生態(tài)復合改性黃土抗水蝕與強度特性試驗研究

王芮芮，項 偉,，王菁莪，瞿 洋

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學(武漢)教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

黃土具有大孔性、水敏性、濕陷性等特點，遇水后強度會大幅降低。在黃土高原地區(qū)修筑公路、鐵路等線性工程，高填深挖形成了大量的黃土裸露路塹邊坡，邊坡的開挖破壞了原有植被覆蓋層，在降雨條件下，會導致嚴重的水土流失現(xiàn)象，同時黃土特殊的性質(zhì)與濕陷性將對工程安全產(chǎn)生重大的影響[1]。因此，采用固化劑加固黃土邊坡，改善土壤的物理性質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為植被生長創(chuàng)造有利條件，具有重要的意義。

許多學者針對不同添加劑對黃土的改性進行了研究，并取得了很多的研究成果。如張麗萍[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，CONAID、LUKANG、EN-1和SSA4種土壤固化劑都能有效提高黃土的最大干密度、抗剪強度和抗?jié)B性，固化劑摻量、齡期、壓實度和含水率是影響固化土抗剪強度和抗?jié)B性的主要因素；賀智強等[3]研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鈣可以提高黃土的抗剪強度，改善其滲透性，并顯著增強黃土的水穩(wěn)定性；王紅肖等[4]研究發(fā)現(xiàn)，10%摻量以上SH改良黃土具有較高的強度，且浸水后不崩解、耐水性強；Indraratna等[5]通過研究木質(zhì)素磺酸鹽加固粉砂的侵蝕特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鹽可有效提高土體的抗侵蝕的性能；William等[6]使用聚合物纖維和水泥加固高含水率細粒土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固化土的力學性能有一定程度的提高。

已有研究發(fā)現(xiàn)，石灰、水泥等傳統(tǒng)無機材料，雖然可顯著提高黃土的力學強度，但改良后土體的離子交換能力和持水能力降低[7]，透水、透氣性差，且土體過高的pH值不利于植被生長，無法滿足黃土路基邊坡生態(tài)綠化的要求。而有機高分子類土壤固化劑具有施工方便、環(huán)保等特點，并且還可以為植物生長提供養(yǎng)料，因而受到廣泛關(guān)注。木質(zhì)素加固劑來源于造紙廠“黑液”，主要成分是一種基于木質(zhì)素的有機聚合物——木質(zhì)素磺酸鹽[8-10]，它不僅可以提高土體的抗水蝕能力，而且其中含有的木質(zhì)素對土體的水分與養(yǎng)分保持具有促進作用。SH高分子固化材料加固黃土可使其強度明顯提高、滲透系數(shù)減小、持水能力增強[11-13]。而少量的水泥不僅可以提高土體的強度，還能作為黏結(jié)劑，減少雨水沖刷造成木質(zhì)素磺酸鹽的浸出，增強邊坡長期的穩(wěn)定性。雖然針對SH固化劑與木質(zhì)素加固劑已有很多研究成果，但是將兩者與水泥復合使用加固土體，以滿足生態(tài)護坡要求的研究目前較少。因此，本文選取了SH固化劑、木質(zhì)素磺酸鈣和水泥三種加固材料，通過試驗探討了三種固化材料對固化土強度和抗水蝕性能的影響規(guī)律，并篩選出具有一定強度和抗水蝕能力,且適宜植物生長的固化土復合改性配方的最優(yōu)配比，為生態(tài)護坡工程中土壤的加固提供參考依據(jù)。同時，結(jié)合固化土的微觀結(jié)構(gòu)變化，研究了復合改性配方對固化土加固效果的影響機制。

1 材料與方法

1.1 試驗黃土

本次試驗使用的黃土取自陜西省子長縣西氣東輸工程附近，為Q3馬蘭黃土，其基本物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗黃土的基本物理性質(zhì)

1.2 固化劑材料

本次試驗選用的SH固化劑為蘭州大學研制的SH高分子水溶性液體固化材料,溶質(zhì)含量為5%，密度為1.09 g/cm3，親水能力強，無毒性、腐蝕性和刺激性。木質(zhì)素磺酸鈣(簡稱為木鈣)為天然木質(zhì)素的化學改性產(chǎn)品,易溶于水，分子式為C20H24CaO10S2,木質(zhì)素含量為50.0%～65.0%，水不溶物小于1.5%。水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.3 試驗土樣的制備

為了保證黃土加固后的效果，本文根據(jù)擊實試驗中所得到的最優(yōu)含水率16%和最大干密度1.7 g/cm3制備試驗土樣。本試驗?zāi)锯}與水泥的摻量是指固化劑質(zhì)量與干土質(zhì)量的百分比，由于SH固化劑是稀釋后加入土中，因此以SH固化劑質(zhì)量百分濃度來表征其摻入量(簡稱為SH濃度)。首先將所取的黃土風干碾散，過2 mm篩；然后將稱量好的木鈣加入土中，拌合均勻，將SH固化劑稀釋后，用噴霧器噴灑在土上，加水量比最優(yōu)含水率小3%，攪拌均勻后用保鮮膜密封并靜置24 h，以保證土樣充分浸潤；再在試件成型前1 h內(nèi)，加入預(yù)定摻量的水泥并攪拌均勻，并將預(yù)留的水(3.0%)加入土中，使混合土料達到最優(yōu)含水率[14]；最后成型的土樣在標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護7 d后進行試驗。

1.4 試驗方法

(1) 試驗土樣崩解試驗：采用靜壓法將試驗土樣制成直徑為61.8 mm、高度為40 mm的環(huán)刀樣，進行靜水崩解試驗。試驗儀器采用自制的崩解儀(見圖1)，盛放土樣的金屬網(wǎng)板網(wǎng)眼尺寸為1 cm×1 cm。土樣的崩解率按下式計算：

(1)

式中：At為土樣在t時刻的崩解率(%)；Ht為t時刻浮筒讀數(shù)；H0為試驗開始時浮筒讀數(shù);He為試驗結(jié)束時浮筒讀數(shù)。

圖1 崩解儀示意圖Fig.1 Sketch of disintegration tester

(2) 試驗土樣無側(cè)限抗壓強度的測定：無側(cè)限抗壓強度是反映固化材料對土體固化效果的重要指標。將固化土樣制備為直徑×高度為φ39.1 mm×80 mm的圓柱體試樣，采用STWCY-1型無側(cè)限壓力儀測定其抗壓強度。

(3) 試驗土樣掃描電鏡試驗：利用場發(fā)射掃描電鏡SU801低真空掃描電鏡觀察素土及固化土樣的微觀形態(tài)特征，并分析有無水化產(chǎn)物的生成與組成土結(jié)構(gòu)的骨架單元體排列方式。

(4) 試驗土樣酸堿度的測定：取無側(cè)限抗壓強度試驗后的少量土樣，按照土水比例為1∶5配制為土壤懸液，采用PHS-3C型精密pH計測其酸堿度。

2 不同固化材料黃土的加固效果

2.1 SH固化劑濃度對固化土水穩(wěn)定性的影響

不同SH固化劑濃度試驗土樣的崩解率曲線，見圖2。

圖2 不同SH固化劑濃度試驗土樣的崩解率曲線Fig.2 Disintegration rate curve of the samples with different SH concentrations

由圖2可見：試驗土樣的崩解過程可分為三個階段：第一階段(圖2中oa段)土樣的崩解比較緩慢，該階段主要為土樣吸水飽和階段，土顆粒呈散粒狀脫落，伴隨著氣泡的溢出，水分侵入土樣，因膠結(jié)強度不夠均勻，土樣沿著團粒之間的軟弱連接部分出現(xiàn)裂縫；第二階段(圖中ab段)為土樣快速崩解階段，該階段土樣內(nèi)各裂縫貫通，裂縫不斷擴大，沿著裂縫產(chǎn)生塊狀塌落，為土樣崩解過程的穩(wěn)定階段，其崩解率曲線的陡緩反映了土樣崩解的快慢，可表征土樣的平均崩解速率[15],土樣的崩解速率可按式(2)計算;第三階段(圖2中bc段)土樣的崩解緩慢，土樣僅剩較難崩解的小土塊，且土塊變得圓滑。

(2)

式中：vab為土樣在ta～tb時間段的崩解速率(min-1);Hb、Ha分別為土樣在b、a點對應(yīng)的崩解率(%)；tb、ta分別為b、a點對應(yīng)的崩解時間(min)。

SH固化試驗土樣與素土相比，其第一階段吸水飽和的時間變長，氣泡溢出速率變慢，減少了氣泡溢出時由于應(yīng)力集中造成的土樣破壞，且其崩解結(jié)束后殘留的團聚體增多。

不同SH固化劑濃度試驗土樣的崩解速率曲線，見圖3。

圖3 不同SH固化劑濃度試驗土樣的崩解速率曲線Fig.3 Disintegration velocity curve of the samples with different SH concentrations

由圖3可見：隨著SH固化劑濃度的增加，試驗土樣的崩解速率下降，其中2%SH固化劑濃度試驗土樣的崩解速率較素土下降了8.33%，SH固化劑濃度在2%至8%之間時，土樣的崩解速率下降緩慢，8%SH固化劑濃度以上試驗土樣的崩解速率下降加快，10%SH固化劑濃度土樣的崩解速率最小,其值為0.061 2 min-1，較素土下降了57.5%，經(jīng)過63 min，其崩解量僅為79.74%，說明10%SH固化劑濃度土樣抗水蝕性能較素土已有顯著提升。這是由于SH高分子鏈與黃土顆粒結(jié)合形成絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了土顆粒的親水性[11]。

2.2 木鈣摻量對固化土水穩(wěn)定性的影響

不同木鈣摻量試驗土樣的崩解率曲線，見圖4。

圖4 不同木鈣摻量試驗土樣的崩解率曲線Fig.4 Disintegration rate curve of the samples with different calcium lignosulfonate content

由圖4可見，隨著木鈣摻量的增加，試驗土樣的崩解率呈現(xiàn)下降的趨勢，其中木鈣摻量為4%時，土樣的崩解率下降明顯，僅為24.56%，但木鈣摻量為6%時，土樣的最終崩解率反而大于木鈣摻量為4%的。這可能是由于木鈣摻量較大時，木鈣吸附在黏土顆粒表面并進行締合，進一步加大了黏土顆粒之間的距離，使土顆粒不易團聚，造成土體崩解量反而增大[14]。

不同木鈣摻量試驗土樣的崩解速率曲線，見圖5。

圖5 不同木鈣摻量試驗土樣的崩解速率曲線Fig.5 Disintegration velocity curve of the samples with different calcium lignosulfonate content

由圖5可見，隨著木鈣摻量的增加，試驗土樣的崩解速率呈下降趨勢。其中，木鈣摻量為0.5%時，土樣的崩解速率較素土已有明顯下降，下降了47.9%；木鈣摻量為0.5%以上時，土樣的崩解速率下降變緩；木鈣摻量為4%時，土樣的崩解速率最低，其值為0.003 4 min-1；當木鈣摻量增加至6%時，土樣的崩解速率略微增大。說明4%木鈣摻量的試驗土樣加固效果已達最優(yōu)，且樣品表面可見包裹的連續(xù)絲狀薄膜，該薄膜將黃土顆粒膠結(jié)成整體，減緩了黃土顆粒間膠結(jié)物的溶解，提高了黃土的抗水蝕能力[15]。

2.3 水泥摻量對固化土水穩(wěn)定性的影響

不同水泥摻量試驗土樣的崩解特征見表2，素土和不同水泥摻量試驗土樣的崩解狀態(tài)見圖6和圖7。

表2 不同水泥摻量下試驗土樣的崩解特征

圖6 素土的崩解狀態(tài)Fig.6 Disintegration states of pure soil sample

由圖6可見，素土浸入水中即產(chǎn)生大量氣泡，30 min內(nèi)崩解完畢，崩解的碎屑物呈現(xiàn)粒狀。

圖7 不同水泥摻量試驗土樣浸水10 d后的 崩解狀態(tài)Fig.7 Disintegration states of samples with different cement content after soaking in water for 10 days

由表2和圖7可見，經(jīng)1%水泥改性的土樣，浸水30 min后土樣上表面邊緣處有裂紋展布，浸水10 d后土樣僅有少量塊狀脫落，主體結(jié)構(gòu)依然保持；經(jīng)2%水泥改性的土樣，浸水10 d后土樣上表面有細小裂紋展布；經(jīng)3%水泥改性的土樣，浸水10 d后土樣不崩解?？梢?，隨著水泥摻量的增加，改性黃土的完整性變好，1%水泥的摻入已使黃土的水穩(wěn)定性較素土獲得了顯著提升，這主要是由于水泥水化所產(chǎn)生的CSH凝膠物膠結(jié)了黃土顆粒。

3 固化材料的復合改性黃土正交試驗

3.1 復合改性黃土的正交試驗設(shè)計

為了探究三種固化材料之間的相互作用效果，利用正交試驗對固化材料的配方進行了研究?；趩螕皆囼?，木鈣摻量為0.5%時，試驗土樣的抗水蝕效果已獲得明顯提升，故將木鈣摻量設(shè)定在0.5%至2%之間。本次正交試驗采用三因素三水平試驗，適用的正交表為L9(33)，正交試驗因素水平表見表3。

表3 正交試驗因素水平表

3.2 正交試驗結(jié)果與分析

表4 正交試驗結(jié)果

由表4可知，R值越大，表明對應(yīng)的因素對固化土7 d無側(cè)限抗壓強度的影響越大；本試驗中影響固化土7 d無側(cè)限抗壓強度因素的主次關(guān)系為：水泥摻量>木鈣摻量>SH固化劑濃度。結(jié)合酸堿度試驗的結(jié)果，水泥摻量是主要影響固化土酸堿度的因素。植物一般能適應(yīng)的pH值大約是5～9[17]，綜合考慮材料成本、固化土的強度要求及pH值，選取A1B3C2的水平組合作為本試驗固化土合改性配方的最優(yōu)配比，即木鈣摻量為0.5%、SH固化劑濃度為4%、水泥摻量為2%。在該配比下，固化土的7 d無側(cè)限抗壓強度達到了2.43 MPa,能夠滿足護坡強度的要求，且該固化土試樣浸水一個月不崩解，水穩(wěn)定性良好。

4 固化劑的作用機理

利用SEM圖像可直觀地了解土樣的孔隙結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成的變化。素土和最優(yōu)配比(即0.5%木鈣、4%SH固化劑濃度、2%水泥摻量)下復合改性固化土在三種放大倍數(shù)下的SEM圖像，見圖8。

圖8 素土與復合改性固化土樣的SEM圖像Fig.8 SEM images of loess and composite modification loess

由圖8可見，素土樣骨架顆粒接觸處存在少量黏粒，膠結(jié)程度一般，結(jié)構(gòu)整體較疏松；復合改性固化土樣土顆粒呈團聚結(jié)構(gòu)和絮凝結(jié)構(gòu)，表面黏土化，土顆粒被黏粒包裹，可見較多呈棒狀、針狀的晶體附著在黏土顆粒表面或充填在孔隙中，土顆粒之間可見絲狀物聯(lián)結(jié)，它們將分散的土顆粒黏結(jié)在一起。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因推測為：水泥加入土體后，與水發(fā)生反應(yīng)，會生成CaO·2SiO2·3H2O、CaO·Al2O3·6H2O、CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O、Ca(OH)2等，產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠和針狀、短棒狀鈣礬石晶體[見圖8(c)中圓圈部分]可將分散的土顆粒黏結(jié)起來[18]，使土顆粒團聚化，鈣礬石晶體也可充填孔隙，從而增加了土體的強度，同時水化產(chǎn)物Ca(OH)2在溶液中析出的Ca2+與木鈣中的Ca2+能與土體顆粒表面吸附的K+、Na+離子發(fā)生離子交換作用，降低了黏土膠體的ξ電位，使土顆粒由親水性變?yōu)樵魉?，增強了土體的水穩(wěn)定性；木鈣加入土體中可產(chǎn)生絲狀物質(zhì)，增強土顆粒間的連接[見圖8(b)中圓圈]；SH固化劑并沒有與土顆粒發(fā)生化學反應(yīng)生成新的物質(zhì)，而是其分子鏈上的羧基、羥基等親水基團吸附在土顆粒表面，使得高分子鏈搭接土顆粒且高分子鏈間發(fā)生交聯(lián)，最終使整個土體成為一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強了土體的強度和水穩(wěn)定性[11]。

5 結(jié) 論

為了解決黃土大孔隙、水穩(wěn)定性差造成的黃土邊坡水蝕破壞嚴重的問題，本文提出采用水泥、木質(zhì)素磺酸鈣(木鈣)與SH固化劑生態(tài)復合改性加固黃土，以提高黃土的強度和水穩(wěn)定性，得到如下結(jié)論：

(1) 通過單摻試驗，初步確定了SH固化劑、木鈣、水泥對黃土抗水蝕性能的影響規(guī)律及摻量范圍。

(2) 利用正交試驗和酸堿度試驗，確定三種固化材料復合改性配方的最優(yōu)配比為：木鈣摻量0.5%、SH固化劑濃度4%、水泥摻量2%。在該配方下，固化土7 d無側(cè)限抗壓強度達到2.43 MPa，為黃土邊坡植被護坡改良的最優(yōu)配比。

(3) 利用掃描電鏡試驗，對比分析了復合改性前、后固化土的微觀形貌結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明：復合改性配方是通過水泥水化產(chǎn)物膠結(jié)土顆粒和填充孔隙作用，水化產(chǎn)物Ca(OH)2在溶液中析出的Ca2+與木鈣中的Ca2+能與黏土顆粒表面吸附的K+、Na+離子發(fā)生離子交換作用，以及SH高分子鏈搭接土顆粒且分子鏈間相互交聯(lián)，使土顆粒形成團聚結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為固化土的強度和抗水蝕性能提高。