黃原膠和黃麻纖維對上海黏土無側限抗壓強度的影響

陸 韜，璩繼立

(上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093)

0 引言

上海位于長江和黃浦江入海口匯合處，是長江三角洲沖擊平原的一部分。上海的地基土類型為典型的軟性黏土，黏土本身強度低、天然含水率高、壓縮性大，不宜直接應用于工程建設[1-[2]。研究表明，生物環保添加劑材料和天然纖維材料可以改善黏土的工程承特性[3-5]。汪亦顯等[6]研究了石灰和十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)改良膨脹土的可行性，發現CTMAB和石灰能夠提高膨脹土體強度，改善工程性質。但是石灰和CTMAB等化學添加物會增大土體脆性，也會造成地下水、土體污染。

黃原膠為可持續性環保添加劑，可以替代傳統化學添加劑。黃原膠外觀為淡褐黃色粉末狀固體，其分子結構中螺旋體所形成的網格結構使其具有良好的增稠性能。黃原膠水溶液具有突出的高黏性和水溶性、獨特的流變特性、優良的溫度穩定性和pH穩定性、極好的兼容性等獨特的理化性質。黃原膠作為增稠劑、黏合劑、乳化劑等被廣泛應用于食品工業。由于其流變特性和增稠效果，作為油田鉆井泥漿添加劑被廣泛應用[7-9]。A. S. A. Rashid等[10]發現適當含量的黃原膠可以提高熱帶殘積土的無側限抗壓強度和抗剪強度，且黃原膠含量為1.5%時效果最顯著。M. Ayeldeen等[11]發現黃原膠能夠增強濕陷性土壤的黏聚力，提高土體的整體抗剪強度。

李廣信等[12]研究發現纖維加筋可以顯著提高黏性土的抗剪強度，并增加其塑性和韌性。黃麻是一種韌皮纖維作物，可織成高強度、粗糙的細絲。黃麻纖維經濟價值高、用途廣泛、價格低廉、種植量大。它具有較低的斷裂伸長率和較高的抗拉強度，因此黃麻加筋材料往往具有高韌性和強抗剪能力。黃麻纖維還是一種環保型纖維，可完全生物降解，不會對環境造成破壞。因此，被稱為黃金纖維的黃麻纖維在巖土工程中綠色、生態、環保地改良土體特性有著重大意義[13]。H. Güllü等[14]研究發現黃麻纖維加筋能夠有效提高凍融循環條件下細粒土的無側限抗壓強度，有助于增強土體的抗凍融性。楊彩迪等[15]研究了不同含量和不同分布方式的黃麻纖維對崩崗巖土強度的加筋效果，認為崩崗巖土的無側限抗壓強度在最優黃麻纖維加筋條件下顯著提高。衛杰等[16]通過正交試驗研究了黃麻纖維加筋位置、加筋率、加筋長度對崩崗巖土無側限抗壓強度的影響，認為黃麻纖維加筋限制土體的橫向變形提高了土體穩定性。錢葉琳等[13]發現黃麻纖維加筋能夠顯著提高膨脹土的抗剪強度和無側限抗壓強度。

盡管黃原膠和黃麻具有優越的性能，作為添加劑和加筋材料能夠提升熱帶殘積土、濕陷性土、崩崗巖土及膨脹土等土體的強度，但是國內外對于黃原膠和黃麻纖維改良黏土性狀的研究較少。上海是我國的經濟中心，經濟發展迅速，基礎建設也應與之相配套。由于上海地區地基土為典型的軟黏土，其承載力較低，壓縮性較高，如直接在其上進行房屋等設施建設會引發很多工程問題。因此在上海黏土地基上開展工程建設，特別是建造高層及超高層等荷載較大的建筑物，必須要對地基土體進行加固或對地基黏土進行改良，從而提高地基承載能力，最大程度地減緩土體變形，降低其壓縮性。黃原膠和黃麻都是環保型材料，容易降解，價格經濟，存量較大，獲取難度較小，是性價比高的改良上海黏土性狀的材料。

本研究基于室內無側限抗壓試驗，考慮黃原膠含量、黃麻纖維含量、養護時間因素3種變量，探討分別單獨添加黃原膠、黃麻纖維及同時添加黃原膠和黃麻纖維兩種材料對上海黏土無側限抗壓強度特性的影響規律，并通過對比簡要分析黃原膠添加劑和黃麻纖維對黏土的增強機理，以期為理論研究和工程應用提供借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用黏土取自某深基坑施工現場。將黏土烘干、碾碎，并過 2 mm標準土工篩后密封備用。試驗測定的物理參數如表1所示。黃原膠為淡褐黃色粉末(圖1)，根據已有研究確定其試驗摻量分別為1.00%，1.50%，2.00%[10]。黃麻采用單根黃麻纖維，根據已有研究取其長度為6 mm，加筋率分別為0.15%，0.25%，0.35%[13]，圖2為黏土顆粒和6 mm 黃麻纖維均勻混合物。

表1 上海黏土的物理參數Tab.1 Physical parameters of Shanghai clay

圖1 黃原膠粉末 Fig.1 Xanthan gum powder

圖2 黏土顆粒和6 mm黃麻纖維Fig.2 Clay particles and 6 mm jute fiber

1.2 試驗方案

將黃原膠含量、黃麻纖維含量和養護齡期3種參數作為土體無側限抗壓強度影響因素。根據已有參考文獻[7,12-13]，在本研究中，黃原膠含量分別取1.00%，1.50%，2.00%，黃麻纖維加筋率分別取0.15%，0.25%，0.35%，土樣試塊養護齡期分別取0，7，14，21，28 d，并運用控制變量法進行交叉試驗。

試驗過程中，首先用剪刀將黃麻纖維剪成6 mm長度，然后將過篩后密封保存的上海黏土顆粒取出，用精度為0.001 g的實驗室電子秤稱取一定量的黏土顆粒放于容器中，再根據黏土顆粒質量稱取相應含量的黃原膠添加劑和黃麻纖維，接著分多次、小增量地將黃原膠和黃麻纖維加入容器，充分拌和均勻后再次稱重，然后計算量取相應質量的水，同樣分多次、小增量地倒入容器并再次充分拌和均勻，最終使得所有的黃原膠和黃麻纖維都能與黏土顆粒隨機均勻混合。最后將其裝入密封塑料保鮮袋，黏貼標簽并密封養護24 h。

養護24 h之后將土樣取出制備試樣，試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm，試驗中每組制備3個試樣。將制備完成的試樣再次裝入新的密封塑料保鮮袋，重新黏貼標簽并密封養護每組試樣所對應的不同設計時間。

根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[17]進行土的無側限抗壓強度試驗，并記錄每個試樣的無側限抗壓強度。

2 試驗結果與分析

表2為試樣在不同黃原膠含量、黃麻纖維含量以及不同養護時間下的無側限抗壓強度。

表2 3種參數條件下試樣的無側限抗壓強度Tab.2 Unconfined compressive strengths of specimens with 3 parameters

2.1 黃原膠含量對黏土無側限抗壓強度的影響

圖3 不同黃原膠含量的黏土應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of clay with different xanthan gum contents

圖3(a)為養護齡期為14 d、不添加黃麻纖維的情況下，上海黏土摻入不同含量黃原膠添加劑的應力應變曲線。可以看出，土體試樣所受到的軸向應力隨著軸向應變的不斷增大呈現先上升后下降的趨勢。曲線的峰值點即為相對應條件下土樣的無側向抗壓強度。在不添加任何添加劑的情況下，素土試樣的無側限抗壓強度相對最低，為90 kPa。添加適量的黃原膠能夠在一定程度上提升黏土的無側限抗壓強度。在養護齡期為14 d的情況下，黃原膠摻量為1.00%，1.50%，2.00%黏土試樣的無側限抗壓強度值分別為98，102，95 kPa，相較于相同養護齡期下素土的無側限抗壓強度分別提高了8.89%，13.33%，5.56%，由此可見，14 d養護齡期下，僅添加黃原膠且其摻量為1.50%時對黏土無側向抗壓強度的提升最明顯。

在0 d養護齡期、不摻入黃麻纖維條件下，黃原膠摻量為1.00%，1.50%，2.00%的黏土試樣無側限抗壓強度分別為69，76，71 kPa，較相同養護齡期下素土的無側限抗壓強度分別提高了-8.00%，1.33%，-5.33%；7 d養護齡期下，摻入黃原膠的黏土無側限抗壓強度值分別為85，90，83 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了2.41%，8.43%，0.00%；21 d養護齡期下摻入黃原膠的黏土無側限抗壓強度值分別為112，118，108 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了9.80%，15.69%，5.88%；28 d養護齡期下摻入黃原膠的黏土無側限抗壓強度值分別為125，127，114 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了13.64%，15.45%，3.64%。通過分析試驗數據發現，在本試驗研究中的同一養護齡期內，1.50%的黃原膠含量提高黏土無側向抗壓強度的效果最為顯著，表明黃原膠添加劑對上海黏土抗壓強度提高的最佳摻量為1.50%。

圖3(b)為同時添加黃原膠和黃麻纖維且黃麻纖維加筋率為0.25%、養護齡期為14 d時，黏土的應力、應變隨黃原膠含量改變而變化的規律。可以看出，素土的應力應變曲線在達到峰值點后迅速下降，而同時添加黃原膠和黃麻纖維土體的應力應變曲線在達到峰值點后變化趨勢平緩。在黃麻纖維加筋率相同的情況下，黃原膠摻量越高，土體應力應變曲線達到峰值點后的下降變化趨勢越不明顯，即在其他條件都相同的情況下，黃原膠含量越高，黏土試樣的殘余強度越高，也即破壞后保持其抗壓強度的能力越強。養護齡期14 d條件下，素土的抗壓強度為90 kPa，黃麻纖維加筋率為0.25%時，黃原膠含量為1.00%，1.50%，2.00%的土體對應的抗壓強度分別為109，114，121 kPa，相較于同一齡期下的素土強度分別提高了21.11%，26.67%，34.44%。與素土和只添加黃原膠的土體抗壓強度相比，黏土中同時添加黃原膠和黃麻纖維能夠大幅提高黏土的無側限抗壓強度。

在養護齡期為0 d、黃麻纖維含量為0.25%的條件下，黃原膠含量為1.00%，1.50%，2.00%的黏土無側限抗壓強度較素土強度分別提升了4.00%，9.33%，16.00%；養護齡期為7 d時，其抗壓強度增長率分別為14.46%，21.69%，27.71%；養護齡期為21 d時，其抗壓強度增長率分別為19.61%，23.53%，26.47%；養護齡期為28 d時，其抗壓強度增長率分別為19.09%，26.36%，4.55%。通過試驗數據分析可得，在同一養護齡期內，保持黃麻纖維加筋率不變，土體的抗壓強度隨黃原膠含量的增大而增大。

2.2 黃麻含量對黏土無側限抗壓強度的影響

圖4(a)為養護齡期為14 d、不添加黃原膠情況下，上海黏土摻入不同含量黃麻纖維的應力應變曲線。由圖可見，土體試樣所受到的軸向應力隨著軸向應變的不斷增大先上升后下降。同理，曲線的峰值點即為相對應條件下土樣的無側向抗壓強度，其中素土試樣的無側限抗壓強度相對最低，為90 kPa。添加適量的黃麻纖維能夠在一定程度上提升黏土的無側限抗壓強度。在養護齡期為14 d的情況下，黃麻纖維摻量為0.15%，0.25%，0.35%黏土試樣的無側限抗壓強度值分別為93，96，102 kPa，相較于相同養護齡期下素土的無側限抗壓強度分別提高了3.33%，6.67%，13.33%，由此可見，養護齡期為14 d、不摻入其他添加劑且黃麻摻量變化范圍為0.00%～0.35%的情況下，土體的無側限抗壓強度隨黃麻摻量的增加而增加。

圖4 不同黃麻含量的黏土應力應變曲線Fig.4 Stress and strain curves of clay with different jute fiber contents

在0 d養護齡期、不添加黃原膠的條件下，0.15%，0.25%，0.35%黃麻纖維加筋黏土試樣的無側限抗壓強度分別為75，75，76 kPa，較相同養護齡期下素土的無側限抗壓強度分別提高了0.00%，0.00%，1.33%；7 d養護齡期下黃麻纖維加筋黏土的無側限抗壓強度值分別為88，90，92 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了6.02%，8.43%，10.84%；21 d養護齡期下黃麻纖維加筋黏土的無側限抗壓強度值分別為105，112，114 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了2.94%，9.80%，11.76%；28 d養護齡期下黃麻加筋黏土的無側限抗壓強度值分別為112，114，118 kPa，較相同養護齡期下素土的強度分別提高了1.82%，3.64%，7.27%。通過分析試驗數據發現，保持養護齡期相同，6 mm黃麻纖維加筋上海黏土的無側限抗壓強度隨黃麻加筋率的增大而提高，因此本研究試驗范圍內黃麻加筋黏土的最佳含量為0.35%。

圖4(b)為同時添加黃原膠和黃麻纖維且黃原膠含量為1.50%、養護齡期為14 d時，黏土的應力、應變隨黃麻纖維加筋率改變而變化的規律。在黃原膠含量相同的情況下，黃麻纖維加筋率越高，土體應力應變曲線達到峰值點后的下降變化趨勢越不明顯，即在其他條件都相同的情況下，黃麻加筋率越高，黏土試樣受壓破壞后的殘余強度越高。養護齡期14 d條件下，素土的抗壓強度為90 kPa，黃原膠含量為1.50%時，黃麻纖維加筋率為0.15%，0.25%，0.35%的土體對應的抗壓強度分別為107，114，120 kPa，相較于同一齡期下的素土強度分別提高了18.89%，26.67%，3.33%。通過數據分析對比可以發現，在黏土中添加一定比例范圍的黃原膠和黃麻纖維能夠大幅提高黏土的無側限抗壓強度。

在養護齡期為0 d、黃原膠含量為1.50%的條件下，黃麻加筋率為0.15%，0.25%，0.35%的黏土無側限抗壓強度較素土強度分別提升了-4.00%，9.33%，16.00%；養護齡期為7 d時，其抗壓強度增長率分別為12.05%，21.69%，28.92%；養護齡期為21 d時，其抗壓強度增長率分別為18.63%，23.53%，27.45%；養護齡期為28 d時，其抗壓強度增長率分別為24.55%，26.36%，29.09%。通過試驗數據分析可得，在同一養護齡期內，保持黃原膠含量不變，土體的抗壓強度隨黃麻纖維加筋率的提高而增大。特別地，當不對土體試樣進行養護而直接制樣進行無側限抗壓試驗時，低黃麻加筋率的黏土的抗壓強度反而較素土強度有所降低。

2.3 養護齡期對黏土無側限抗壓強度的影響及黃原膠和黃麻加筋黏土的機理分析

圖5為不添加黃麻纖維和黃麻纖維加筋率為0.25%時，不同養護齡期下黃原膠含量對土體無側限抗壓強度的影響規律。

圖6為在不添加黃原膠和黃原膠含量為1.50%的情況下，各個養護齡期下的土體強度隨黃麻含量變化而變化的趨勢。

表3～表6為添加黃原膠和黃麻纖維與水混合后的黏土顆粒在經過規定時間養護后，與未經養護相比，其無側限抗壓強度值提升的比率。

通過分析數據可以發現，僅在黏土中添加黃原膠，當黃原膠含量為1.00%和2.00%且不進行養護的情況下，黏土試樣的無側限抗壓強度不增反減；類似地，添加1.50%黃原膠和0.15%黃麻纖維且未經養護的黏土，其無側限抗壓強度值也低于僅添加1.50%黃原膠黏土的抗壓強度值。因此，在養護齡期較短或不對土體進行養護的情況下，黃原膠的添加不一定能對黏土抗壓強度起到增強效果。相反地，

圖5 不同養護齡期下黃原膠含量對土體無側限抗壓強度的影響Fig.5 Influence of xanthan gum content on unconfined compressive strength of soil under different curing ages

圖6 不同養護齡期下黃麻含量對土體無側限抗壓強度的影響Fig.6 Influence of jute fiber content on unconfined compressive strength of soil under different curing ages

表3 養護后黏土的抗壓強度提升比率(無黃麻)(單位：%)Tab.3 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (without jute fiber content) (unit: %)

表4 養護后黏土的抗壓強度提升比率(黃麻含量0.25%)(單位：%)Tab.4 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (0.25% jute fiber content) (unit: %)

表5 養護后黏土的抗壓強度提升比率(無黃原膠)(單位：%)Tab.5 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (without xanthan gum content) (unit: %)

表6 養護后黏土的抗壓強度提升比率(黃原膠含量1.50%)(單位：%)Tab.6 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (1.50% xanthan gum content) (unit: %)

由于黃原膠在短時間內不能與黏土顆粒充分接觸，其與水溶液結合后不能在土體顆粒之間形成均勻分布并對黏土整體起到很好的黏合效果，甚至會由于分布不均勻、拌和不充分等原因在一定程度上破壞土體試樣的整體性，降低其無側限抗壓性能。隨著養護齡期的增加，試驗中土樣的抗壓強度都隨之增大，但總體看來，養護齡期越長，其強度增長幅度越緩慢。

通過圖5～圖6和表3～表6可以得出，隨著養護齡期的增長，素土、單獨添加黃原膠的黏土、單獨添加黃麻纖維的黏土及同時添加黃原膠和黃麻纖維的土體試樣，其無側限抗壓強度都不同程度地提高。由于養護齡期的延長，黃原膠和土體顆粒與水充分接觸，黃原膠分子中的螺旋體形成的網格結構使得其與水溶液結合后形成具有高黏性的凝膠，從而在一定程度上限制了土體顆粒的位移，增強了土體的黏聚力和整體性。其次，黃原膠為細粉末狀，粒徑小于顆粒狀的黏土顆粒，因此黃原膠粉末能夠填補土體顆粒中的縫隙，使得整體級配更為合理，顆粒之間排列更為緊密，增大了黏土密實性，降低了黏土流動性。黏土中單獨添加過量的黃原膠會造成黏土抗壓強度在一定范圍內降低，因為過量的黃原膠與水結合形成的凝膠容易在黏土中形成較大的膠結塊，甚至會溢出土體試樣表面，破壞了試樣表面完整性，同時增大了局部黏土顆粒間的連接，在試樣受力變形的過程中形成局部薄弱部位，使得黏土試樣的無側限抗壓強度有所降低。

黃麻纖維表面的木質素和纖維素等含有大量羥基，其纖維素大分子鏈之間及內部強烈氫鍵的作用，使得黃麻纖維的親水性較強[18]。黃麻纖維摻入土體后，能夠在黏土顆粒之間相連形成類似不規則網狀結構，且黃麻纖維具有較高的縱向彈性模量，因此能夠約束黏土顆粒的位移和變形，增強土體的整體性和抗壓性。隨著養護齡期的增加，黃麻纖維和土體顆粒的接觸更加緊密，同時與水結合的黃原膠能夠增強三者之間的摩擦力，提高土體密實度，有助于黃麻纖維承擔荷載作用下產生的拉應力，從而延緩土體內部的變形和裂縫的開展，降低了黏土的脆性并提高了殘余強度。試驗數據還表明，當養護齡期、黃原膠含量保持相同的情況下，隨著黃麻含量的提高，黏土的抗壓強度隨之提高，但部分試樣的抗壓強度提升幅度有所減緩。其原因是隨著黃麻纖維含量不斷增加，纖維之間易重疊纏繞，同理會在土體內部形成局部薄弱面，增大土體內部孔隙率，破壞土體的均勻性和整體性，削弱黃麻纖維的加筋作用。

圖7為兩種土體試塊在同等養護齡期和養護環境下的無側限抗壓強度試驗破壞形態。

圖7 土體試塊無側限抗壓強度試驗破壞形態Fig.7 Failure mode of unconfined compressive strength test for soil test blocks

圖7(a)為土體試塊中未添加黃原膠和黃麻纖維，其破壞形態為沿試塊45°剪切面發生破壞；圖7(b)為土體試塊中摻入含量為1.50%的黃原膠及0.25%的黃麻纖維，其破壞同樣沿45°剪切面發生，但相較于未添加黃原膠和黃麻纖維的情況，其裂紋更為曲折。由此可證實，在土體試塊受無側限壓力逐漸發生側向形變的過程中，土體中摻入的黃麻纖維在土體顆粒之間相互交錯形成網狀結構，憑借其較高的縱向彈性模量增強了土體的整體穩定性，同時黃原膠凝膠能夠增強土體顆粒之間的黏性，當土體顆粒發生側向位移時起到一定的限制作用，延緩了土體的整體破壞。當土體即將達到整體破壞狀態時，土體顆粒、黃原膠凝膠、黃麻纖維結合緊密處的局部抗變形能力較強，而抗變形能力較弱處的土體顆粒、黃原膠凝膠、黃麻纖維逐漸分離，在試塊表面形成較素土試塊裂縫更不規則的裂縫。

3 結論

本研究以黃原膠和黃麻纖維為上海黏土的添加材料，通過分析研究其在不同黃原膠含量、黃麻纖維加筋率及不同養護齡期下的無側限抗壓強度，得出以下結論：

(1)黏土中加入黃原膠能夠提高其無側限抗壓強度。在本試驗范圍內，隨著黃原膠摻量的增大，黏土的抗壓強度先增大后減小，同等條件下的黃原膠含量為1.50%時，黏土的抗壓強度最高。過量的黃原膠可能會導致黏土強度降低。

(2)黃麻纖維加筋上海黏土能夠提高其無側限抗壓強度。隨著黃麻纖維加筋率的提高，黏土的抗壓強度隨之增大，增速減緩。在本試驗研究范圍內，黃麻纖維加筋率為0.35%時，黏土的抗壓強度最高。過量地加入黃麻纖維可能會在一定程度上削弱黃麻纖維加筋黏土的效果。

(3)當在黏土中同時加入黃原膠和黃麻纖維時，相同養護齡期下，黏土的無側限抗壓強度較單獨添加其中一種材料都有不同程度的提高。在本試驗研究范圍內，當黃原膠含量為2.00%，黃麻纖維加筋率為0.35%時，黏土的抗壓強度最高。

(4)未經養護土體的抗壓強度普標較低，隨著養護齡期的增長，黃原膠和黃麻與黏土接觸更為緊密，同時添加劑和水的結合約束了土體的變形，使得黏土的無側限抗壓強度不斷提高，同時其增速逐漸減緩。