PVA（聚乙烯醇）改良膨脹土強度性能試驗研究

文武 莊心善 趙奕楊 聶去塵

[摘 要]PVA（聚乙烯醇）作為一種高分子聚合物，可利用其強粘結性改良膨脹土，提高改良土強度降低其膨脹性。通過三軸試驗，研究不同PVA含量對膨脹土性質的影響，試驗發(fā)現(xiàn)：圍壓相同時，隨著PVA含量增大，改良土強度與內摩擦角呈先增大后減小的趨勢；黏聚力先增大后趨于穩(wěn)定。在相同圍壓下，當PVA含量為3%，膨脹土的主應力之差達到最大，3%為PVA的最佳含量。摻量相同時，PVA含量0%、1%、2%、3%、4%改良土條件下，圍壓300 kPa較圍壓100 kPa時，強度提高39%、36%、29%、32%、31%。

[關鍵詞]膨脹土；PVA（聚乙烯醇）；應力-應變；抗剪強度

[中圖分類號]TU 411[文獻標識碼]A

膨脹土是一種高塑性黏土，主要由親水性的礦物質組成，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮性能，性質不夠穩(wěn)定，易對建筑造成危害，人們稱其為“隱藏的災難”。目前對膨脹土的處理，可以采用物理、化學和生物等方式，以達到改良膨脹土的膨脹特性和強度的目的。

在物理改良方面，康靖宇等^[1]通過水玻璃改良膨脹土，得到的改性土膨脹率下降，且強度也有提升。王歡等^[2]研究不同摻量的粉砂土對膨脹土膨脹特性和力學特性的影響，得出結論：粉砂土可以顯著改良膨脹土膨脹特性和力學特性。在化學改良方面，付靜^[3]在膨脹土中摻入超細粉煤灰水泥改良膨脹土，得出最合理的超細粉煤灰水泥合理摻量為17%。莊心善等^[4]采用磷尾礦改良膨脹土，得出磷尾礦的最優(yōu)摻量為7%，并給出動強度計算公式。在生物改良方面，杜靜等^[5]利用微生物對膨脹土進行改性試驗研究，篩選出能增大抗剪強度，降低膨脹性和線縮率的菌株。王麗娟等^[6]采用非膨脹土中分離的枯草芽孢桿菌，最大能減小21.7%膨脹土的自由膨脹率，且該菌株大量存在土壤中。

目前，通過物理、化學和生物等手段改良膨脹土的研究已有不少，在化學和生物改良方面，有環(huán)境污染不可控和成本問題難解決的情況，因此，使用價格低廉、環(huán)境友好的材料，進行物理方法改良成為研究的主要切入點。我國是世界上最大的PVA（聚乙烯醇）生產國，每年消費量還在遞增，PVA作為一種易溶于水的有機化合物，不僅有合成方便、安全低毒的優(yōu)點，而且價格便宜、使用方便，同時還有耐酸堿，幾乎不溶于有機溶劑的特點。

劉義新等^[7]發(fā)現(xiàn)PVA在調整土體結構、改善土壤理化性質上有明顯效果。余浩等^[8]發(fā)現(xiàn)PVA纖維具有改善親水黏土礦物的界面活性，大幅度降低其吸水性能的特點。以上說明PVA是一種安全、綠色的膨脹土物理改良方法?，F(xiàn)階段，利用PVA改良膨脹土的研究尚未見報道，本文采用PVA改良膨脹土，進行相關力學試驗，研究不同圍壓、不同摻量條件下對改良土強度影響，并確定了最佳摻量。

1 試驗材料

1.1 膨脹土

本次實驗采用合肥某公路的膨脹土，通過擊實試驗、液塑限試驗等，得到膨脹土的相關參數(shù)見表1。

1.2 PVA-1788（聚乙烯醇）

本次采用的PVA為亞泰聯(lián)合化工有限公司的1788型，其聚合度為1700，醇解度為88%。本產品為白色粉末，溶于水后溶液呈透明狀。具體參數(shù)見表2。

2 試樣制備和試驗方案

2.1 制備試樣

將試驗所用的膨脹土碾碎過1 mm篩，放進烘箱升溫至105 ℃，烘干24 h，除去土體天然的水分，排除環(huán)境對土樣的影響，待其完全冷卻后用密封袋封裝保存。

在含水率18%時，分別按照PVA含量0%、1%、2%、3%和4%調配土樣，土樣的高為80 cm，直徑為39.1 cm，制備過程中分四層壓實，兩層接觸面之間進行鑿毛處理，增加土體之間的接觸面積和整個土樣連續(xù)性，使結合處的土體牢固、密實，減小分層制樣對抗彎抗剪強度的影響。

2.2 試驗方案

試樣制備完成后，進行真空飽和，將飽和完成的試樣放入TSZ-2型全自動三軸儀中進行CU（固結不排水剪）試驗，模仿施工期間的固結作用，圍壓分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa^[9]，固定剪切速率為0.05 mm/min，試驗儀器和試驗后的試樣見圖1。

3 試驗結果及分析

3.1 圍壓影響

選取相同圍壓下不同PVA含量的土樣與素土樣的數(shù)據，繪制應力-應變曲線（圖2）。

由圖2可知，在三種不同圍壓下，PVA對改良土強度提升均比較明顯。在圍壓相同時，素土樣的主應力之差最??；隨著PVA摻入含量增加，試樣的主應力之差呈先增大后減小趨勢，主應力之差峰值在PVA含量3%的位置。

在改良土強度提升方面，PVA溶于水后形成無色透明的溶液，具有較高的粘度，而且充分滲透進了土體的內部顆粒之間，不僅增加了土體顆粒的黏聚力，還填充了土樣的內部空隙，使土樣達到20%的變形時所需要的軸向壓力更大。

對于改良土主應力之差峰值，可認為，隨著PVA含量增加，土樣中的PVA濃度隨之增加，一方面，PVA溶液為非牛頓流體，使土樣中的水分子被裹挾；另一方面，PVA具有吸濕性，在PVA摻量達到4%時，土樣中更多的水分被PVA吸收，使得膨脹土顆粒間缺少足夠的水分子濕潤，制樣過程中改良土成模性和結構完整性都不如摻量為3%的土樣，所以在含水率、圍壓等外部條件相同時，主應力差的峰值在PVA含量3%的位置。

3.2 摻量影響

選取不同圍壓下相同PVA含量土樣與素土樣數(shù)據進行對比，繪制曲線（圖3）。隨著圍壓增加，土樣的峰值會隨之增大，在圍壓為300 kPa時，素土和不同PVA含量的土樣的峰值分別是575.2 kPa、667.5 kPa、741.8 kPa、875.5 kPa、798.8 kPa，比圍壓100 kPa時分別提高39%、36%、29%、32%、31%。

這是因為，土樣在固結狀態(tài)時，土樣內部的孔隙減小，孔隙中的孔隙水逐漸排出，孔壓逐漸降低，當固結完成，整個土樣處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時土樣內的PVA以一種凝膠狀態(tài)填充在土顆粒間，以此增加土顆粒間的黏聚力^[8]。隨圍壓提高，PVA和土顆粒之間接觸越密實，土樣內部的摩擦力和黏聚力就越高，對抗剪切破壞和變形的強度就越高?；谝陨?，當圍壓越高時，不同PVA含量土樣的強度都有明顯提高。根據不同圍壓下的土樣強度的變化，發(fā)現(xiàn)改良土受圍壓影響比素土小，強度變化幅度較小。

3.3 內摩擦角和黏聚力的變化

根據《土工試驗標準》在三個不同圍壓下，用相同含量PVA土樣的正應力和剪應力值，做出的莫爾應力圓，確定試驗土樣的抗剪強度的參數(shù)，即確定內摩擦角和黏聚力的大小，再對比不同摻量的PVA對黏聚力和內摩擦角的影響。具體結果見表3。

由上述圖表可知，內摩擦角的大小，隨著PVA含量的增加呈先增大后減小的趨勢，在PVA含量為3%時，內摩擦角最大，且此時黏聚力和PVA含量4%的土樣幾乎相同，另外相對于素土樣來說，PVA含量3%的土樣內摩擦角提高約130%，黏聚力提高約50%，即3%含量的PVA可以大幅度提高土樣的抗剪強度。

分析可知，在PVA含量為3%時，此時土樣中的PVA有效溶解程度最高，滲入土樣內部孔隙的溶液也最多，故主應力之差的峰值最大，內摩擦角也是最大。4%含量的PVA土樣中PVA含量最多，故黏聚力最大，但是由于土樣含水量的影響，PVA溶解并不充分，所以黏聚力和PVA含量3%的土樣幾乎相同。

4 結論

1）圍壓相同時，隨著PVA含量增大，改良土強度與內摩擦角呈先增大后減小的趨勢；黏聚力先增大后趨于穩(wěn)定。在相同圍壓下，當PVA含量為3%，膨脹土的主應力之差達到最大，3%為PVA的最佳含量。

2）摻量相同時，隨著圍壓提高，PVA含量0、1%、2%、3%、4%改良土條件下，圍壓300 kPa較圍壓100 kPa時，強度提高39%、36%、29%、32%、31%，表明改良土比素土更加穩(wěn)定。

3）PVA改良土對內摩擦角的影響大于對黏聚力的影響，可以大幅度提高抗剪強度。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 康靖宇，王保田，單熠博，等.水玻璃改良膨脹土的室內試驗研究[J].科學技術與工程，2019，19（05）：267-271.

[2] 王歡，任俊璽，凡超文，等.粉砂土摻量對膨脹土膨脹與力學特性的影響[J].地下空間與工程學報，2021，17（01）：172-178.

[3] 付靜.超細粉煤灰水泥改良膨脹土試驗研究[J].化學工程師，2021，35（05）：67-71.

[4] 莊心善，莊濤，陶高梁，等.磷尾礦改良膨脹土動變形與動強度特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（S1）：3032-3038.

[5] 杜靜，周東.微生物改良膨脹土的試驗研究[J].水利水電技術，2012，43（07）：103-105，87.

[6] 王麗娟，陶月贊，束兵.微生物對引江濟淮工程膨脹土改良效果室內試驗[J].西昌學院學報（自然科學版），2020，34（04）：41-43.

[7] 劉義新，王曉榮，李忻，等.聚乙烯醇對土壤理化性狀的影響[J].煙草科技，1996（06）：29-30.

[8] 余浩，余振錫.PVA纖維改良軟土的工程特性研究[J].水力發(fā)電，2021，47（07）：48-54.

[9] 趙福堂，常立君，張吾渝.基于溫度變化的路基鹽漬土動強度參數(shù)試驗研究[J].巖土工程學報，2019，41（S1）：217-220.

Experimental Research on Strength Performance of PVA

（Polyvinyl Alcohol） Improved Expansive Soil

WEN Wu， ZHUANG Xinshan， ZHAO Yiyang， NIE Quchen

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068，China）

Abstract：PVA （polyvinyl alcohol）， as a high molecular polymer， can use its strong cohesiveness to improve expansive soil， increase the strength of the modified soil and reduce its expansibility. Through the triaxial test， the effect of different PVA content on the properties of expansive soil was studied. The test found that when the confining pressure is the same， as the PVA content increases， the strength and internal friction angle of the modified soil increase first and then decrease; The force increases first and then stabilizes. Under the same confining pressure， when the PVA content is 3%， the difference between the principal stresses of the expansive soil reaches the maximum， and 3% is the optimal content of PVA. When the content of PVA is the same， when the PVA content is 0%， 1%， 2%， 3%， 4% modified soil， the confining pressure of 300KPa is compared with the confining pressure of 100KPa， the strength is increased by 39%， 36%， 29%， 32%， 31%.

Keywords：Expansive soil; PVA （polyvinyl alcohol）; stress-strain; shear strength

[責任編校：裴 琴]