郭云峰

(福建省地質(zhì)工程勘察院/國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

我國(guó)南方廣泛分布的花崗巖基底容易形成較厚的殘積土層，這種殘積土層顆粒粒徑和孔隙分布極不均勻，含有大量的石英及Si-Al礦物，有機(jī)質(zhì)含量低，浸水后水膜斥力和吸力失衡，土層易軟化崩解[1].尤其在我國(guó)南方豐沛的降雨作用下，這類土層區(qū)域極易發(fā)生大范圍的崩塌、水土流失，學(xué)者稱之為崩崗[2].也有部分學(xué)者認(rèn)為土體中礦物的溶解也是誘發(fā)崩解的主要原因[3].由于殘積土有機(jī)質(zhì)含量低，保水性差，植被覆蓋率較低，一旦表土層發(fā)生破壞，雨水侵蝕范圍將持續(xù)發(fā)展，很難進(jìn)行自我生態(tài)修復(fù)[4]，最終形成大范圍的崩崗侵蝕區(qū).

有學(xué)者提出先用無(wú)污染高分子固化劑固化表層砂土[5-6]，再結(jié)合植被生態(tài)修復(fù)的崩崗治理方法，但目前該方法尚不成熟.土體固化修復(fù)的本質(zhì)是提高土體的水穩(wěn)性和強(qiáng)度，從而達(dá)到減少或防止侵蝕破壞的目的.常用的固化劑包括聚丙烯酰胺(PAM)[7]、改性木質(zhì)素[8]、粉煤灰[9]、水泥等，上述產(chǎn)品在沙漠固化[10]、路基固化[11]領(lǐng)域已經(jīng)取得一定成果，但在治理崩崗區(qū)土體崩解的應(yīng)用較少，該應(yīng)用的固化作用機(jī)理也缺乏充分的理論支撐.

本試驗(yàn)選取PAM固化劑和改性木質(zhì)素固化劑為主要研究對(duì)象，通過(guò)崩解試驗(yàn)對(duì)比上述兩種固化劑對(duì)崩崗區(qū)殘積土崩解性的抑制效果，并通過(guò)掃描電鏡(scanningelectron micrograph, SEM)測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)二者的固化機(jī)理開(kāi)展研究.旨在為固化劑治理崩崗研究提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 固化劑材料 試驗(yàn)所用的木質(zhì)素固化劑和聚丙烯酰胺(PAM)固化劑材料分別是以改性木質(zhì)素固化劑和聚丙烯酰胺為主劑，粉煤灰為輔劑，按3∶1比例加水調(diào)制，形成試驗(yàn)用固化劑(以下統(tǒng)稱為木質(zhì)素固化劑和PAM固化劑).

木質(zhì)素固化劑采用的是從紙漿廢液中提取的木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酸或丙烯酰胺單體在pH=3的酸性條件下接枝共聚反應(yīng)得到的固化劑.改性后的木質(zhì)素固化劑無(wú)毒無(wú)害，可生物降解，在一定程度上解決了紙漿廢液的污染問(wèn)題，是一種具有較高運(yùn)用前景的土壤固化劑[12].

PAM采用的是高純度的陰離子型聚丙烯酰胺.PAM具有提高土壤理化性質(zhì)，提高土壤抗侵蝕能力的性質(zhì).低毒的PAM單體丙烯酰胺及其水解體不刺激皮膚，土壤中的PAM在各種物理化學(xué)作用下會(huì)逐漸降解， 殘留較少，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生副作用[10].

1.1.2 土體材料 試驗(yàn)所用的土體材料采自福建省安溪縣官橋鎮(zhèn)崩崗區(qū)，為花崗巖殘積礫質(zhì)黏性土(殘積土).以人工開(kāi)挖方式采取地面1 m以下的原狀砂土層樣本，避免表層風(fēng)化侵蝕、人工活動(dòng)以及植被根系的影響.該砂土層土樣是官橋花崗巖殘積土中水土流失最為嚴(yán)重的土體，具有典型性和代表性.土體基本特征如表1所示，顆粒級(jí)配特征如圖1所示.

表1 花崗巖殘積土參數(shù)Table 1 Parameters of granite residual soil

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 試樣土體顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of sample soil

1.2.1 崩解試驗(yàn) 崩解試驗(yàn)主要反映土體在浸水狀態(tài)下的水穩(wěn)性.良好的水穩(wěn)性是土體抵抗水蝕崩解作用的基礎(chǔ)，也是固化劑在長(zhǎng)期水蝕作用下耐久性的體現(xiàn).本試驗(yàn)于室內(nèi)進(jìn)行，每種試樣進(jìn)行10次試驗(yàn)，另設(shè)未添加固化劑的原狀殘積土試樣和粉土作為對(duì)照組，最后對(duì)10次試驗(yàn)進(jìn)行線性5次多項(xiàng)式線性擬合，獲取平均崩解過(guò)程.崩解試驗(yàn)分為以下幾步：

①通過(guò)環(huán)刀采取崩壁表層土體樣本，制作成直徑63.5 mm，高度80 mm的圓柱型土體試樣.按試樣質(zhì)量1.4%的比例噴灑固化劑產(chǎn)品[13]，在20 ℃左右的常溫下養(yǎng)護(hù)28 d，制成崩解試驗(yàn)試樣.

②將4種試樣分別放置于2 mm的網(wǎng)格篩上，再把網(wǎng)格篩掛于稱量裝置下方.將吊掛的網(wǎng)格篩迅速放入注滿水的玻璃水槽內(nèi)(圖2)，立即記錄其初始重量.

③試驗(yàn)過(guò)程中，前30 min每3 min記錄一組稱量裝置讀數(shù)，30 min后每30 min記錄一次讀數(shù)，5 h后每1 h記錄一次數(shù)據(jù)，試驗(yàn)以崩解速率<0.1%·min-1為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn).

④崩解率無(wú)量綱參數(shù)，可按下式計(jì)算：

At=R0-RfR0×100%

(1)

圖2 崩解試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Diagram of disintegration device

式中，At表示試樣在時(shí)間t時(shí)的崩解量(%)，R0表示試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)稱量裝置的穩(wěn)定讀數(shù)(cm)，Rt表示試樣在時(shí)間t時(shí)浮筒齊水面處的刻度讀數(shù)(cm).

1.2.2 微觀測(cè)試及分析方法 在崩解試驗(yàn)試樣的基礎(chǔ)上，進(jìn)行崩解前后的SEM測(cè)試分析，SEM的試樣制作參考徐穎[14]的方法.為了更有效地定量化分析，孔隙率統(tǒng)計(jì)和分形理論分析方法如下：

孔隙率統(tǒng)計(jì)主要將SEM圖像進(jìn)行二值化處理，公式如下：

f(x,y)=1f(x,y)≥T

0f(x,y)

(2)

式中，f為圖像像素點(diǎn)灰度值，T為二值化圖像閾值.通過(guò)統(tǒng)計(jì)微觀圖像中大于閾值像素點(diǎn)面積占比，即可得到土體微觀孔隙率.

圖3 平面分維示意圖Fig.3 Diagram of plan fractal dimension

采用計(jì)盒維數(shù)的方法對(duì)二值圖像進(jìn)行分維分析，具體步驟如下：以邊長(zhǎng)為ε的正方形將圖像分割成規(guī)格為(L/ε)×(L/ε)的正交網(wǎng)格，統(tǒng)計(jì)含有孔隙(或顆粒)的網(wǎng)格總數(shù)為N(ε)(圖3中點(diǎn)狀閉域)；改變?chǔ)?，使其在值域范圍?nèi)序列變化，如ε1，ε2，…，εn，則得到相應(yīng)的序列值N(ε1)，N(ε2)，…，N(εn)，將這些數(shù)組描繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，即可直觀地確定lgε-lgN(ε)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)式3得出平面孔隙(顆粒)分維指標(biāo)Dp.根據(jù)分形理論原理，Dp值越小孔隙或土體顆粒分布越均勻，結(jié)構(gòu)性降低.

Dp=-limε→0lgN(ε)lg(ε)=-k

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 崩解試驗(yàn)

根據(jù)多組崩解試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出擬合的崩解量At—崩解時(shí)間t曲線(圖4)，擬合成果R2值均在0.9以上，達(dá)到極顯著水平，試樣崩解過(guò)程較為一致，試驗(yàn)結(jié)果具有代表性.

圖4 崩解過(guò)程對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of disintegrating process

從圖4可以看出，天然土體入水30 min內(nèi)已全部崩解，平均崩解速率約為2.5%·min-1，崩解速率最快.粉土的崩解過(guò)程較為平緩，整體崩解歷經(jīng)120 min，平均崩解速率為0.75%·min-1.由此可見(jiàn)天然崩崗區(qū)土體的抗崩解性能極差.

兩種含有固化劑的土體試樣反映出不同的崩解過(guò)程(圖4)：入水前20 min內(nèi)，含有木質(zhì)素固化劑的土體的水穩(wěn)定性優(yōu)于殘積土試樣和PAM試樣，崩解速率約為0.67%·min-1，接近于試驗(yàn)所得的粉土水穩(wěn)性.但隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，崩解量呈指數(shù)型增加，崩解速率達(dá)到1.2%·min-1，水穩(wěn)性能急劇下降，完全崩解時(shí)間約為80 min，綜合崩解速率為0.93%·min-1.崩解過(guò)程整體形態(tài)變化不大，表現(xiàn)為由表及里的逐層剝蝕(圖5a).

PAM固化劑土體在入水前25 min內(nèi)局部快速崩解，崩解率在(1.5%～2%)·min-1.快速崩解階段結(jié)束后，土體的崩解速率逐漸趨于緩和，崩解速率穩(wěn)定在(0.2%～0.8%)·min-1，完全崩解時(shí)間約為180 min，綜合崩解速率為0.39%·min-1，整體上已超過(guò)了試驗(yàn)粉土的水穩(wěn)性.在快速崩解階段后，土體基本塌落，無(wú)法保持原有形態(tài)，整體呈現(xiàn)流塑狀、絮凝狀(圖5b).

圖5 試樣崩解殘留Fig.5 Residue of curing agent samples after disintegration

表2 崩解試驗(yàn)前后3種試樣的孔隙比和分?jǐn)?shù)維度Table 2 Void ratio and fractal dimension of samples before and after disingeration test

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得(表2)，改性木質(zhì)素固化劑和PAM固化劑分別使土體完全崩解時(shí)間延長(zhǎng)了167%和500%，崩解速率降低了62.8%和84.4%.二者均在一定程度上提高了殘積土的抗崩解性能，其中PAM固化劑固化效果明顯優(yōu)于木質(zhì)素固化劑.

2.2 固化過(guò)程及機(jī)理的微觀分析

不同試樣崩解前后微觀結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，由圖6a和6d可以看出，原狀殘積土的土體顆粒主要為片狀結(jié)構(gòu)的高嶺石、斜長(zhǎng)石，粒徑在2～20 m.片狀結(jié)構(gòu)礦物顆粒表面光滑，優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)明顯，宏觀強(qiáng)度較低.這種片狀結(jié)構(gòu)遇水易形成較厚水膜，使土體發(fā)生崩解破壞.對(duì)比微觀圖像和孔隙比數(shù)據(jù)(表2)可知，原狀殘積土浸水后細(xì)顆粒含量隨著崩解損失而減少，孔隙增大(1.012～1.454)，顆粒級(jí)配變差.同時(shí)Dp值減少(1.771～1.367)表明殘積土的原本結(jié)構(gòu)特征遭到破壞，整體上趨于均一.以上變化均與宏觀崩解試驗(yàn)結(jié)果及殘積土的特性吻合.

木質(zhì)素固化劑試樣(圖6b)的顆粒表面和孔隙內(nèi)可見(jiàn)一層灰白色附著物，X光衍射測(cè)試發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)的C、N含量明顯高于天然土體，推測(cè)為木質(zhì)素固化劑結(jié)晶體.以往的研究認(rèn)為木質(zhì)素高分子材料可以通過(guò)離子交換形式附著于顆粒表面并形成結(jié)晶[15].從SEM圖像可以看出，一方面這些結(jié)晶體充填于土體顆粒間之間，降低土體孔隙比(1.012～0.929)，使土體顆粒間形成相對(duì)剛性的物理膠結(jié)；另一方面附著物提高了土體顆表面的粗糙程度，使顆粒間不易發(fā)生相對(duì)位移.宏觀上則表現(xiàn)為土體強(qiáng)度提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)，這是崩解試驗(yàn)中木質(zhì)素固化劑試樣前期穩(wěn)定的根本原因.

從木質(zhì)素固化劑試樣浸水前后微觀對(duì)比分析可以看出(圖6b和6e)，試樣孔隙比增長(zhǎng)明顯(0.929～1.251)，孔隙比的增加除了來(lái)自部分溶解的固化劑外，更主要來(lái)源于土體細(xì)顆粒的減少.另外，Dp值也有所下降(1.606～1.364)，可見(jiàn)試樣浸水后仍然出現(xiàn)一定程度的細(xì)顆粒損失和形態(tài)結(jié)構(gòu)破壞，但總體變化量較天然土體試樣略有減少，這主要是由于試樣在木質(zhì)素的固結(jié)下保留了一部分的原巖結(jié)構(gòu)，這是木質(zhì)素剛性膠結(jié)的結(jié)果，由此可見(jiàn)木質(zhì)素固化劑起到了一定的固化效果.但由于木質(zhì)素水溶性高且分子量小，隨著浸水時(shí)間延長(zhǎng)，木質(zhì)素固化劑逐步溶解、擴(kuò)散，附著物含量減少(圖6e).隨著固化劑的溶解，顆粒間粘結(jié)力逐步降低，崩解試驗(yàn)后期崩解量呈指數(shù)型增長(zhǎng).

圖6 崩解試驗(yàn)前后3種試樣的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.6 SEM images of samples before and after disingeration test

含有PAM固化劑試樣的土體顆粒表面及孔隙間同樣附著一層C、N含量較高的物質(zhì)(圖6c和6f)，推測(cè)為添加的PAM固化劑晶體.根據(jù)以往的研究成果[16]，PAM進(jìn)入土體試樣后，較長(zhǎng)的高分子鏈易附著在土體顆粒表面或團(tuán)聚體表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹土體顆粒，提高了土體團(tuán)聚體的整體性.另外，PAM分子也充填于顆粒間的孔隙，通過(guò)分子鏈上的酰胺基與不同土體顆粒表面化合物形成的氫鍵達(dá)到膠結(jié)土體顆粒的目的[15].基于上述兩種因素，PAM固化劑提高了土體的團(tuán)聚體數(shù)量，減少了土體細(xì)顆粒在浸水狀態(tài)下的崩解損失.

從PAM固化劑試樣浸水前后微觀對(duì)比分析可以看出(圖6c和6f)，PAM固化劑含量的減少不明顯，可見(jiàn)PAM固化劑具有較高的耐久性，這主要得益于PAM大分子結(jié)構(gòu)的弱遷移能力.這種較強(qiáng)的耐久性也是PAM固化劑試樣完全崩解時(shí)間較長(zhǎng)、總體孔隙比增加不明顯的主要原因.雖然試樣細(xì)顆粒在崩解過(guò)程中損失較少，但整體Dp明顯降低(1.726～1.375).由此可知，PAM試樣顆粒在保持完整性的同時(shí)，內(nèi)部顆粒發(fā)生了較為明顯的相對(duì)位移和重組過(guò)程，使得試樣內(nèi)部顆粒分布趨于均一，因此PAM固化劑的粘結(jié)力更接近于動(dòng)態(tài)的彈性粘結(jié)[16]，宏觀上呈現(xiàn)出絮凝狀態(tài).這種相對(duì)較弱的彈性粘結(jié)使局部試樣在較大的水膜斥力作用下發(fā)生崩解破壞，表現(xiàn)為崩解試驗(yàn)中所展現(xiàn)的入水初期迅速局部崩解.當(dāng)初期的破壞結(jié)束后，土體顆粒在PAM分子鏈的連接和包裹下，質(zhì)量損失相對(duì)較少，并在風(fēng)干后重新排列聚集(圖6f)，崩解過(guò)程得到緩解.

3 結(jié)論

本研究針對(duì)木質(zhì)素固化劑和PAM固化劑固化效果及機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

①兩種固化劑均在一定程度上提高了崩崗區(qū)土體的水穩(wěn)性，木質(zhì)素固化劑和PAM固化劑分別使土體完全崩解時(shí)間延長(zhǎng)了167.7%和500%.

②木質(zhì)素固化劑試樣的崩解過(guò)程呈現(xiàn)出前緩后急的趨勢(shì)，由表及里逐層地剝蝕；PAM固化土試樣崩解過(guò)程前急后緩，快速崩解后，整體呈現(xiàn)流塑狀、絮凝狀，具有較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間.

③木質(zhì)素固化劑附著于顆粒表面，以提高顆粒間剛性粘結(jié)和增大顆粒表面摩阻力的方式提高土體強(qiáng)度.但由于溶解性較高，浸水后，固結(jié)效力以指數(shù)形式遞減.

④PAM固化劑以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹土體顆?；驁F(tuán)聚體以提高土體團(tuán)聚體的整體性.通過(guò)氫鍵連接土體顆粒提高土體粘結(jié)力，具有彈性粘結(jié)的特征.該特征使試樣初期崩解較快，而后趨于緩和.同時(shí)PAM固化劑大分子結(jié)構(gòu)弱遷移能力較弱，使其在崩解過(guò)程中能夠持續(xù)較長(zhǎng)的發(fā)揮固結(jié)效力.

⑤考慮到實(shí)際土體受雨水浸泡和沖刷時(shí)間一般在1 h以上，且殘積土水土流失區(qū)域往往坡度較陡，水動(dòng)力條件強(qiáng)，本研究認(rèn)為PAM固化劑更適用于花崗巖殘積土的水土流失治理.