié)合力和破壞前的位移決定，抗彎強(qiáng)度則是土顆粒結(jié)合力的表達(dá)。從圖7可以看出：在純黏土梁中，當(dāng)含水率從24%減少到12%時，斷裂能受斷裂位移減小發(fā)生的衰減由抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了一定程度補(bǔ)償，因此該含水率范圍內(nèi)純黏土梁斷裂能下降不明顯。在含水率降低至2%（干燥狀態(tài)）時，斷裂位移對斷裂能起主要控制作用，導(dǎo)致該狀態(tài)下黏土梁斷裂能明顯降低。黃原膠的添加顯著改變了黏土梁的斷裂特征，各含水率下添加黃原膠的黏土梁，斷裂能隨著黃原膠百分比的增加而增加。與純黏土梁相似，在含水率為12%～24%時，黏土梁斷裂能的變化并不明顯，但在干燥條件下，黃原膠的添加使得黏土梁的斷裂能顯著提高，且隨著黃原膠比例的增加，斷裂能增長率明顯增加。

圖8為不同含水率和不同黃原膠含量條件下黏土梁的斷裂韌性。可以看出：純黏土梁的斷裂韌性在試驗(yàn)范圍內(nèi)各含水率條件下均處于低值，直至含水率降至最低，其斷裂韌性有較明顯提高。經(jīng)黃原膠處理的黏土梁斷裂韌性明顯提高，且隨黃原膠含量的增加而明顯提高。與純黏土梁相似，在含水率為12%～24%之間時，隨著含水率降低，添加黃原膠的黏土梁斷裂韌性上升并不顯著，但在干燥條件下（含水率2%）斷裂韌性有顯著增加，黃原膠含量為1.5%的黏土梁在干燥條件下斷裂韌性約為純黏土梁的4.06倍。

4 黏土梁斷裂特征

圖9為干燥狀態(tài)（含水率2%）及含水率為24%狀態(tài)下，黃原膠含量為0和1.5%時黏土梁的破壞形態(tài)?？梢钥闯?，不含黃原膠的黏土梁斷裂面以豎直方向發(fā)展為主，脆性破壞特征較為明顯；黃原膠的添加使得斷裂面呈“S”形發(fā)展，且在高含水率下發(fā)展出支裂縫，表現(xiàn)出一定的延性破壞特征。

以上研究表明，含水率及黃原膠含量與黏土梁的抗彎強(qiáng)度及斷裂特征均存在密切的聯(lián)系，整體上隨著含水率的降低和黃原膠含量的增加，抗彎強(qiáng)度及斷裂參數(shù)呈現(xiàn)出提高的趨勢。這一變化過程中，各含水率或黃原膠含量條件下，黏土梁的抗彎強(qiáng)度及斷裂參數(shù)并不僅僅受某單一因素影響顯著，而是表現(xiàn)出在不同區(qū)間具有不同的影響程度。因此在綜合考慮兩種因素影響的基礎(chǔ)上，建立了黏土梁抗彎強(qiáng)度及斷裂參數(shù)的非線性表達(dá)（式（4）～（6）），擬合情況見圖10～12?？箯潖?qiáng)度、斷裂能和斷裂韌性與含水率及黃原膠含量的相關(guān)性分別為0.902，0.924，0.897，表明其具有顯著的相關(guān)性。

R=16.805+0.348w2-15.451X2-4.339wX-10.489w+116.856X（4）

GF=23.298+0.087w2-11.923X2-1.434wX-2.039w+71.818X（5）

KIC=88.018+0.394w2-13.157X2-3.384wX-11.231w+95.163X（6）

式中：w為含水率，%；X為黃原膠含量，%。

5 結(jié) 論

本文通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，介紹了不同含水率及黃原膠含量下黏土梁抗彎強(qiáng)度及斷裂性能，得出如下結(jié)論。

（1） 三點(diǎn)彎曲條件下，較高含水率的黏土梁最大承載能力及抗彎強(qiáng)度隨含水率降低而增加，增加幅度較小，在干燥狀態(tài)下（含水率2%）則表現(xiàn)為顯著增加，含黃原膠的黏土梁其抗彎強(qiáng)度顯著高于純黏土梁。黏土梁達(dá)到峰值荷載時的位移隨著含水率的增加而先減后增，并在黃原膠含量由0.5%增加至1.0%時達(dá)到最大。

（2） 黃原膠對高含水率黏土梁斷裂能及斷裂韌性的影響較小，但對低含水率黏土梁的斷裂能及斷裂韌性有顯著的提高，提高幅度與黃原膠含量呈正相關(guān)。

（3） 就破壞特征而言，黃原膠的添加使得黏土梁的斷裂由脆性破壞向延性破壞特征轉(zhuǎn)變，破壞過程中黏土梁的抗彎強(qiáng)度、斷裂能和斷裂韌性與含水率及黃原膠含量表現(xiàn)出顯著的非線性關(guān)系，可據(jù)此計算不同含水率及黃原膠含量下黏土梁的抗彎強(qiáng)度及斷裂參數(shù)。

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Study on fracture performance of xanthan gum-improved clay

Lv Jiadong1，ZHAO Licai1，2

（1.China Railway 19th Bureau Group Third Engineering Co.，Ltd.，Shenyang 110136，China； 2.Department of Civil and Construction Engineering，National Taiwan University of Science and Technology，Taipei 10672，China）

Abstract：

In order to study the effect of biopolymer （xanthan gum） on the flexural strength and fracture properties of clay，different contents of xanthan gum were added into the clay，and a single-edge notched beam was made for three-point bending test.The fracture behavior of clay beams under different water content and different xanthan gum content was analyzed.The results showed that the water content has a significant negative correlation with the flexural strength and fracture characteristic parameters of clay beams under low water content.The addition of xanthan gum can significantly improve the flexural strength，fracture performance and the maximum displacement before fracturing of clay beams under dry conditions，and make the clay beams change from brittle failure to ductile failure.The improvement of these properties is positively correlated with the content of xanthan gum.Finally，based on the moisture content and xanthan gum content，a nonlinear expression of flexural strength and fracture parameters of clay beams was established.The fitting results confirm that the method has high fitting accuracy.

Key words： clay；xanthan gum；water content；flexural strength；fracture energy；fracture toughness；three-point bending test

（編輯：胡旭東）

收稿日期：2022-05-09

基金項(xiàng)目：遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才資助項(xiàng)目（XLYC2007146）

作者簡介：呂家棟，男，高級工程師，主要從事隧道結(jié)構(gòu)安全與施工技術(shù)研究。E-mail：2208958240@qq.com

通信作者：趙立財，男，正高級工程師，博士，主要從事巖石力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)的損傷力學(xué)及災(zāi)變防治技術(shù)研究。E-mail：twin1333@yeah.net