雙聚材料改良黃土持水性及生態(tài)效應(yīng)研究

朱利君，裴向軍，張曉超，任 童，楊晴雯

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

黃土在我國西北及華北等地區(qū)占地面積約6.4×105km2，其中濕陷性黃土占地面積達(dá)3.1×105km2，約占該地域黃土面積的50%。黃土脫敏一直是西北地區(qū)地基和建筑處理的重點和難點。黃土中有大量孔隙，這是其區(qū)別于其他土類的主要特征之一[1]。由于過去大面積使用無機膠凝材料加固黃土，引發(fā)土體結(jié)構(gòu)性破壞和當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染，導(dǎo)致后期處理成本高昂。為此，環(huán)境友好型固化劑成為研究熱點。目前新型化學(xué)加固材料的研究和應(yīng)用有很多，楊博瀚等[2-3]通過改性聚丙烯纖維和水泥對黃土進(jìn)行改良，并探究了其對加固土力學(xué)性能的影響。唐朝生等[4]對聚丙烯纖維加固軟土進(jìn)行了力學(xué)性能研究。劉瑾等[5]以丙烯酸單體為主體合成了一種新型高分子材料，并對其加固機理進(jìn)行了探討。諶文武等[6-7]、王銀梅等[8-10]、周瑾等[11]自主研發(fā)了新型高分子材料SH，并將其應(yīng)用于改良黃土，對其加固黃土的力學(xué)性能、滲透性等工程性質(zhì)以及采用物理模擬實驗對加固土抗沖蝕性進(jìn)行了研究。裴向軍等[12-17]研發(fā)出新型高分子材料，將其應(yīng)用于沙土、碎石土和黃土加固中，對其水穩(wěn)性、滲透性及抗壓抗剪強度等進(jìn)行了研究；同時該材料已經(jīng)用于土質(zhì)邊坡現(xiàn)場加固工程實踐中，如我國西藏雅江邊坡水土流失、若爾蓋草原生態(tài)受損和延安革命老區(qū)邊坡剝蝕等。但目前關(guān)于雙聚材料的研究多集中在物理力學(xué)性能以及邊坡土壤侵蝕變形特征上，較少討論其持水性能與生態(tài)效應(yīng)以及其與微觀結(jié)構(gòu)的響應(yīng)關(guān)系。

本文主要針對本課題組自主研發(fā)的新型高分子材料(雙聚材料)應(yīng)用于加固重塑黃土，采用靜水崩解試驗、變水頭滲透試驗、土水特征曲線試驗以及植物生長生理指標(biāo)測試等對加固土的持水性及生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行探討。結(jié)合XRD礦物成分分析、掃描電鏡試驗、壓汞試驗等微觀分析，探討加固黃土持水性、生態(tài)效應(yīng)以及微觀特征的響應(yīng)關(guān)系，探求材料加固黃土的內(nèi)在機制。

1 改良黃土的試驗設(shè)計

1.1 加固材料

加固材料由兩種高分子材料和兩種無機助劑交聯(lián)聚合而成，其中A、D是無機助劑，B、C是高分子材料，其物理性質(zhì)和聚合物交聯(lián)方式見表1和圖1。

表1 試驗用材料性質(zhì)

圖1 聚合物交聯(lián)方式示意圖Fig.1 Schematic diagram showing polymer cross-linking

1.2 試樣制備

圖2 顆粒分析曲線Fig.2 particle analysis curve

土樣取自延安安塞南溝，顆分曲線見圖2，其黏粒含量小于20%，以粉粒為主，屬于粉質(zhì)黏土(代號N)。土樣的其他性質(zhì)見表2。首先將取回的土樣風(fēng)干碾碎，過2 mm篩，篩去大塊礫石以及其他雜質(zhì)。而后將濃度為0%、0.10%、0.22%和0.34%的雙聚材料溶液分別與土按1∶5的比例拌和，混合后密封24 h，以1.45 g/cm3(試樣的密度和含水率均是參照雙聚材料加固土的最大干密度的90%和最優(yōu)含水率設(shè)計)按規(guī)定的方法填充到標(biāo)準(zhǔn)模具中，采用千斤頂靜壓法一次靜壓成型，削平試驗兩端并脫模。崩解性試驗和土水特征曲線試驗采用的是直徑61.9 mm、高20 mm的試樣，滲透性測試試樣直徑61.9 mm、高40 mm。

表2 黃土的物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 試驗和數(shù)據(jù)分析方法

濕化崩解試驗是將土樣放在特質(zhì)的鏤空網(wǎng)籃內(nèi)，網(wǎng)籃懸掛在水中，上部吊有彈簧測力計。通過計算彈簧測力計的變化值探討48 h內(nèi)不同摻量固化土隨時間變化的吸水和崩解特性。48 h后將籃中殘余的土體取出，采用100 ℃烘箱烘干，稱取質(zhì)量為m1，同時考慮土樣的吸水性或崩解性，提出計算公式：

Nt=(at-87)/87

(1)

Nk=m1/87

(2)

式中：N——雙聚材料加固土吸水或崩解率，當(dāng)N>0時表示吸水，N<0時表示崩解；

Nk——耐吸水或崩解系數(shù)，當(dāng)Nk>0時表示吸水，Nk<0時表示崩解。

滲透試驗和直剪試驗成型試樣自然風(fēng)干后按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[18]進(jìn)行。

土水特征曲線試驗采用地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室的壓力板儀進(jìn)行。將成型試樣自然風(fēng)干后抽真空飽和，將飽和試樣安置于密封容器中，下置陶土板，分級加壓，每級壓力下樣品排水恒定后加下一級，測算每一級壓力下試樣排水量。直至最后一級壓力，穩(wěn)定后取出試樣，測定樣品含水量和干質(zhì)量，以此類推，得到土壤特征曲線。

生態(tài)效應(yīng)測試主要是將不同摻量的材料進(jìn)行植草養(yǎng)護(hù)，于24 ℃恒溫、60%濕度人工培養(yǎng)室培養(yǎng)，至一定時間后對其生長指標(biāo)和生理指標(biāo)進(jìn)行測試。

XRD試驗采用理學(xué)DMAX-3C衍射儀進(jìn)行。取加固前后成型試樣自然風(fēng)干樣品50 g，過0.15 mm篩后研磨成粉末(320 目粒度)，然后把樣品粉末制成有平整平面試片進(jìn)行觀測。

SEM微觀結(jié)構(gòu)測試采用成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室的掃描電鏡設(shè)備進(jìn)行。將成型試樣掰成小塊，用吸球把表面的擾動顆粒除去，獲得新鮮完整且保持原狀結(jié)構(gòu)的天然斷口，自然風(fēng)干后研磨成10 mm×10 mm×3 mm的方塊，在試樣表面噴鍍導(dǎo)電金屬薄膜后進(jìn)行鏡下觀察。

壓汞實驗采用的是micrometritics AutoPore Ⅳ 9500 V 1.09號儀器。將成型的樣品放入儀器，通過不同壓力將汞壓入土體孔隙中，根據(jù)不同壓力和進(jìn)汞量繪制孔隙含量與孔隙直徑的關(guān)系曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜水崩解試驗

天然粉質(zhì)黏土重塑試樣放入水中后不久完全崩解，呈散沙狀，并且由于粉粒和黏粒在水中分散，杯中水變得渾濁(圖3a)。而雙聚材料加固土隨著濃度的增加，其崩解破壞程度減弱，水中懸浮粒驟減，土樣從在水中大面積開裂(圖3b)發(fā)展為少面積開裂(圖3c)最終向不崩解(圖3d)發(fā)展。

圖3 崩解測試土樣Fig.3 Schematic diagram showing the disintegration test soil sample

根據(jù)式(1)～(2)計算得出的結(jié)果，在雙聚材料摻量為0%、0.10%、0.16%、0.22%、0.28%和0.34%時加固土的耐崩解系數(shù)分別為0，0，0，0.089，0.603和0.905，試樣的耐崩解能力隨著雙聚材料摻量的增加而增加。結(jié)合圖4的崩解過程曲線，在靜水崩解試驗過程中，隨雙聚材料摻量的增加土樣吸水的時間和達(dá)到同等崩解狀態(tài)下的時間都得到延長，并且隨著材料摻量的增加吸水能力逐漸增強。重塑黃土隨著材料的摻加耐崩解性和吸水性明顯提高。

圖4 不同材料摻量崩解率測試Fig.4 Disintegration rate test of different materials注：y軸數(shù)值大于0表示吸水率，小于0表示崩解率。

2.2 變水頭滲透系數(shù)

影響土滲透系數(shù)的因素可分為兩方面，土骨架和流體性質(zhì)，雙聚材料對黃土系數(shù)的影響主要是對土骨架的影響。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[18]中的計算方法，計算不同材料摻量下土樣的變水頭滲透系數(shù)結(jié)果，見表3。

表3 不同材料摻量下的滲透系數(shù)

由表3可知，隨著材料摻量的增加，土樣的滲透系數(shù)逐級遞減，但都在10-5這個量級內(nèi)。將滲透試驗后的雙聚材料改良重塑樣(0.34%)取出，并切開，式樣內(nèi)部含水率差異出現(xiàn)顏色分區(qū)，深色表示含水率高，淺色反之。結(jié)果表明雙聚材料能夠極大減緩水分滲入，同等條件下吸力會增加，孔隙水壓力減小，水穩(wěn)定性提高。

2.3 土水特征曲線分析

土水特征曲線的實質(zhì)是土骨架的親水性。其決定因素為土顆粒組成和土骨架的密實程度。采用Van Genuchten模型作擬合曲線對比圖(圖5)，從土與水的相互作用方面考量，將兩種土樣的脫濕曲線分為3部分，三個區(qū)段分別表征重力、毛細(xì)力和熱力驅(qū)動下運動的重力水、毛細(xì)水和結(jié)合水。

達(dá)到進(jìn)氣值之前，土體處于飽和狀態(tài)，受重力驅(qū)動下的自由水排出(圖5中區(qū)域①)，由曲線可知，較小的含水率變化就能使基質(zhì)吸力快速增加，這是土體從飽和狀態(tài)向非飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這個階段兩條曲線基本一致，但固化黃土的飽和含水率高于未固化黃土，說明材料的摻加對土中水分的影響主要是毛細(xì)水和結(jié)合水。達(dá)到進(jìn)氣值后，隨著吸力的增大，重力作用被抵消，毛細(xì)力代替重力作用抵抗外力，降濕率能表征土體內(nèi)部毛細(xì)力抵抗外力的重要指標(biāo)，加固土的降濕率為-0.31，未加固土的降濕率為-0.74，加固土的降濕率明顯大于未加固土，即斜率明顯更小(圖5中區(qū)域②)。隨著吸力的增加，固化土中的毛細(xì)水更難排出，毛細(xì)力作用更強。最后隨著基質(zhì)吸力的增加，曲線進(jìn)入第三階段，體積含水率隨基質(zhì)吸力變化較小，這一部分的水分主要是與土顆粒結(jié)合更加緊密的結(jié)合水(圖5中區(qū)域③)，需要其它力如熱力驅(qū)動才能流失，而加固土的殘余含水率遠(yuǎn)大于未加固土。

圖5 Van Genuchten模型擬合曲線對比圖[19-21]Fig.5 Comparison of the Van Genuchten model fitting curves[19-21]注：圖中①區(qū)域表示重力水失水區(qū)；②區(qū)域表示毛細(xì)水失水區(qū)；③區(qū)域表示結(jié)合水失水區(qū)。

經(jīng)雙聚材料固化后的黃土具有更強的持水性能，表征為水穩(wěn)性增強，飽和含水率增大，滲透系數(shù)減小等。

2.4 盆栽試驗結(jié)果分析

采用西北地區(qū)較為常見的紫花苜蓿研究材料應(yīng)用于土壤的生態(tài)效應(yīng)。由于植物生長速率較慢，以下指標(biāo)測試及分析均是播種30 d后開始。

2.4.1生長指標(biāo)對比分析

觀測從播種之日起算，0～30 d花盆中植物的株高、葉寬和分葉數(shù)都相近，圖6是培育至第30 天幾種不同材料摻量下植株情況對比，相比非固化土，加固黃土培養(yǎng)的植被更加茂密，但材料摻量導(dǎo)致的植株長勢差異并不明顯。

在植被培育至30 d時，對其生長指標(biāo)如根冠比及根長等進(jìn)行分析。

由表4和圖6可知，隨著材料摻量的增加，根長和根冠比都呈增長趨勢，其中0.34 %的根長最長，為12.47 cm。根的長度和數(shù)量被認(rèn)為是抗旱的一個重要特征[22]，說明材料的摻加能有效提高植株的抗旱能力，由生理指標(biāo)測試進(jìn)行進(jìn)一步論證。

2.4.2生理指標(biāo)對比分析

SOD是細(xì)胞膜系統(tǒng)的重要保護(hù)酶之一，它具有消除自由基、降低膜脂過氧化及維持細(xì)胞穩(wěn)定性的功能。其值越低越說明植株具有更好的抗干旱能力[23]。

表4 生長指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖6 植株根莖生長情況圖Fig.6 Diagram showing plant roots growth

由圖7可知，隨著干旱天數(shù)的增加，所有材料摻量固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值都呈增長勢。干旱脅迫前，SOD值隨材料摻量增量增大，但差異不大，其中空白對照組為335.83 U/(g·FW)，摻量為0.34%的固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值為362.76 U/(g·FW)。

圖7 SOD活性變化曲線圖Fig.7 SOD activity curve

隨著時間的推移，材料摻量的差異引起的SOD值受干旱脅迫影響的差異逐漸拉大。至第13天，空白對照組的SOD值為638.44 U/(g·FW)，材料摻量為0.34%的固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值為498.85 U/(g·FW)，其他兩個摻量在兩者之間。

研究表明材料的摻加能有效抑制干旱脅迫對植株活性酶的影響，植物在干旱脅迫時受到較小的傷害，具有更好的抗逆性。

3 機理研究

3.1 礦物成分分析

根據(jù)XRD礦物能譜分析結(jié)果可知，雙聚材料加固前后其XRD衍射曲線基本吻合(圖8)，加固土的衍射曲線沒有新峰產(chǎn)生，說明沒有產(chǎn)生新物相，主要成分為石英、長石和方解石等。雙聚材料與土顆粒間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的化合物。

圖8 礦物能譜分析圖Fig.8 Analysis of mineral energy spectrum

從土壤和雙聚材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，黃土的主要組成石英(SiO2)是一種表面粗糙的極性分子，水分子與其因相似的電子云結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生耦合，在少量含水率情況下能成型并且具有較高的強度。但是隨著含水率的增加，黃土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的黏聚力不足，粉粒和黏粒分界，土骨架分散。土體在水中強度的產(chǎn)生和消失都與毛細(xì)力的產(chǎn)生和消失有關(guān)。一方面，雙聚材料組分C中含有大量的親水基團(tuán)羧基(—COOH)和羥基(—OH),這些基團(tuán)能夠吸附于顆粒表面形成一層保護(hù)膜，減緩了土顆粒與水分子直接接觸破壞顆粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強其耐崩解性。另一方面，組分B中含有大量的長鏈分子，側(cè)鏈上聚集大量極性活性集團(tuán)酰胺基(—CONH2)，基團(tuán)通過氫鍵、范德華力、靜電引力等方式作用于土顆粒表面，在顆粒與顆粒之間形成架橋作用。這是加固黃土在水中能保持試樣完整以及水面清澈的化學(xué)機理。

3.2 加固土孔隙分布分析

從不同材料摻量土樣的壓汞實驗曲線以及孔隙結(jié)構(gòu)特征可以發(fā)現(xiàn)：重塑黃土在加入不同摻量的雙聚材料后，孔隙率和孔隙體積不同程度的減小，最可幾孔徑(指的是孔分布曲線中峰最高處所對應(yīng)的孔徑，即孔出現(xiàn)概率最大的孔)減小；D50(總進(jìn)汞量50%時對應(yīng)的入孔孔徑)減小，表征隨著材料摻量增加，小孔隙占比增大；分形維數(shù)減小，表面孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)變的更為簡單，形成一個整體，粗糙程度更低，顆粒間黏成一個整體，不利于摩擦力的發(fā)揮。

孔隙分類采用的是雷祥義[1]的分類方法。由圖9和表5可知，隨著材料摻量的增加，土壤內(nèi)部孔隙分布發(fā)生了變化，總體表現(xiàn)為大于32 μm范圍內(nèi)的大孔隙在一定程度上數(shù)量增加，8～32 μm范圍內(nèi)的中孔隙數(shù)量減少。說明在有機材料作用下，土顆粒的粒度成分、顆粒形狀、結(jié)構(gòu)排列發(fā)生改變。推測是由于原來土體中的小顆粒膠結(jié)在一起組成較大的顆粒，導(dǎo)致細(xì)小顆粒間的中孔隙一部分轉(zhuǎn)化為大孔隙，一部分轉(zhuǎn)化為小孔隙和微孔隙。

表5 土樣孔結(jié)構(gòu)特征值

圖9 不同材料摻量孔隙累計曲線和分布曲線Fig.9 Cumulative curve and distribution curve of pore volurne of different materials

圖10 電鏡掃描對比圖Fig.10 SEM scan comparison

3.3 加固土微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步論證壓汞實驗的推論，對加固前后土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從孔隙分布的角度分析，可以發(fā)現(xiàn)放大至250倍的非加固土樣孔隙結(jié)構(gòu)分布較為均勻，幾乎不見大顆粒存在(圖10a)，相比未加固土，可發(fā)現(xiàn)加固土土樣內(nèi)部孔隙分布不均勻，大孔隙和小孔隙都明顯增多，顆粒有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象(圖10b)。與壓汞實驗獲取結(jié)果一致。

從結(jié)構(gòu)的角度分析，將范圍縮小，放大至1 000倍，可以發(fā)現(xiàn)非加固土顆粒界線明晰，分布均勻，連通性較差(圖10c)。加固土顆粒表面附著大量膠結(jié)物質(zhì)，包裹在顆粒表面，形成團(tuán)聚粒。團(tuán)聚粒與團(tuán)聚粒之間，團(tuán)聚粒與大顆粒之間又能形成架橋連結(jié)，使得團(tuán)聚粒發(fā)展成結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、粒徑更大的團(tuán)聚體(圖10d)。

3.4 加固土機理分析

在微觀上，天然重塑黃土顆粒較為分散，粒間邊界明細(xì)，能見明顯棱角(圖10a、c)，但是雙聚材料加固土在同等放大條件下大量團(tuán)聚，有顆粒與顆粒之間團(tuán)聚，有團(tuán)聚粒與團(tuán)聚粒之間橋接，顆粒界線模糊，表面類似有大量包裹和膠結(jié)存在(圖10b、d)。這就導(dǎo)致原本中孔隙較多的天然重塑黃土中的中等顆粒一方面向小孔隙轉(zhuǎn)換，另一方面向大孔隙轉(zhuǎn)化。這主要是由于雙聚材料C組分中大量富含的羧基和羥基，在土壤表面阻隔了顆粒與水分子的直接接觸，將黏粒、粉粒等鎖入團(tuán)聚粒中，增強其耐崩解能力。另一方面，B組分側(cè)鏈中大量富集活性酰胺基與土顆粒通過氫鍵、范德華力和靜電引力等方式吸附顆粒，使得粒間界線愈加模糊。

在宏觀上，當(dāng)材料濃度較高(不低于0.34%)時，改良土黏聚性顯著增強，進(jìn)而提高土壤耐水崩解能力，在水中浸泡48 d仍能保持試樣完整，顯著提高抗侵蝕性能；滲透試驗中表征為滲透系數(shù)減小，切開土樣發(fā)現(xiàn)土樣內(nèi)部顏色不均，外圈層濕度遠(yuǎn)大于內(nèi)圈層，由于阻水分子羧基和羥基大量附著土顆粒表面，水分難以直接接觸土壤，層層阻隔使得直接滲透難以實現(xiàn)；土水特征曲線試驗中，材料對土樣的影響主要體現(xiàn)在毛細(xì)水排出更困難，這是阻隔水分子進(jìn)入孔隙分散顆粒的結(jié)果。

因此將雙聚材料與土顆粒作用關(guān)系歸為3種：(1)材料對顆粒外部包裹作用；(2)土顆粒與土顆粒間橋接作用；(3)團(tuán)聚粒與團(tuán)聚粒間吸附與包裹作用。基于此，參照Volikov等[24]，楊晴雯等[25]提出的土壤團(tuán)聚膠結(jié)模型，在此提出了雙聚材料改良重塑黃土的結(jié)構(gòu)模型，見圖11。

圖11 雙聚加固機理示意圖Fig.11 Schematic diagram of the double-polymerization reinforcement

4 結(jié)論

本文采用雙聚材料對黃土進(jìn)行改良，開展了崩解試驗、常水頭滲透試驗、土水特征曲線試驗和植物生長生理指標(biāo)測試，并結(jié)合微觀分析深入探討改良機理，得出結(jié)論如下：

(1)少量雙聚材料的摻加就能大大改善黃土遇水崩解問題，在摻量達(dá)到0.28%時基本不崩解。

(2)經(jīng)雙聚材料固化后的黃土具有更強的持水性能，表現(xiàn)為滲透系數(shù)減小、飽和含水率增大、毛細(xì)水更難排出。

(3)結(jié)合植被培育生長和生理指標(biāo)測試，表明雙聚材料的增加對植物根冠和根系生長有促進(jìn)作用，有效提高了植物抗旱能力。

(4)雙聚材料中富集大量的極性活性基團(tuán)酰胺基(—CONH2)吸附架橋使得土顆粒團(tuán)聚，而羧基(—OH)和羧基(—COOH)附著于表面形成保護(hù)膜，由團(tuán)聚粒發(fā)展至團(tuán)聚體層層包裹促進(jìn)土體穩(wěn)定。

由于少量的材料摻量就能引起改良土的性質(zhì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，摻量只做到了0.34 %，為了進(jìn)一步研究其作用規(guī)律，后續(xù)研究可考慮增大濃度變化梯度，對總體規(guī)律作進(jìn)一步把控。