混合改性劑改良粉土工程特性及機理研究

周和春

摘要：粉土工程缺陷給粉土地區(qū)的道路施工和養(yǎng)護(hù)帶來巨大挑戰(zhàn)。為了解決這一難題及充分利用粉土，文章以硅酸鈉和聚丙烯酰胺為改性劑，通過室內(nèi)試驗和化學(xué)分析等手段探究改性粉土的工程特性。研究結(jié)果表明：（1）粉土和改性粉土的最優(yōu)含水率分別為18%和14%;（2）在最優(yōu)含水率下，改性劑對粉土顆粒的化學(xué)結(jié)合能在一定程度上提高粉土的抗?jié)B性能;（3）改性粉土能應(yīng)用在路基工程之中，并為粉土的后續(xù)研究提供新的思路。

關(guān)鍵詞：粉土;改性劑;最優(yōu)含水率;抗?jié)B性能

0 引言

在我國黃河流域下游，由于水流作用會形成沖刷地帶，這里分布著大量的粉土。粉土有著級配均勻、黏性差、結(jié)構(gòu)松散、難被壓實和抗水性能差等缺點，在道路修建的過程中，作為路基材料的粉土不僅給施工帶來了極大的困難[1]，還給道路后期的養(yǎng)護(hù)提出了挑戰(zhàn)[2-3]。

但是通過改性的方法將粉土應(yīng)用在道路工程中，不僅能保證道路工程的長期穩(wěn)定性，還能節(jié)約大量的經(jīng)濟成本，因此有許多學(xué)者對于如何改善粉土的工程特性進(jìn)行了大量的研究，而其中最常見的就是向粉土中加入改性材料，使得粉土黏性和抗水能力增強。如Nadler就通過向具有一定黏性的土體中加入聚丙烯酰胺以提高土體的抗水沖刷性能，從而達(dá)到治理水土流失的目的[4]。有學(xué)者向與粉土性質(zhì)極為相似的膨脹土、黃土、鹽漬土和沙中加入STW型生態(tài)土壤穩(wěn)定劑、高分子材料SH和陽離子固化劑，從而提高了原有土體的粘聚力和抗水性能[5-8]。

通過前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，對性能不好的土體進(jìn)行改性過后，不僅能改善土體的性能，還能為實際工程提供很好的理論指導(dǎo)。本文的主要研究對象為黃河流域下游粉土較為豐富的地區(qū)的粉土，通過向粉土中加入一定的改性材料使得改性粉土能達(dá)到路基材料的要求[9-11]，主要的指標(biāo)為最優(yōu)含水率、無側(cè)限抗壓強度和滲透性。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原材料

試驗所用粉土的基本物理性質(zhì)如表1所示。從表1中可以看出，該粉土為級配不良的土體，在進(jìn)行制樣之前，篩選直徑2 mm以下的粉土，將篩選過后的土體烘干備用。用于粉土改性的材料為硅酸鈉溶液和聚丙烯酰胺，這兩種材料對環(huán)境沒有污染，主要是增強粉土的粘聚力。為了研究改性粉土在容重較小條件下的性能，向改性粉土中加入粒徑2～4 mm的EPS顆粒，制作為輕質(zhì)改性粉土。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，首先制備純粉土試樣，含水率變化范圍為10%～25%，制備六組不同的含水率試樣，每組三個試樣;然后制備改性粉土和改性輕質(zhì)粉土試樣，含水率變化范圍為4%～20%，同樣也是制備六組不同的含水率試樣，每組三個試樣。通過測量不同含水率下試樣的最大干密度和無側(cè)限抗壓強度，綜合得到改性粉土的最優(yōu)含水率。由于EPS顆粒對材料最大干密度影響較大，因此不研究改性輕質(zhì)粉土的最大干密度。

在最優(yōu)含水率之下，為了探究改性劑的摻量對于試樣滲透系數(shù)的影響，設(shè)計了三組試驗，第一組為聚丙烯酰胺含量為2%不變，硅酸鈉的含量從0到4%;第二組為聚丙烯酰胺含量為0，硅酸鈉的含量從0到4%;第三組為硅酸鈉含量為0，聚丙烯酰胺的含量從0到4%。試樣的數(shù)量組成和檢測指標(biāo)如表2所示。

試樣的制備采用分層擊實法，改性粉土的制作分兩步：（1）將稱量好的粉土與聚丙烯酰胺混合，而硅酸鈉則和水混合;（2）將硅酸鈉溶液與粉土和聚丙烯酰胺混合料混合，擊實后密封浸泡24 h。而改性輕質(zhì)粉土與上述過程一致，多余的工序就是在粉土與聚丙烯酰胺混合后，再向其中加入EPS顆粒。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 最優(yōu)含水率

測量不同含水率試樣的最大干密度和無側(cè)限抗壓強度，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖1中可以看出，粉土和改性粉土的最大干密度峰值分別出現(xiàn)在材料含水率為18%和14%的時候，兩種材料最大干密度隨含水率的變化趨勢相同，即先增大后減小。但是最大干密度峰值和最優(yōu)含水率不同。這主要是因為硅酸鈉在溶液中呈液態(tài)，改性粉土中硅酸鈉的存在相當(dāng)于間接增大材料的含水率，因此改性粉土的最優(yōu)含水率較小;改性粉土中，改性劑的加入使得粉土顆粒之間的粘結(jié)增強了，顆粒級配變好，因此改性粉土的最大干密度峰值較大。

從圖2中可以看出，三種材料的無側(cè)限抗壓強度隨著含水率的變化趨勢也是相同的，即均是先增加后減少。出現(xiàn)這種變化趨勢的原因是當(dāng)含水率較小時，試樣在制備過程中不容易被擊實，從而導(dǎo)致強度不足;當(dāng)含水率較大時，試樣內(nèi)部的孔隙較多，粘聚力降低，從而導(dǎo)致強度不足。因此從圖2中的結(jié)果可知，粉土、改性粉土和改性輕質(zhì)粉土的最優(yōu)含水率分別為18%、14%和16%，與最大干密度的試驗結(jié)果一致。

2.2 滲透性

為了研究兩種改性劑單獨和混合時對粉土抗?jié)B性能的影響，設(shè)置了三組試驗，具體試驗設(shè)計如上述實驗設(shè)計中所述，每個試驗四個變量，試驗結(jié)果如下頁圖3所示。從圖3可以看出，在沒有加入改性劑之前，粉土的抗?jié)B系數(shù)為10-4 cm·s-1，隨著粉土中聚丙烯酰胺、硅酸鈉或者兩者的混合物含量的增加，抗?jié)B系數(shù)均逐漸減小，且在相同的摻量下，抗?jié)B能力為兩者的混合物>硅酸鈉>聚丙烯酰胺，不過三者之間的差距并不是很大，說明改性劑的加入均能在一定程度上改善粉土的抗?jié)B能力。原因可以分為以下三點：（1）改性粉土中改性劑與粉土中水的介電常數(shù)不一樣，從而導(dǎo)致雙電層厚度也不一樣，最終導(dǎo)致水通過的能力不同;（2）改性劑會與粉土表面的陽離子產(chǎn)生一定的反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物會附著在粉土表面，從而減小了粉土原有的孔隙率，最終降低材料的滲透系數(shù);（3）改性劑還會產(chǎn)生一些化學(xué)結(jié)晶物質(zhì)，這些物質(zhì)在遇水時會膨脹，對孔隙有一定的阻塞作用，對增強材料的抗?jié)B能力有一定的作用。

但是從圖3我們也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入改性劑的摻量達(dá)到2%時，材料的抗?jié)B系數(shù)變化明顯減小，說明改性劑的量繼續(xù)增加，對于材料的抗?jié)B系數(shù)影響不大，但是考慮材料的其他性能，可能會增大改性劑的摻量。

2.3 改性劑改性機理

從化學(xué)和微觀的角度分析改性劑對于材料的影響，不僅可以解釋改性劑的選取方向，還可以為后續(xù)的研究提供一定的基礎(chǔ)。聚丙烯酰胺是一種大分子量的化學(xué)物質(zhì)，加入粉土后使粉土顆粒被吸附在聚合物表面，眾多吸附的顆粒相互結(jié)合為絮凝狀的顆粒團(tuán)，從而達(dá)到改善粉土性能的作用。但是由于粉土顆粒表面負(fù)電荷的影響，在pH<5時，會阻礙顆粒之間的粘結(jié)作用，因此必須加入一種物質(zhì)，讓改性粉土的pH環(huán)境在8以上，硅酸鈉就能達(dá)到這一要求，因為硅酸鈉能與氫離子結(jié)合形成凝膠，降低溶液中氫離子的含量從而升高pH。與此同時，凝膠的生成還能改善粉土的抗壓強度、抗?jié)B性等性能，因此選取這兩種改性劑并將其按照一定的摻量相結(jié)合能很好地達(dá)到改善粉土性能的目的。

3 結(jié)語

本文以粉土為研究對象，以硅酸鈉和聚丙烯酰胺為改性劑，探究改性粉土的工程特性，得到如下結(jié)論：（1）通過測量不同含水率材料的最大干密度和強度，得到粉土和改性粉土的最優(yōu)含水率分別為18%和14%;（2）在最優(yōu)含水率下，通過試驗和化學(xué)分析等方法，探究了改性劑對于粉土抗?jié)B性能的影響規(guī)律;（3）通過高分子材料對粉土進(jìn)行改性，可以有效改善粉土的工程特性。

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