一種非傳統高分子粘結劑改良黏土的強度試驗研究

李明陽，祁長青，卜 凡，王 梓，盧洪寧

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京211100)

黏土工程力學特性較差，易形變[1-4]。在工程實踐中，常需要改善黏土的工程力學特性。工程中采取的土體改良方法多種多樣，如化學添加劑、再濕潤、土壤置換、壓實等。然而以上這些方法往往存在著成本高、效率低和持久性差等缺點[5]。應用穩定劑是改良土體性能的常用手段。在傳統工程中，應用水泥與石灰粘結劑是一項成熟技術。然而這兩類粘結劑會造成土壤的高剛性和高脆性[6]，同時不利于工程周邊環境的生態修復進程。

隨著國家對環保型工程建設的日益注重，生態友好型的工程地質手段越來越受到重視。其中，添加水溶性化合物型粘結劑改良土體性能是一種常見的工程手段。目前添加水溶性化合物型粘結劑作為一種土體改良方式已經成為工程地質研究領域的研究熱點[7-10]。PVAc(聚醋酸乙烯酯)是一種水溶性高分子聚合物，相比多種同類粘結劑，價格便宜，適用于大規模工程應用。在土體性能研究中，PVAc可作為一種非傳統的土體粘結劑，應用于多項改善土體性能的工程實踐和試驗研究中[11-12]，這些研究表明了PVAc可對土體的多項工程力學性質產生有利影響，反映了PVAc在工程地質領域的應用潛力。為了進一步研究PVAc型粘結劑對黏土強度的影響，探討其工程應用價值，本研究以PVAc型粘結劑改良黏土，并針對粘結劑濃度和養護時間兩種變量進行室內無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗，以研究粘結劑改良黏土的最佳方案。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

PVAc是一種有機水溶性聚合物，其主要成分為乙酸乙烯酯聚合物。PVAc的具體理化參數如表1所示。

表1 試驗所用PVAc的理化參數

本試驗所用土樣采自南京市江寧區，將土樣置于烘干箱中以110 ℃烘干10 h后粉碎，過2 mm標準篩后備用。所用黏土物性參數如表2所示。

表 2 試驗所用土樣的物性參數

1.2 試驗步驟

1.2.1 直接剪切試驗

為研究粘結劑濃度對改良黏土抗剪強度參數的影響，設置粘結劑含量為0%，1%，2%，3%。將稀釋至相應濃度的粘結劑溶液與烘干過篩后的黏土顆粒混合均勻，制成含水率為20%的土樣。取適量土樣置于專用壓實設備，制成高為20 mm，直徑為61.8 mm的直接剪切樣。最后將制得試樣置于室內25 ℃恒溫環境下分別濕養1、3、5、9 d。剪切過程中施加的軸向壓力分別為100、200、300、400 kPa，剪切速率為0.024 mm/s。

1.2.2 無側限抗壓強度試驗

為研究粘結劑濃度對改良黏土無側限抗壓強度的影響，土樣配置與直接剪切試驗一致。制成高為80 mm，直徑為39.1 mm的無側限抗壓強度試樣。將制得試樣置于25 ℃恒溫環境下使用保鮮膜包裹，分別養護1、3、5、9 d。所用儀器為YYW-2型微機控制式三軸儀，加載速率為0.06 mm/s。

2 試驗結果及分析

2.1 直接剪切試驗

通過直接剪切試驗對改良黏土抗剪強度參數進行研究，得到粘結劑含量和養護時間與試樣抗剪強度指標之間的關系如表3所示。

表3 試樣在不同粘結劑濃度及養護時間下的黏聚力(kPa)及內摩擦角(°)

圖1(a)為定養護時間時，試樣黏聚力與粘結劑濃度之間的關系。當養護時間一定時，添加粘結劑可以提高試樣的黏聚力。且當添加濃度不超過2%時，粘結劑濃度與試樣的黏聚力呈非線性正相關。同時，各養護時間組所對應黏聚力增量主要發生在粘結劑濃度為2%時，這表明當添加濃度為2%時，粘結劑對PVAc黏聚力的改良效果最好。而當粘結劑濃度為3%時，相比2%添加濃度試樣，其對黏聚力的增強效果會變差。

圖1 不同試樣黏聚力變化Fig.1 Cohesion of different samples

圖1(b)為定添加濃度時，試樣黏聚力和養護時間之間的關系。可見在不同粘結劑濃度下，養護時間對黏聚力的影響規律有顯著差異。未添加粘結劑時，試樣的黏聚力變化與養護時間之間缺乏相關性；添加濃度為1%時，試樣的黏聚力與養護時間之間整體上呈非線性正相關，但相關性較差。當粘結劑濃度為2%、3%時，試樣黏聚力與養護時間呈顯著的非線性正相關。同時各養護時間組所對應的黏聚力增量主要發生在養護1～5 d期間。土壤的黏聚力主要受含水率和各種物理化學作用、膠結作用的影響。當添加濃度為0%、1%時，含水率對試樣黏聚力的影響占主要作用。在恒溫濕養條件下，試樣的含水率幾乎沒有變化。因此測得試樣黏聚力結果與養護時間呈弱相關性。當添加濃度為2%、3%時，土壤的黏聚力主要受粘結劑與土壤間的物理化學作用和膠結作用等的控制。隨著養護時間的增加，粘結劑分子與土壤黏粒之間的反應逐漸充分。因此試樣黏聚力結果與養護時間呈一定的正相關性。

圖2為定養護時間，定濃度時，試樣內摩擦角與粘結劑濃度和養護時間之間的關系。兩組試驗結果極差均小于3°。可見粘結劑濃度和養護時間與試樣內摩擦角變化的相關性均微弱。土體的內摩擦角取決于土體的內摩擦力、土壤顆粒間的表面摩阻力、咬合力等。黏土本身的性質對其內摩擦角的影響占主要因素。養護時間和粘結劑濃度造成的黏土內摩擦角變化有限。

圖2 不同試樣的內摩擦角變化Fig.2 Internal friction of different samples

2.2 無側限抗壓強度試驗

粘結劑含量和養護時間與試樣無側限抗壓強度關系如表4所示。圖3(a)表明養護時間一定時，粘結劑的加入可以提高試樣的無側限抗壓強度。水溶性聚合物改良土體時，其對土體的穩定機理可大致概括為孔隙填充作用、物理化學反應作用和包裹作用[14]。在適當范圍內(≤2%)，當粘結劑濃度增加時，PVAc分子與黏土混合后能更充分地填充黏土顆粒間的孔隙、與黏土顆粒之間發生物理化學作用的速率更高、同時更容易形成薄膜狀結構包裹黏粒團聚體。這些微觀因素均會提高土體的抗壓強度。當粘結劑濃度為3%時，相比2%添加量，試樣的無側限抗壓強度有所降低。

表4 試樣在不同粘結劑濃度及養護時間下的無側限抗壓強度(單位：kPa)

圖3 不同試樣的無側限抗壓強度變化Fig.3 Unconfined compressive strength of different samples

圖3(b)為粘結劑濃度一定時，養護時間對試樣無側限抗壓強度的影響。可見在不同粘結劑濃度下，養護時間對黏聚力的影響規律有顯著差異。當未添加粘結劑時，試樣無側限抗壓強度與養護時間之間相關性微弱；當添加粘結劑時，試樣無側限抗壓強度與養護時間呈非線性正相關。因為素土試樣的無側限抗壓強度主要受土體本身性質和含水率控制。在恒溫濕養條件下，各養護時間組試樣的最終含水率極差為0.98%，含水率差異輕微。添加粘結劑后，隨著養護時間的增加，粘結劑分子與土壤黏粒之間的反應逐漸充分。因此試樣黏聚力結果與養護時間呈一定的正相關性。

2.2.1 應力-應變曲線分析

試樣的應力-應變曲線形態與粘結劑含量和養護時間密切相關。圖4為定養護時間下試樣的應力-應變曲線。取軸向應變為0%至試樣達到最大軸向應力所對應的峰值應變之間的割線模量為考察數據。當添加劑濃度不超過2%時，隨著粘結劑濃度增加，試樣的峰值應變和彈性模量顯著提高。當添加濃度為3%時，養護1 d試樣彈性模量為29.62 MPa，高于2%添加量組試樣的26.13 MPa；養護3、5、9 d試樣所對應的彈性模量分別為29.71、31.22、30.24 MPa，低于2%添加量組試樣的36.78、34.72、39.57 MPa。粘結劑與土體之間的反應速率與粘結劑的濃度有關。較短養護時間內，高濃度粘結劑與土體之間的反應更加充分，因此養護1 d組3%添加濃度試樣擁有比2%濃度試樣更強的抵抗彈性變形能力。養護時間充分后，高粘結劑濃度帶來的黏土顆粒團聚、試樣整體性變差等因素的影響權重提高，使得養護3、5、9 d下3%添加量的試樣抵抗彈性變形的能力降低。

圖4 固定養護時間下試樣的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of samples under constant curing time

圖5(a)表明素土試樣的應力-應變曲線形態趨于一致。這是因為恒溫濕養條件下，試樣的最終含水率幾乎不隨養護時間發生變化。在添加粘結劑后，隨著養護時間的增加，PVAc分子與黏土顆粒之間的反應充分程度增大，試樣的整體強度提高，在應力-應變曲線上表現為試樣的峰值應變和彈性模量均發生提高。

圖5 固定濃度下試樣的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of samples under constant concentration

2.2.2 變形破壞形態分析

進行無側限抗壓強度試驗時，試樣在垂向荷載下會出現明顯的剪切帶形，土體破壞實際上集中于土樣的剪切帶部位，其他部位則破壞程度較小[13]。土體的變形破壞形態與土體特性有較大相關。

圖6(a)中一條平直均勻的破壞裂隙自上而下貫通整個試樣，側脹現象微弱。試樣變形破壞形態接近脆性破壞。由圖6(b)—(d)可知，添加粘結劑后，試樣破壞裂隙貫通性變差、主級破壞裂隙退化或消失、次級裂隙發育，且試樣發生明顯的側脹現象。這是因為粘結劑加入后通過孔隙填充、物理化學反應和包裹作用增強了試樣的抵抗破壞變形能力。這種強化效果隨著粘結劑濃度的增加而增強，在2%添加濃度時達到最佳效果。如圖6(c)所示，試樣的主級破壞裂隙已強烈退化，細小曲折，貫通性差。試樣表面細密裂紋發育。

圖6 養護1 d時間下不同粘結劑濃度試樣變形破壞形態Fig.6 Deformation and failure modes of samples under constant curing time

圖7(a)中，試樣破壞時發生輕微側脹，主級破壞裂隙由下至上貫穿試樣4/5長度，張開均勻，發育明顯。隨著養護時間的增加，試樣主級裂隙逐漸退化，次級裂隙發育。直至養護9 d，如圖7(d)所示。試樣破壞后，表面包絡狀細密裂紋發育，主級破壞裂隙面粗糙，沿主裂隙面有細密裂隙發育。在不同養護時間下，各試樣含水率變化不大，隨著養護時間的增加，粘結劑與土體顆粒的反應程度更加充分。試樣的整體性隨之更強。

圖7 濃度1%下不同養護時間組試樣變形破壞形態Fig.7 Deformation and failure modes of samples under constant concentration

3 機理分析

圖8為PVAc型粘結劑改良黏土的掃描電鏡照片。圖8(a)表現出了PVAc分子在黏土顆粒表面的包裹作用和充填作用。PVAc分子形成的三維膜結構包裹在黏土顆粒表面，提高了試樣的整體強度。圖8(b)表現出了PVAc分子在不同黏土顆粒聚集體之間的橋接作用。PVAc分子通過一系列物理化學鍵與黏土顆粒表面相連接，形成橋接作用，使得黏土的整體性和穩定性增強。

圖8 添加PVAc型粘結劑后黏土掃描電鏡照片Fig.8 SEM photos of clay improved by PVAc binder

PVAc包含有大量的-COOH官能團。粘結劑分子中的官能團能與黏土顆粒中的吸附性離子發生化學反應，在PVAc分子和黏土顆粒之間創建一系列氫鍵、離子鍵和范德華鍵。通過這些鍵，PVAc長鏈大分子形成兼具黏性和彈性的膜結構。這些膜結構限制了黏土顆粒的位移。隨著粘結劑濃度的增加，PVAc分子與黏土顆粒之間相互作用形成的交聯體相互纏繞結合的可能性也隨之增加，從而在土體內部形成更完整的膜結構。因此理論上粘結劑濃度越高，黏土的整體性和穩定性越強。在實際試驗操作過程中，高濃度PVAc溶液中PVAc長鏈大分子之間彼此勾連纏繞，呈半凝膠態。經充分攪拌后，溶液無法充分分散在黏土顆粒之間，形成了分布不均勻的黏結核。制樣過程中黏土顆粒圍繞黏結核發生團聚現象。圖9為不同粘結劑添加量下一組干養20 d的直剪留存樣的平面視圖。圖9(a)為添加量3%的留存樣平面圖，圖9(b)為添加量1%的留存樣平面圖。可見3%添加量下試樣中黏土顆粒出現團聚現象，形成1～3 mm團聚體。這些團聚體彼此之間關聯性差，破壞了制得試樣的整體性，使得試樣的強度特性相比2%添加量的試樣有所降低。

圖9 不同粘結劑濃度下保留直剪試樣的頂視圖Fig.9 Top view of retained direct shear samples with different stabilizer concentrations

4 結論

本文通過直接剪切試驗和室內無側限抗壓強度試驗研究粘結劑不同添加濃度對黏土強度的影響，得出結論如下：

1)PVAc型粘結劑的加入能夠提高黏土的無側限抗壓強度和黏聚力。添加濃度不超過2%時，隨著粘結劑濃度的增加，黏土的無側限抗壓強度和黏聚力也隨之呈非線性增加。粘結劑改良黏土時的建議摻量不大于2%。

2)當粘結劑濃度大于2%時，黏土的無側限抗壓強度和黏聚力相比2%添加濃度時會有所降低。這是由粘結劑高添加濃度下黏土顆粒團聚，試樣整體性變差造成的。

3)黏土本身的性質使其內摩擦角的影響占主要作用。養護時間和粘結劑濃度造成的黏土內摩擦角變化有限。