李建东 王 旭 张延杰 蒋代军 刘德仁 马学宁 王景龙

(兰州交通大学土木工程学院, 兰州 730070)(兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室, 兰州 730070)

西北黄土颗粒均匀、压缩性大、胶结性弱,孔隙节理发育,属于典型粉土,经常表现出承载力小、压缩性大和水敏性复杂等众多工程问题[1],其直接作为工程填料时不能满足强度和变形要求,使得有关黄土加固与改良技术的研究受到科研人员广泛关注[2-3].离子固化剂因具有用量少、成本低、应用广、固化效果佳、施工简便快捷和节能环保等众多优点[2,4],被广泛应用于地基处理、路基填筑、粉尘控制、堆场和边坡稳定治理和渠道衬砌防渗等工程领域.

20世纪以来,各国岩土化学专家综合胶体化学、土壤化学和高分子材料学,从岩土工程化学反应机制和加固机理入手,不断研发出土建高分子化学材料,并对其固化机理和加固土工程特性进行了大量研究[4-8].Moloisane等[9]对磺化油改良土的固化机理和物理力学特性进行了研究.Zhao等[10]发现离子固化剂加固前后土颗粒表面的离子浓度发生了显著变化.Marto等[11]通过试验证明高分子土壤固化剂SS299可显著提高红土的无侧限抗压强度和剪切强度.Xiang等[12]发现离子固化剂可增大膨胀土的剪切强度,减小垂直收缩率和自由膨胀率.王银梅等[3]发现高分子SH固化黄土具有造价低、强度高、耐低温、能抗水等优点.仁童等[13]发现HP-1浆液可显著提高黄土的抗压强度和抗渗性.

近些年,我国工程技术人员引入多种土壤固化剂,对膨胀土、红土等特殊土的改良与加固进行了大量的研究,但对黄土的固化研究仍处于探索阶段.本文采用丙烯酸磺化聚合物F1离子固化剂,针对兰州黄土进行改性试验和加固机理探讨,以期为离子型土壤固化剂在黄土地区的应用与推广提供技术参考.

1 F1加固黄土机理探讨

F1固化剂为一种含有多种酸性表面活性剂的液体状磺化有机化合物,遇水时可快速离解出强阳离子化学物质,与黏土矿物表面的阴离子和极性水分子发生一系列物理化学反应,使固化土颗粒的带电性质和微观结构发生变化.

1.1 破坏双电层结构

黏土矿物表面通常带负电荷,其在静电引力驱使下与周围环境中的反号电荷形成双电层结构[14].F1遇水时迅速离子化,离解出强阳离子化学物质H3O+,即

(1)

(2)

H3O+可借助电性引力,与黏土颗粒表面吸附的阳离子和极性水分子发生交换,并中和空位阴离子,破坏黏粒表面的双电层结构,进而减弱由土壤孔隙吸力、表面张力和毛细管力引起的吸水作用,其作用机理见图1.

图1 F1破坏双电层示意图

1.2 强离子交换

土颗粒周围电解质溶液中的阳离子价数和水化度直接影响土壤胶体的ζ电位,高价阳离子可替换低价阳离子,较小水化半径(或较大非水化半径)阳离子具有更大的交换势能,使得土颗粒表面的离子交换反应与离子价位和水化半径息息相关[15].

土体中常见阳离子水化半径如表1所示.由表可知,H3O+的水化半径远小于其他阳离子,因此其可通过强离子交换作用,与土颗粒表面非水化半径较大的阳离子和联结较弱的极性水分子发生离子交换反应,改变黏土颗粒表面的离子类型和浓度,进而减薄双电层厚度,降低ζ电势,增大粒间吸引力,促进土颗粒聚集和凝结[2],使土体表现出相对惰性和稳定性.

表1 土体中常见阳离子水化半径

1.3 疏水作用

静电引力作用下,黏土矿物可与极性水分子形成正常温度和压力无法消除的化学键.F1遇水时离解出渗透压高、分子小、水化势强的阳离子电荷分子,使化学键重新组合,进而破坏双电层水膜结构,减小土颗粒间距和孔隙,使水分子更难进入土体.此外,F1离解的强阳离子电荷与磺化油链上氢键组成的“亲水头”,极易吸附于土粒表面,使C—C键组成的“疏水尾”向外背离土粒,包裹、连接土颗粒形成疏水油性层,阻隔黏土矿物与水的接触,降低土体的水敏性[2,16],减小吸附水膜厚度和颗粒间距.

2 F1加固黄土室内试验

2.1 试验材料

2.1.1 F1固化剂

F1为香港TerraSmart公司生产的一种无色或淡黄色有机聚合物.常温下F1化学性质稳定,气味浓烈,密度为1.35 g/cm3,其稀释水溶液绿色环保,本文选用稀释比为1∶200(体积比).

2.1.2 黄土物理参数

试验用土为第四纪兰州黄土,取土深度50～200 cm,粉粒和黏粒的质量分数分别为75.6%、16.8%,属粉质黏土,基本物性参数见表2.

表2 土体基本物性参数

2.1.3 F1对黄土基本物理性质的影响

由表2可知,加入F1后,黄土的塑限减小,液限和塑性指数增大,且最优含水率和最大干密度随F1掺量的增加,分别表现出先减小后增大和先增大后减小的变化规律,表明F1能使黄土的持水特性和击实特性发生显著变化.以F1掺量0.3 L/m3为例,其塑限和最优含水率分别减小了2.65%和7.22%,液限和最大干密度分别增大了7.92%和9.83%.其原因是表征土壤持水能力的塑限、液限参数,主要受土体孔隙率和比表面积等的影响[17].F1通过离子交换、破坏双电层结构和疏水作用,减小了土颗粒结合水膜厚度和颗粒间距[18],促进土颗粒絮凝团聚,使得F1固化黄土的孔隙率和比表面积减小,进而使土壤的塑限和最优含水率减小,液限和密实度增大.

2.2 CBR试验

CBR值反应土体抗压载能力,是评定路基填料潜在强度和稳定性的主要指标.依据《公路土工试验规程》[19],制备F1掺量分别为0、0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3的5组试样,每组试样分浸水和未浸水2种条件,每种条件制备3个试样,共计30个试样.对不同F1掺量固化黄土的CBR值和水稳性展开研究.

2.2.1 浸水条件下F1固化黄土CBR值分析

浸水4 d后,不同掺量F1固化黄土CBR值随击实次数的变化曲线如图2所示.

图2 F1固化黄土浸水CBR值随击实次数变化曲线

由图2可知,在黄土中掺加F1后,其CBR值随击实次数的增加而显著增大.当F1掺量分别为0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3,击实98次时,与天然黄土相比,其CBR值分别增大了3.03倍、3.97倍、3.49倍和3.37倍.其原因是F1通过离子交换和疏水作用,增强了土颗粒间的联结强度和水稳性,使其在压实作用下形成密实度更大、承载力更强的层状堆积结构,进而使固化土的CBR值大幅增大.

2.2.2 未浸水条件下F1固化黄土CBR值分析

未浸水条件下,不同掺量F1固化黄土的CBR值随击实次数的变化曲线如图3所示.

图3 F1固化黄土未浸水CBR值随击实次数变化曲线

由图3可知,F1和击实次数均能显著增大固化黄土承载强度.击实98次,F1掺量为0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3时,固化黄土的CBR值分别为天然黄土的1.62倍、2.25倍、1.81倍、1.73倍,增强作用明显.此外,在浸水和未浸水条件下,F1掺量为0.3 L/m3时固化黄土的CBR值最大,其为F1加固黄土的最佳掺量.其原因是F1掺量主要受土体黏粒含量和矿物成分影响,结合固化黄土最优含水率和最大干密度随F1掺量的变化规律可知,当F1掺量较小时,其加固作用未能充分发挥.当F1掺量较大时,F1离解出过多的强阳离子和磺化油,与土颗粒表面阳离子产生电荷斥力,使土颗粒间距增大,即在提高固化土水稳性的同时,增大了最优含水率,减小了最大干密度和压实特性,进而使固化土CBR值小幅减小.

2.3 F1加固黄土无侧限抗压强度试验

固化土的无侧限抗压强度与固化剂性质密切相关,反映了固化土的力学性能.依据规范[19],采用应变控制式三轴仪,对天然黄土和4种不同F1掺量的固化黄土试样开展无侧限抗压强度试验.试样尺寸为Φ39.1 mm×80 mm,采用静压法制样,压实度和含水率分别控制为95%、14%,试验结果见图4.

图4 F1掺量与固化黄土无侧限抗压强度关系曲线

由图4可知,天然黄土的无侧限抗压强度较小,随着F1掺量的增加,固化黄土的无侧限抗压强度先快速增大,后缓慢减小.当龄期为14 d,F1掺量为0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3时,固化黄土的无侧限抗压强度分别为天然黄土的1.27倍、1.43倍、1.32倍、1.28倍,可知F1能显著提高黄土的无侧限抗压强度.此外计算可知,当F1掺量为0.2、0.3、0.5、0.7 L/m3时,对应的1 d无侧限抗压强度分别为14 d的92.58%、92.09%、93.10%、94.37%,说明在黄土中掺加F1后,其无侧限抗压强度快速增大,龄期对其影响较小.

2.4 冻融循环对F1加固黄土抗剪强度的影响

抗冻融性能是评价固化土耐久性的重要指标.依据规范[19],设计冻融循环次数分别为0、5、10、15,对F1掺量为0.3 L/m3的固化黄土开展冻融循环试验.一次冻融循环包括2个阶段：冻结12 h和融化12 h.待冻融循环次数达到设计值后立即在应变控制式三轴仪上开展三轴不固结不排水试验,分析冻融循环对F1固化黄土力学强度的影响规律.对试验得出的黏聚力和内摩擦角,按下式分别计算不同冻融循环次数下F1固化黄土黏聚力和内摩擦角的变化率[20]：

(3)

(4)

图5 F1加固黄土抗剪强度参数与冻融循环次数的关系

3 F1加固黄土微观结构分析

3.1 F1固化黄土微观结构定性分析

对比固化前后土体的微观结构,可直观了解F1与黄土作用前后孔隙结构的变化,也从微观角度反映了固化土的宏观强度.如图6所示,利用IPP6.0微孔隙分析软件,对天然黄土和0.3 L/m3

(a) 天然黄土

掺量的F1固化黄土的电镜扫描照片进行处理,其中红色和灰色分别代表孔隙和土骨架结构.

由图6(a)可知,天然黄土中小孔隙发育,细碎颗粒以粒团堆叠结构随意排列,颗粒间多以点-面接触形式挤压拼接,形成复杂的架空孔隙结构.由图6(b)可知,加入F1固化剂后,固化黄土单元体结构上的胶结特征增强,土颗粒由细碎状絮凝为片聚和团聚状的大颗粒,结构单元间以面-面接触形式为主,从微观结构上反映出F1固化黄土颗粒间形成了排列紧密、絮凝团聚的层状堆叠结构,说明F1通过离子交换作用,改变了土颗粒间的连接方式,增强了粒间连接强度,提高了土体的密实度和承载力.

3.2 F1固化黄土的微观结构定量分析

核磁共振技术(NMR)可依据磁化后1H质子能量释放速度与其数量成正比的关系,得到岩土体孔隙流体的弛豫时间T2分布特征,计算出孔隙水的储存形态和占比,直观反映土体中的孔隙尺寸[21-22].本文使用纽迈MacroMR12-150H-I型低场核磁共振仪(见图7),对天然黄土和0.3 L/m3掺量的F1固化黄土的饱水试样进行测试,分析F1加固前后黄土微观孔隙的变化特征.

图7 低场核磁共振仪

借鉴土颗粒孔隙分类方法[23],将由核磁共振试验确定的土体微观孔隙依据孔径(d)大小划分为4类：微孔隙(d<0.01 μm)、小孔隙(0.01 μm4 μm),如图8所示,绘制土体孔径分布曲线.

图8 孔径分布曲线

由图8可知,F1加固前后土体的孔隙均以小孔隙和中等孔隙为主,大孔隙和微孔隙较少.掺加F1后,孔隙分布曲线的中间波峰峰值降低且向左移动,左右两侧的峰值轻微向左移动但高度基本保持不变,说明F1可大幅减少天然黄土中0.05～1.20 μm范围内的孔隙.此外,与天然黄土相比,中等孔隙和小孔隙分别从46.0%和21.5%减少至33.9%和15.8%,分别减少了26.3%和26.5%.其原因是F1固化剂可改变土颗粒间的接触和排列方式,促进土颗粒团聚,使中等孔隙转化为小孔隙,减小孔隙率,增大结构致密性[21],进而增大土体无侧限抗压强度和抗剪强度.

3.3 F1固化黄土孔隙分布分维数分析

分形几何理论可定量描述不规则、不均匀岩土颗粒体的孔隙分布规律.利用IPP6.0微孔隙分析软件提取天然黄土、0.3 L/m3F1固化黄土的微观孔隙等效面积和等效周长等参数,依据下式计算土体孔隙单元体形态分布分维数：

(5)

式中,P、A分别为孔隙等效周长、等效面积；D为孔隙形态分布分形维数；C为常数.绘制logP～logA双对数图[24],研究F1固化前后土体的微观孔隙分形特征.

由图9可知,天然黄土的微观孔隙分布分维数为1.244,加入F1后,分维数减小为1.076.其原因是分维数的大小表征土体微观孔隙的复杂程度,微观孔隙越不规则,分维数越大[24].F1能大幅减小土体孔隙总数和总面积,形成排列紧密、结构复杂程度较小的层状堆叠结构,使土体微观孔隙结构分布分维数减小.

(a) 天然黄土

3.4 F1固化黄土XRD测试结果分析

为探究F1处理前后加固黄土中矿物成分的变化情况,将天然黄土、0.3 L/m3掺量的F1固化黄土试样破碎、风干、研磨,并过0.075 mm筛,在MiniFlex600型X射线衍射仪上进行XRD测试.试验结束后以XRD数据为基础,使用MDI Jade软件分析矿物成分和矿物晶面间距[25],试验结果如图10和表3所示.

图10 天然黄土、0.3 L/m3 F1固化黄土XRD测试图

表3 土样的矿物晶面间距

由图10可知,F1加固前后试样的主要矿物成分仍是石英、方解石、钠长石、白云石、斜绿泥石和白云母粉,没新物质生成.提取入射角为20°、40°、60°时不同土体的矿物晶面间距,见表3.可知无论在低角还是高角区域,入射角相同时,F1固化黄土试样的晶面间距均小于未加固试样,从微观角度说明F1可减小颗粒间距,提高土体密实度.

4 结论

1) F1固化剂可通过强阳离子交换作用,破坏黏土颗粒表面的双电层结构,减薄结合水膜厚度,减小颗粒间距,促进土颗粒絮凝团聚.并借助磺化油的疏水性,减小土体塑限,增大液限、塑性指数和最大干密度,显著改善土体的水敏性和击实特性.

2) F1固化剂可显著增大土体CBR值和无侧限抗压强度,有效抑制其浸水膨胀变形.试验证明0.3 L/m3是其加固黄土的最佳掺量.当F1掺量为0.3 L/m3时,与天然黄土相比,浸水和未浸水CBR强度分别增大了3.97倍和2.25倍,无侧限抗压强度提高了1.43倍,冻融循环15次时仍可提高黄土的抗剪强度参数.

3) F1减小了矿物晶面间距,改变了粒间接触方式,将孔隙结构分布分维数由1.244减小为1.076,大幅减小了土体孔隙总面积和总孔隙数.并将黄土颗粒由细碎状絮凝为片聚和团聚状的大颗粒,增强密实度和承载力.F1具有成本低、节能环保、施工简便快捷等传统固化剂不具备的众多优点,在填土工程中有广阔的应用前景.