魏世杰，楊 宇，王 梓，劉 瑾*，何承宗，張晨陽(yáng)，李明陽(yáng)

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 浙江華東工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 311122)

黏土是一種常見(jiàn)的建筑材料，由于黏土具有取材方便，價(jià)格低廉的特點(diǎn)，因此在邊坡、路基工程中常作為客土填料廣泛使用。但是黏土本身強(qiáng)度較低、天然含水率高、壓縮性較大，因此要對(duì)其加以改良才能更好地滿(mǎn)足工程建設(shè)需求[1-11]。黃原膠(Xanthan gum)是一種多糖，外觀為白色或淡黃色粉末，可溶于冷水或熱水，是一種性能較為優(yōu)越的生物膠，用途極為廣泛[12]。在靜態(tài)條件下，加入少量的黃原膠就能使液體粘稠度大幅增加。Zohuriaan等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與其他生物膠相比，黃原膠在較寬范圍的溫度和酸堿度下能顯示出更高的穩(wěn)定性。此外，由于黃原膠作為添加劑能提供一致的流變性，黃原膠也被用于采礦和石油工業(yè)鉆井泥漿的粘度增強(qiáng)添加劑，以及添加進(jìn)混凝土中防止沖蝕[14-15]。用黃原膠作為添加劑進(jìn)行土壤改良也是很多人關(guān)心的課題，如Ilhan Chang等[16]研究發(fā)現(xiàn)黃原膠對(duì)土壤加固的影響顯示出非線(xiàn)性增加，并在較高的黃原膠濃度下趨于平穩(wěn)。Rashid等[3]研究發(fā)現(xiàn)黃原膠作為熱帶紅土土壤的生態(tài)友好和可持續(xù)的土壤改良添加劑具有廣闊的前景。綜上所述，黃原膠是一種環(huán)保有效的可以應(yīng)用于加固黏土的非傳統(tǒng)改良材料，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于黃原膠加固黏土的研究較少，其對(duì)于黏土的改良效果和改良機(jī)理值得進(jìn)一步研究。

本文基于室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，考慮黃原膠摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間因素兩種變量，探討黃原膠摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改良黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，并通過(guò)掃描電鏡圖像分析黃原膠改良黏土的機(jī)理，為黃原膠加固黏土的實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)所用黏土取自南京某施工現(xiàn)場(chǎng)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理參數(shù)見(jiàn)表2。將黏土烘干、磨碎后過(guò)2 mm篩，密封備用。黃原膠為淡黃色粉末(圖1(a))，試驗(yàn)全程密封包裝，隨取隨用避免潮濕。本次試驗(yàn)所用儀器為南京土壤儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀，剪切速率設(shè)置為2.4 mm/min。

表1 試驗(yàn)用黏土化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 試驗(yàn)用黏土物理參數(shù)

圖1 試驗(yàn)材料Fig.1 Test material

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)將黃原膠摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間作為變量，黃原膠摻量指黃原膠粉末與干土的質(zhì)量比，分別取0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%；試樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別取0、4、7、14、28 d，以進(jìn)行交叉試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，首先取163.2 g烘干磨碎后的黏土與相應(yīng)摻量的黃原膠混合均勻，再稱(chēng)量32.64 g蒸餾水倒入黏土黃原膠混合物中攪拌，用手和刮刀使得黃原膠和水分均勻分布。將攪拌好的土料平分三份，依次倒入模具進(jìn)行擊實(shí)，每層加入需要的土重后擊實(shí)到給定高度，將表面刨毛，再加入下一層土料擊實(shí)。用取土器壓出土樣，得到高80 mm，底面直徑39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，稱(chēng)重后用保鮮膜包裹密封并用標(biāo)簽編號(hào)。本試驗(yàn)共計(jì)25組，每組制備三個(gè)平行樣，置于室溫條件下養(yǎng)護(hù)相應(yīng)時(shí)間。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 GBT 50123—2019進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試樣頂?shù)酌嫔宰髌秸ＷC試樣受力均勻，試樣破壞后測(cè)量樣品的含水率，剔除水分損失太多的試樣，最后取數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析以減小誤差，并保證每組平行樣的抗壓強(qiáng)度不超過(guò)其平均值的10%，繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)研究不同摻量的黃原膠、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以軸向應(yīng)變(%)為橫軸，軸向應(yīng)力(kPa)為縱軸繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

表3 不同黃原膠摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的土樣抗壓強(qiáng)度(單位：kPa)

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

圖2是不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，摻入不同含量黃原膠的黏土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，隨著黃原膠摻量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度也呈上升趨勢(shì)。例如養(yǎng)護(hù)時(shí)間為0 d時(shí)，素土試樣的抗壓強(qiáng)度為110.63 kPa，摻量0.5%、1%、1.5%、2%的試樣抗壓強(qiáng)度分別為117.19、133.86、150.84、162.50 kPa，相對(duì)素土試樣分別提升了5.93%、21%、36.34%、46.88%。其中2%摻量的試樣抗壓強(qiáng)度相對(duì)素土試樣提高了46.88%，而2%摻量相對(duì)1.5%摻量只提高了7.73%，說(shuō)明隨著黃原膠摻量的大幅增加黏土樣抗壓強(qiáng)度的增幅減小。此外，養(yǎng)護(hù)4 d、黃原膠摻量2%的試樣相對(duì)素土樣有最高的抗壓強(qiáng)度提升，高達(dá)76.59%。這說(shuō)明養(yǎng)護(hù)4 d后，高含量的黃原膠基質(zhì)在黏土樣抵抗變形破壞時(shí)起到重要作用。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Stress-strain curves

從圖2中還可以看出，黃原膠摻量0%、0.5%、1%時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)形狀都大致相同，而1.5%、2%摻量曲線(xiàn)比較相似且區(qū)別于其他摻量曲線(xiàn)。彈性模量(割線(xiàn)模量)是應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)上一條直線(xiàn)的斜率，本文取應(yīng)變?cè)?%～2%之間的直線(xiàn)來(lái)估算。當(dāng)養(yǎng)護(hù)0 d時(shí)，0%、0.5%、1%摻量曲線(xiàn)的彈性模量約為2.8 MPa，而1.5%、2%曲線(xiàn)的割線(xiàn)模量約為5.5 MPa。這種黃原膠摻量越高，彈性模量越大的現(xiàn)象，說(shuō)明經(jīng)黃原膠改良后的黏土在軸向應(yīng)變更小的情況下更快地達(dá)到峰值應(yīng)力。Liu等[17]研究發(fā)現(xiàn)土樣中的聚合物會(huì)在試樣承受荷載時(shí)吸收能量，較高聚合物含量處理過(guò)的土壤能夠更快地達(dá)到峰值應(yīng)力，并快速抵消壓縮應(yīng)力，而沒(méi)有顯著的變形。類(lèi)似的試樣中高含量的黃原膠基質(zhì)為試樣提供了更強(qiáng)的緩沖能力來(lái)承受載荷，土中的黃原膠基質(zhì)有較強(qiáng)的傳遞、吸收能量的能力，使得試樣受到軸向壓力時(shí)產(chǎn)生的變形更小，從而造成彈性模量的升高。養(yǎng)護(hù)4 d、養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)同理，而養(yǎng)護(hù)14 d、養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)則未產(chǎn)生這種現(xiàn)象，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)14 d后黃原膠與土壤的反應(yīng)基本完成。當(dāng)黃原膠摻入土中時(shí)，黃原膠單體并不是直接和土壤本身發(fā)生反應(yīng)，而是與細(xì)顆粒形成基質(zhì)，膠結(jié)在粗顆粒之間產(chǎn)生加固作用，當(dāng)黃原膠摻量過(guò)高時(shí)，過(guò)剩的黃原膠會(huì)吸附水分，形成高度粘滯的懸浮液，填補(bǔ)土壤顆粒之間的空隙[18]，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水分和土顆粒、黃原膠之間的相互作用增強(qiáng)，土樣中的黃原膠基質(zhì)由于水分的蒸發(fā)而硬化，低摻量黃原膠也可以很好地加固土體，因此沒(méi)有了這種差異。

總體而言，經(jīng)黃原膠改良后的黏土在抗壓強(qiáng)度方面有顯著提高，并且隨著黃原膠摻量的增加試樣的抗壓強(qiáng)度也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著土樣中摻入的黃原膠含量增多，土樣中的黃原膠基質(zhì)逐漸增大增厚，黃原膠與土顆粒的相互作用增多，使得土樣整體性更好，抗壓強(qiáng)度更高。該作用表現(xiàn)為一個(gè)非線(xiàn)性的增長(zhǎng)過(guò)程，如圖3(a)所示，雖然整體上試樣的抗壓強(qiáng)度隨著黃原膠摻量的增加呈上升趨勢(shì)，但是其中黃原膠摻量在0.5%～1%區(qū)間和1%～1.5%區(qū)間上抗壓強(qiáng)度增幅較大，尤其是養(yǎng)護(hù)4 d、摻量1%～1.5%區(qū)間，隨著黃原膠摻量的大幅增加土樣的抗壓強(qiáng)度將趨于平穩(wěn)。

從圖3(b)也可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度也在逐漸增強(qiáng)，并且逐漸趨于穩(wěn)定。其中0%、0.5%、1%摻量(低摻量)的土體和1.5%、2%摻量(高摻量)的土體又有區(qū)別。養(yǎng)護(hù)時(shí)間從0 d增加到4 d時(shí)，低摻量土體抗壓強(qiáng)度分別增加了29.23%、32.25%、26.25%，高摻量增加了50.22%、54.96%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間從4 d增加到7 d時(shí)，低摻量土體抗壓強(qiáng)度分別增加了61.04%、56.84%、55.44%，高摻量增加了23.91%、19.81%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7 d增加到14 d時(shí)，高摻量與低摻量土體試樣的抗壓強(qiáng)度增幅相似且比素土樣的增幅大；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從14 d增加到28 d時(shí)，高摻量、低摻量和素土樣的增幅相同，表現(xiàn)在圖3(b)中即五條折線(xiàn)近似平行。這說(shuō)明黃原膠對(duì)黏土樣的加固反應(yīng)主要發(fā)生在前14 d，且0～4 d內(nèi)高摻量土體的增強(qiáng)幅度更大，此時(shí)黃原膠基質(zhì)在黏土樣抵抗變形時(shí)起重要作用。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加到7 d，黃原膠與土顆粒的結(jié)合更緊密，土樣中的黃原膠基質(zhì)由于水分的蒸發(fā)而硬化，摻入低摻量黃原膠的土體也大幅增強(qiáng)；由于高摻量的黃原膠保水性更強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)高摻量土體的增強(qiáng)幅度反而不如低摻量土體和素土樣，養(yǎng)護(hù)14 d后則都趨于穩(wěn)定?？紤]到材料成本和可加工性，建議實(shí)際工程應(yīng)用中采用摻量1.5%黃原膠進(jìn)行土壤改良，后續(xù)研究可以采用14 d的養(yǎng)護(hù)時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。

圖3 黃原膠含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of xanthan gum content and curing time on compressive strength of samples

2.2 破壞形態(tài)

土樣的破壞形態(tài)與土顆粒之間的結(jié)構(gòu)性變化、土的強(qiáng)度特性密切相關(guān)。試樣在進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，在外部荷載的作用下會(huì)有明顯的剪切帶形成，土體破壞實(shí)際上集中于土樣的剪切帶部位，其他部位則破壞程度較小[19]。

圖4是在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下黃原膠摻量1.5%的三種試樣破壞形態(tài)。從圖4(a)可以看到養(yǎng)護(hù)4 d的試樣破壞形態(tài)較為完整，裂縫呈劈裂型，試樣上半部分無(wú)明顯剪切帶，下半部分發(fā)生側(cè)脹。從圖4(b)、(c)可以看到養(yǎng)護(hù)時(shí)間14、28 d的試樣破壞時(shí)沿剪切帶有土塊翹起，裂縫曲折交錯(cuò)，試樣發(fā)生整體性破壞。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，黃原膠與黏土顆粒的反應(yīng)更加充分，結(jié)合更加緊密，黃原膠基質(zhì)的強(qiáng)度也大大增強(qiáng)，試樣的彈性模量和抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，因而能夠承受更大的壓力，產(chǎn)生更為曲折的裂紋。

圖4 相同摻量不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間試樣破壞形態(tài)Fig.4 Failure morphology of samples with the same content and different curing time

圖5是養(yǎng)護(hù)28 d后不同黃原膠摻量的的三種土體試樣軸向應(yīng)變12%時(shí)的破壞形態(tài)，從圖5(a)可以看出，素土樣沿著一個(gè)剪切面發(fā)生脆性破壞，有明顯的剪切帶形成，破壞裂縫較為完整，貫通性好，試樣直徑?jīng)]有太大變化，表面較為光滑。從圖5(b)、(c)可以看出，添加黃原膠后的試樣在壓縮時(shí)發(fā)生了一定的側(cè)脹，并且周身小裂縫增多，多條錐形破壞裂縫起伏曲折。這說(shuō)明黃原膠增強(qiáng)了土體顆粒之間的黏性，使得土體有更好的整體性，在進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)生形變時(shí)有更好的抵抗變形的能力，延緩了土體的破壞，從而提升了抗壓強(qiáng)度。

圖5 相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間不同黃原膠摻量試樣破壞形態(tài)Fig.5 Failure morphology of samples with different content in the same curing time

3 機(jī)理分析

土體在受力條件下產(chǎn)生的變形是土體結(jié)構(gòu)、顆粒、孔隙等要素發(fā)生變形的綜合結(jié)果，因此土體在受力試驗(yàn)中的表現(xiàn)與土體本身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)有關(guān)。土體中每個(gè)土顆粒都處于內(nèi)力和外力的共同作用下的平衡狀態(tài)中，外力如荷載和重力等，內(nèi)力作用包括土顆粒內(nèi)部作用和土粒之間的相互作用，而土粒間的相互作用又包括化學(xué)鍵、分子鍵、離子靜電力、毛細(xì)水壓力等，這些因素影響著土體的物理化學(xué)性質(zhì)[20]?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是黃原膠改良后的黏土一定會(huì)在微觀結(jié)構(gòu)上有著與宏觀試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)，因此本文采用掃描電子顯微鏡(SEM)從微觀角度分析黃原膠改良黏土的機(jī)理。

圖6是經(jīng)黃原膠處理過(guò)的黏土試樣的掃描電鏡圖像。從圖6(a)可以看出，黃原膠基質(zhì)填補(bǔ)了土顆粒之間的空隙，增加了土顆粒與土顆粒的接觸面積；從圖6(b)可以看出，黃原膠與水結(jié)合后形成高黏性的凝膠，在不直接接觸的土顆粒之間建立了連接的橋梁；從圖6(c)可以看出，黃原膠凝膠覆蓋在土顆粒表面，增加了黏土顆粒之間的黏性。由于黏土顆粒帶電，黃原膠單體可以通過(guò)黃原膠大分子自帶的羧酸(-COOH)和羥基(-OH)基團(tuán)與黏土顆粒表面的陽(yáng)離子之間發(fā)生的橋接反應(yīng)和氫鍵作用直接結(jié)合到黏土顆粒上[21]，從而增強(qiáng)了土粒之間的聯(lián)結(jié)力，也增強(qiáng)了土體在受力時(shí)抵抗外力作用而變形的能力。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)黃原膠改良的黏土與未經(jīng)任何處理的黏土相比，前者的粒度分析曲線(xiàn)有明顯右移[22]，這說(shuō)明黃原膠的摻入使得黏土顆粒粒徑變大，土中發(fā)生了顆粒粘聚的現(xiàn)象，這與圖6(c)觀察到的粘粒聚集現(xiàn)象是一致的。因此黃原膠對(duì)黏土的加固機(jī)理可以解釋為，黃原膠基質(zhì)填補(bǔ)了黏土顆粒之間的空隙，覆蓋在黏土顆粒表面，在不直接接觸的顆粒之間進(jìn)行橋接，從而增強(qiáng)顆粒間的相互作用力，增強(qiáng)試樣的整體性。黃原膠基質(zhì)的強(qiáng)度和黃原膠與黏土顆粒結(jié)合的特性，增強(qiáng)了黏土抵抗變形的能力，從而提升了抗壓強(qiáng)度。

圖6 試驗(yàn)試樣的掃描電鏡圖像Fig.6 SEM images of the test samples

4 結(jié)論

1)黃原膠作為添加劑能夠加固黏土提高黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著黃原膠摻量的增加，改良后的黏土試樣抗壓強(qiáng)度也隨之提高，這是一個(gè)非線(xiàn)性的增長(zhǎng)過(guò)程，預(yù)計(jì)隨著黃原膠摻量的大幅增加，土樣的抗壓強(qiáng)度將趨于平穩(wěn)，黃原膠改良黏土的最適宜摻量是1.5%、最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間是14 d。

2)整體而言，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，黏土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)不斷增加。養(yǎng)護(hù)0～7 d時(shí)1.5%、2%摻量的黏土彈性模量會(huì)高于其他土樣，養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)這種現(xiàn)象消失；高摻量和低摻量土樣在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間其抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)速度也不同。黃原膠與土體顆粒、水之間的大部分反應(yīng)發(fā)生在前14 d內(nèi)。

3)改良黏土在破壞時(shí)會(huì)有側(cè)脹現(xiàn)象，通過(guò)分析掃描電鏡圖像發(fā)現(xiàn)，黃原膠填補(bǔ)了黏土顆粒之間的空隙，增加了直接接觸的土顆粒之間的接觸面積，在不直接接觸的土顆粒之間搭建了橋梁，增強(qiáng)了黏土試樣的整體性，從而增強(qiáng)土體抗壓強(qiáng)度。土樣的加固與黃原膠基質(zhì)的強(qiáng)度和黃原膠與黏土顆粒的結(jié)合特性直接相關(guān)。