有機硅材料作用下路基土體毛細水上升試驗研究

董慶杰 韓春鵬

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

公路路基作為道路的支撐結構，對公路的整體穩定性起到至關重要的作用。新建公路路基土體一般具有強度高、壓實性好等優點，但隨著使用時間的增加，路基土體受到外界環境影響，尤其是在地下水的毛細作用影響下，路基土體達到一個新的溫濕平衡的狀態，土體逐漸變得濕軟從而導致路基整體穩定性遭到破壞，尤其對于季凍區公路，地下水毛細作用會使路基土體遭受更加嚴重的凍融作用，出現更嚴重的凍脹、翻漿病害，對公路的正常使用造成了極大影響[1]。因此減緩、阻隔地下水的毛細作用對于路基土體十分重要。工程施工上采用設置路基隔水層來達到阻隔毛細水的目的。常見的隔水層形式為增加路基填高、換填土質、設置粒料層、不透水隔水層及土工格柵等。但這些隔水處理方式存在著增加工程預算及工程量、施工工藝復雜延長工期、對粒料類材料數量和質量上有一定硬性要求等缺點。針對上述隔水層不足之處，本論文采用有機硅疏水材料作為路基隔水層制備材料。由于有機硅疏水材料具有較強的疏水性，其在房屋室內防水、文物遺址保護、路基邊坡集雨等多個領域有著重要的作用，且其用作路基隔水層的設置材料擁有施工工藝簡單、造價較低、綠色污染等優點。本論文通過豎管法模擬路基地下水毛細上升試驗，通過不同高度處土體含水率的變化表征有機硅疏水材料阻隔毛細水上升效應。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

本試驗所用土體取自哈爾濱附近某公路施工現場，依照JTG E40—2007公路土工試驗規程對土體進行含水率測定試驗、顆粒分析試驗、界限含水率試驗以及擊實試驗，土體相關物理指標見表1。根據上述試驗可知，該土體不均勻系數Cu為15.06，顆粒粒組分布較廣，土體級配良好。該土體為低液限黏土，天然含水率為26.7%，液限34.5%，塑性指數11.6，最佳含水率為16.25%，最大干密度為1.78 g/cm3，適合用作路基填土。

表1 土體基本物理性質指標

1.2 有機硅疏水材料

有機硅疏水材料產自北京市家晟建材有限公司，為無味，無毒的流動性白色粉末狀材料，主要成分為含活性基團的有機硅烷物質，該材料細度為150目，純度較高。有機硅疏水材料具有優良的疏水性，同時抗酸堿、耐老化、防碳化、防潮、防霉、防凍、在水中的分散性極佳。有機硅疏水材料形態見圖1。

2 毛細水上升試驗

2.1 試驗儀器

由于JTG E40—2007公路土工試驗規程中毛細管水上升高度試驗的儀器尺寸較小，適用于風干狀態下土體的毛細水上升試驗而無法很好地模擬公路路基土體受到的地下水毛細作用。所以本試驗依據豎管法原理采取自行設計的有機玻璃管作為儀器主體，有機玻璃管內徑15 cm，壁厚0.5 cm，長度1 m。玻璃管底部開有4個直徑1 cm的半圓孔方便蒸餾水進入，玻璃管高度方向上自下而上每隔10 cm位置處在水平方向上每90°有直徑1 cm的小孔1個，即每個水平方向4個小孔，方便后期測量土體含水率，每個小孔對應有玻璃塞防止水分散失。

2.2 試驗方案

試驗土體過2 mm篩后按照最佳含水率使用噴壺灑水拌和，在密封的塑料袋中悶料24 h使水分擴散均勻；限于室內試驗現有條件很難在該試驗儀器尺寸下完成更高壓實度要求，因此選擇土體壓實度為90%。由前期室內變水頭滲透試驗可知，當有機硅疏水材料用量在100 g/m2、作用時間為24 h時其效果較好，該種作用方式下土體滲透系數較素土滲透系數降幅可達77.3%，故本次毛細水上升試驗選取該作用方式開展。詳細試驗方案如圖2所示。

本試驗共4組試件，分別為素土試件2個、作用有機硅疏水材料試件2個。由圖2可知有機玻璃管底部為振搗結實的4 cm高礫石及1 cm高石屑，石屑以上95 cm高度范圍內均為試驗土體，外部供水水面略高于石屑頂面高度。對于作用有機硅疏水材料試件，有機硅疏水材料的布置位置為距離水面高度以上20 cm處。

土體含水率的測量選擇最為準確的烘干法，使用特制的取土器在規定的時間取土。土柱某一高度斷面含水率的確定為該斷面4個小孔取出土體測得含水率的平均值，每個小孔每次取土不少于10 g以保證測量結果的準確性。完成一次土體含水率測量后，盡快按照取土時該孔土體的含水率及質量回配土體，回配結束后將土體填于開口處減小土體結構破壞對土體含水率的影響。土體測量時間點為毛細水土體制作完成當天，15 d,30 d,60 d。

2.3 試驗過程

1)將透水布封于有機玻璃管底部，以免管內固體材料外泄；

2)稱取一定質量礫石倒入有機玻璃管中，控制其搗實后的高度為4 cm。稱取一定質量的石屑覆蓋于礫石層上，控制經過搗實后的礫石與石屑總高度為5 cm。由于礫石層搗實后仍存在一定程度上的孔隙，可將其高度范圍視為地下水活動范圍。鋪筑石屑的目的在于一定程度上堵塞礫石層上表面部分孔隙，防止細顆粒土體滲入礫石層中；

3)將有機玻璃管內壁涂抹一層凡士林，防止土體與管壁接觸不實存在孔隙；

4)采用分層壓實的方法填筑土樣，提前按照90%壓實度計算好5 cm高度所需土樣質量，稱取該質量土樣通過長漏斗將土樣均勻平鋪在有機玻璃管內，遵循先中間后四周的原則均勻搗實至5 cm高度，拉毛鋪筑下一層；

5)對于對照組素土土柱重復步驟4)中方法直至裝滿整個有機玻璃管；對于試驗組，在作用有機硅疏水材料溶液前正常填筑土體，當到達預計設置隔水層高度處時，按照實驗方案使用噴壺均勻噴灑有機硅疏水材料溶液在土體表面，待規定的作用時間24 h到達后重復步驟4)填筑土體直至填滿有機玻璃管；

6)供水水面高度略高于有機玻璃管內石屑頂部高度；

7)按照監測周期測量土柱不同高度處土體含水率。

3 試驗結果分析

3.1 毛細水上升試驗土體含水率測量結果

不同位置處土體含水率如表2所示。

表2 土體含水率測量結果

3.2 不同位置處土體含水率隨時間變化情況

由圖3可知素土試件位置1及位置2處土體含水率隨時間變化最為明顯，位置1處土體含水率隨時間的增加持續增加，0 d～15 d含水率變化最快，增長率達28.5%，隨后其增長略微變緩。位置2處含水率的增長呈現出“較快—加劇—減緩”的趨勢，在15 d～30 d時間內含水率變化最為明顯，土體含水率增加速率為0.24%/d。位置3～位置6處土體含水率增長較為明顯，截止60 d時其較初始含水率增加分別為35.2%,13.2%,10.1%,13.4%。位置7～位置9處含水率沒有明顯變化，位置10處含水率略微下降，可能是由于試件頂部保鮮膜不能完全密封而使得土體水分散失。由圖4可知對于作用有機硅疏水材料的試件，位置1及位置2處土體含水率的變化趨勢與素土試件的相同，均呈現出隨著時間的增加含水率快速增加的狀態。位置1處土體含水率變化最為明顯，截至60 d時其含水率較初始含水率增加70.8%，位置2處含水率的增長同樣出現 “較快—加劇—減緩”的變化趨勢。位置3處0 d～30 d時含水率增加8.2%，截至60 d時含水率較初始增加16.2%。位置4處含水率在0 d～15 d內基本沒有變化，在15 d～30 d內有較明顯增加，在30 d～60 d時間內趨于平緩。位置5處～位置9處含水率沒有太大變化。這是由于有機硅疏水材料隔水層設置在距離水面高度20 cm位置處，介于位置2和位置3之間，有機硅疏水材料對土體毛細水上升起到了一定的抑制作用。

3.3 相同位置處土體含水率變化情況

有機硅疏水材料作用位置為距離水面高度20 cm處，介于位置2和位置3之間，由圖3及圖4可知作用有機硅疏水材料前后位置2處含水率變化趨勢基本相同，故分析對比位置3處含水率變化情況。

圖5所示為素土試件及作用有機硅疏水材料試件在位置3處較各自初始含水率增加率示意圖。由圖可知作用疏水材料后位置3處受到的毛細作用明顯下降，在15 d時作用有機硅疏水材料試件含水率增加率較素土的降幅為62.5%，30 d時降幅為54.2%，60 d時降幅為53.9%。

4 結論

1)毛細水隨著時間的增加，在土體中逐漸上升，土體各高度含水率隨著時間的增加呈現出“較快—加劇—減緩”的趨勢。

2)有機硅疏水材料隔水層能夠有效抑制路基土體的地下水毛細作用，對于在有機硅疏水材料隔水層以上的土體，其含水率的增長率較素土的降幅在50%以上。