黃原膠復合摻砂黏性土抗裂性能及其機理研究

黃蘭華，趙寧寧，戴承江，梅緒哲，劉 瑾*，王 梓

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311100)

黏性土作為載體被廣泛應用于人類工程地質活動中。在干旱氣候條件下，黏性土體干縮失水到達一定程度后，土體表面和內部就會發育大量縱橫交錯的干縮裂隙[1-2]。在黏粒含量較高的膨脹土中，這種現象尤其普遍和典型[3]，極大地弱化了土體的各項工程性質，影響建筑規劃。此外，土體內部的裂隙為物質運移提供了路徑，具體可表現為增大水土及養分的流失，加速地下污染物的運移及擴散等[4-6]。黏性土邊坡開裂之后形成流水通道，降雨時雨水入滲，坡面更容易被沖刷失穩，進而誘發崩塌、滑坡、泥石流等地質災害[7-9]。在極端氣候現象頻繁出現的當下及未來，土體開裂失穩的現象愈發值得重視，因此應對天然的黏性土加以改良，以期減少其裂隙發育，使之更好地滿足工程建設要求。現如今，以石灰、水泥等材料加固土體從而遏制開裂的技術應用較為成熟，其帶來的環境問題也相對嚴重。相比之下，許多新興高分子材料克服了上述不足，在土體加固領域展現出獨特優勢。黃原膠作為一種生物高分子聚合物，環境友好且成本低廉，近年來被作為土壤改良添加劑得到廣泛研究和使用[10-12]。黃原膠能夠與黏粒作用，大大提高黏性土體的整體穩定性[10]，因此能夠達成限制土體干縮開裂的目的。現下學界對于黃原膠復合黏性土的研究大多集中于土體強度及其力學性能，對于復合土體的干縮開裂及其機理有待作更進一步探究。

當前，針對黏性土體開裂及其機理研究，國內外多名學者基于不同溫度、邊界效應、土體厚度、水分蒸發、干濕循環等諸多試驗條件展開探索并取得了較大的進展[13-17]。大部分試驗皆采用無砂顆粒的黏土作為研究材料，而自然界中土體粒度分布不均，含有一定質量砂的混合土體十分常見。董薇等[18]對摻砂紅黏土在干濕循環作用下的收縮開裂情況進行研究，發現紅黏土的收縮性隨摻砂率增大而降低，干濕循環作用下，摻砂土樣表面裂隙的發展受到遏制。張虎元等[19]通過室內恒溫干燥試驗研究膨潤土-石英砂混合物的干縮開裂特征，發現摻砂率大于 30%時，石英砂顆粒逐漸相互接觸，土體的收縮及開裂受到抑制。除此之外對于摻砂黏土干縮開裂的研究較少，摻砂率對土體干縮裂隙的發育及其發展形式的影響等有著更深的研究價值。現階段學界對于黃原膠復合砂-黏混合物的相關研究有限，Ni等[20]通過無側限壓縮強度試驗探究黃原膠處理砂-黏混合物的力學性能，發現土體的最佳初始含水率隨摻砂率的增加而減小，并總結了不同黏土類型的混合物中最佳黃原膠含量，但關于土體干縮開裂的研究留待補充，摻砂率對復合黏土抗裂性能的改良效果及機理仍需進一步探索。

本文基于上述背景與亟待解決的問題，探索黃原膠和砂粒含量對土體裂隙發育的影響，評價復合土體的抗裂性能，進而分析抗裂機理。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本次室內試驗的黏土樣采用南京江寧地區下蜀土，自然狀態下的土體呈黃褐色，如圖1(a)。經干燥、粉碎后過2 mm篩備用，比重為2.71，塑液限分別為22%與36.6%，塑性指數為14.6。采用的黃原膠為某品牌黃原膠，呈白色粉末狀，如圖1(b)。試驗采用的砂為南京江寧地區的砂土，如圖1(c)，其粒徑分布曲線如圖2，物理參數如表1。

圖1 黏土、黃原膠粉末與砂Fig.1 Clay, xanthan gum powder and sand

圖2 砂土的粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of sand

表1 砂土物理參數Tab.1 Physical parameters of sand

1.2 試樣方案

本文采用干燥試驗研究黃原膠復合黏性土抗裂性能。采用制樣容器為規格16 cm×16 cm×6 cm的試樣盒，并將60目的砂紙以玻璃膠粘于容器底部，模擬自然條件下土體干縮開裂受到的摩擦效應的影響，同時為減少邊界摩擦力造成的誤差，將凡士林均勻涂抹在容器的四壁上。設定每份土體試樣為800 g的總質量，50%的初始含水率(Iw)，計算公式如下：

(1)

式中：IW為試樣的初始含水率，%；MW為所添加水的質量，g；MS為干黏土的質量，g。

本次試驗樣品分別控制質量分數為0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.25%的黃原膠與素土混合；控制質量分數為0%、15%、30%、50%、70%的砂分別與素土、0.05%黃原膠黏土及0.15%黃原膠黏土混合。控制試樣厚度為3 cm，樣品加水攪拌均勻后緩慢地倒入試樣盒中，振動3 min，排除攪拌過程中樣品內部產生的密閉氣泡，隨后用配套塑料盒蓋將試樣盒密封，靜置24 h使試樣沉積穩定。試樣穩定后取下容器蓋，使其表面暴露于空氣中，進行自然失水干燥，并按時拍照、稱重，每兩次稱重的讀數之差小于1 g時，標志為試樣干燥完全。

2 試驗結果與分析

2.1 黃原膠含量對黏土裂隙發育的影響

圖3為不同黃原膠含量黏土干縮開裂過程。由于土體裂隙無法超出容器邊界自由延伸發育，故為了減小邊界限制造成的影響，本文所示試樣照片均向中心等比例截取1 cm，選擇各組中的特征圖片進行展示。不同黃原膠含量的黏土初始狀態基本一致，其中素土達到穩定狀態時綻開多條主裂隙，衍生出數條次生裂隙與之呈近似直角相交，隨著黃原膠含量的增加，土體整體上開裂減少，裂隙由寬變窄。

圖3 黃原膠含量對黏土試樣裂隙發育的影響Fig.3 Effect of xanthan gum content on crack development of clay sample

根據試驗最終開裂圖片，利用裂隙圖像處理與定量分析系統[21-23]進行定量分析計算，得到不同黃原膠含量黏土的各項裂隙參數，如表2所示。其中分形維數反映了復雜形體占有空間的有效性，是復雜形體不規則性的量度。在當前的應用場景下，試樣表面的分形維數越大，其復雜程度與不規則性也就越高。分析表2可知，隨著黏土試樣中黃原膠含量的增大，試樣各項裂隙參數整體上呈遞減趨勢，及至含量為0.25%時通通減為0。可見，較高含量的黃原膠可以有效遏制黏土的裂隙發育，提高黏土的穩定性。

表2 不同黃原膠含量黏土試樣的各項裂隙參數統計表Tab.2 Statistical table of various crack parameters of clay samples with different xanthan gum contents

總體而言，摻加黃原膠的黏土裂隙發育更少，張開度更小。這是由于隨著黃原膠含量的增加，細小的土體顆粒與黃原膠分子形成基質膠結，抵抗土體本身因失水產生的張拉應力，維持土體結構穩定。當黃原膠含量較高時，多余的黃原膠粉末會吸附水分，形成高度粘滯的懸浮液，填補土壤顆粒之間的孔隙[24]。由表3可知，素土試樣在1.5 h左右發生開裂，黃原膠復合土樣產生裂隙的時間推遲甚至不開裂。如圖4(a)所示不同黃原膠含量黏土含水率隨時間變化曲線，隨著黃原膠含量的增加，含水率-失水時間曲線變緩，曲線趨于水平的時間推遲。如圖4(b)所示不同黃原膠含量黏土蒸發速率隨時間的變化曲線，試樣初始蒸發速率與黃原膠含量呈負相關，蒸發速率的下降逐漸變緩。可見，黃原膠能夠阻礙黏土中水分的運移，具有一定的保水性，延緩了土體開裂。

圖4 黃原膠含量對黏土試樣蒸發的影響Fig.4 Effect of xanthan gum content on evaporation of clay sample

表3 不同黃原膠含量下黏土試樣的始裂時間Tab.3 Initial cracking time of clay samples with different xanthan gum contents

2.2 摻砂率對不同黃原膠含量黏土裂隙發育的影響

圖5為不同摻砂率下黃原膠黏土最終開裂情況。可見，隨著摻砂率的增大，各黃原膠含量的土樣干燥收縮范圍減小，裂隙向窄小化方向發展，部分表層土體邊緣向上卷曲變形，出現“煎餅效應”[2]，0.15%黃原膠含量且摻砂的試樣始終不開裂。結合圖像分析獲得的裂隙參數(表4)可知，較低黃原膠含量下，摻砂率較低(0～30%)時，砂土對試樣抗裂性能改善較小；隨著摻砂率的增大，土體整體上的裂隙率、裂隙平均寬度及分形維數呈現出遞減趨勢。以上皆表明摻砂在一定程度上能夠限制土樣裂隙的發育，這是因為砂粒本身不具備收縮性質，顆粒較大的砂摻入后在顆粒較小的黏土集合體間形成較大孔隙，降低了土體顆粒間的毛細效應，減小了裂隙表面的張拉應力，抑制了其張大和延伸[19]，土塊收縮范圍隨之減小，而各試樣始裂時間也隨摻砂率增大而推遲(表5)。其后隨著黃原膠的加入，土體試樣抵抗張拉應力的能力得到提高，裂隙發育被進一步抑制，至0.15%黃原膠含量時摻砂土樣皆無裂隙產生。

圖5 不同摻砂率下黃原膠黏土試樣最終開裂情況Fig.5 Final cracking of xanthan gum clay sample under different sand contents

表4 不同摻砂率下黃原膠黏土試樣的各項裂隙參數統計表Tab.4 Statistical table of various crack parameters of xanthan gum clay samples under different sand mixing rates

表5 不同摻砂率下黃原膠黏土的始裂時間(單位：h)Tab.5 Initial cracking time of xanthan gum clay under different sand mixing rates

3 機理分析

3.1 黃原膠影響黏土抗裂性能的機理

黏土顆粒因為雙電層作用，其表面往往有一層結合水化膜附著，阻隔了顆粒間的直接接觸，也為土體失水收縮提供空間。干燥失水過程中，黏土表面的自由水首先蒸發，土體下層的水分在毛細作用下運移至表層并產生基質吸力，孔隙半徑因此減小，進而形成張拉應力場。當土體內部某處的張拉應力逐漸增大并超過抗拉強度時，便會引發拉裂破壞，形成“V”字形裂隙[2]。

本次制樣采用的黏土已經粉碎研磨且過2 mm篩，因此無黃原膠未摻砂的素土試樣可視為均質土體，粒間孔隙分布較均勻，水分自下而上運移的路徑較短且規律。圖6為黃原膠影響土體開裂的機理示意圖，其摻入土體后與細小顆粒形成基質，膠結加固土體并填充粒間孔隙，阻塞了土體下層的水分向上運移補償表層蒸發的通道，減少并延長了水分遷移路徑，如圖6(a)所示。黃原膠遇水形成高黏性的凝膠，包裹在土顆粒表面增強黏性，或在非接觸的土顆粒間起到橋梁作用，加強顆粒間的相互連接，如圖6(b)(c)所示。由于黏土顆粒表面存在著陽離子吸附，黃原膠分子鏈上的羥基(-OH)和羧基(-COOH)可以與之形成離子鍵橋聯，進而牢固地吸附在顆粒表面膠結土顆粒[12]。可見，黃原膠的摻入降低了黏土的孔隙度，阻礙了水分蒸發，減小了土體表面張拉應力，同時增強了土顆粒間的聯結能力，提高了土體的完整性，增強了土體的抗拉性能。隨著黃原膠含量的提升，黃原膠與黏土顆粒的結合越發緊密，土體結構越發穩定，土體抗裂性能得到增強。

3.2 砂影響不同黃原膠含量黏土抗裂性能的機理

砂顆粒粒徑遠大于黏土顆粒，表面能較低且不具備收縮性，摻入土體后加速了剛性顆粒在干燥過程中的相互接觸，導致了區塊收縮范圍的減小[19]。同時，砂的摻入改變了土體的內部結構，擾亂了原有的孔隙分布，在黏土集合體間形成較大孔隙，其孔徑更甚于集合體間孔隙[25]，導致水分遷移路徑變更，減緩了運移速率，推遲了土體產生開裂的時間(表5)。根據非飽和土力學理論，土體毛細水效應產生的基質吸力與孔徑成反比，因此隨著摻砂率的提高，土顆粒間孔隙增大，基質吸力減小，進而使得土體表面顆粒所受的張拉應力降低，遏制了裂紋擴展。

圖6 黃原膠影響土體開裂的機理示意圖Fig.6 Schematic diagram of mechanism of xanthan gum affecting soil cracking

圖7為不同摻砂率下砂顆粒與土顆粒間的關系示意圖。相關研究表明，在摻砂率不足30%的條件下，砂顆粒被黏土顆粒包圍，相互之間難以接觸，混合土體的基本特性主要由黏土控制，砂對土體干縮開裂的抑制作用不明顯；摻砂率大于30%后，砂顆粒間相互靠近，易在土體間形成大孔隙，顯著阻礙了裂隙進一步發展[19]，與前文圖6及表4描述相符合。結合斷裂力學理論，土體產生龜裂后，裂紋尖端出現應力集中和應力無窮大的奇異性現象，而隨著蒸發的持續進行，基質吸力逐步增強，土體表面張拉應力增大，裂紋的應力強度因子達到其斷裂韌度，隨即發生失穩擴展[26-27]。通過對黏土-砂混合試樣斷裂韌度的測定，可以發現其隨著摻砂率的增大呈現先升高后降低的趨勢，約在摻砂率30%時達到峰值[28]。因此，砂的摻入增大了顆粒間的摩擦力，大大提高了土體的抗斷裂能力[29]。土體摻砂率在大于30%后，還在持續增大，導致了顆粒間的基質吸力減小，裂紋的應力強度因子減小，裂隙縱向發育困難，宏觀表現為其寬度及深度的減小。

圖7 不同摻砂率下砂顆粒與土顆粒間的關系示意圖Fig.7 Schematic diagram of the relationship between sand particles and soil particles under different sand mixing rates

如上文所述，將黃原膠摻入混合土體后，在摻砂率不超過30%的條件下，其加固機理與純黏土類似，黃原膠聚合物與黏土顆粒直接相互作用形成穩定結構加固土體，遏制了裂隙的產生。摻砂率超過30%后，砂顆粒之間接觸增多，黃原膠聚集覆蓋在砂顆粒表面，增大了粒間接觸面積，也在離散的砂顆粒之間建立了連接橋梁，如圖8所示。與表面帶電的黏土顆粒不同，砂顆粒表面呈電中性，黃原膠膠體緊密地包裹并纏繞在砂土顆粒之間，二者沒有顯著的相互作用產生[10]。隨著蒸發的持續進行，黃原膠膠體中的水分不斷揮發，形成網狀膜，將松散的砂土顆粒固結成一個較為穩定的結構。混合物中的摻砂率越大，土體的固結作用也就越發明顯。在此基礎上，多余的黃原膠分子與含量較少的黏土顆粒相互作用形成基質，填補粒間孔隙，降低了土體的毛細作用及滲透性能，增強了粒間聯結能力，提高了土體的完整性，增大了其表面強度，顯著阻礙了裂隙發育。

圖8 黃原膠膠結含砂黏土微觀示意圖Fig.8 Microscopic diagram of xanthan gum cemented sandy clay

4 結論

1)黃原膠的摻入能夠延緩水分運移，提升土體的穩定性，有效減少土體開裂。隨著黃原膠含量的增加，土體裂隙率、裂隙寬度、分形維數皆呈現遞減趨勢，試樣初始蒸發速率減小，始裂時間推遲，蒸發速率的下降變緩。當黃原膠含量達到0.25%時，無裂隙產生。

2)較高的摻砂率對土體干縮開裂具有一定抑制效果，且與黃原膠的復合改良效果明顯。由于砂粒的存在導致區塊收縮范圍減小，當摻砂率小于30%，試樣裂隙參數受影響較小；當摻砂率逐漸增大，土體裂隙率、裂隙平均寬度及分形維數降低，裂隙發育受到抑制。

3)黃原膠在土體中與水和黏土顆粒反應形成膠體和基質，令土顆粒間的聯結能力增強，土體的抗拉性能得到提升，同時降低了黏土的滲透性，延緩了水分蒸發，使得土體表面張拉應力減小。隨著黃原膠含量的提升，土體抗裂性能增強，裂隙向窄小化方向發展。

4)砂粒摻入黏土中后，加速了剛性顆粒的相互接觸，限制了土體的干燥收縮。同時土體內部孔隙及粒間摩擦力增大，水分運移速率和基質吸力降低，土體抵抗斷裂的能力增加，裂隙向表層發展。摻入黃原膠后，膠體與砂土顆粒膠結固化形成穩定結構，增強了土體抗裂能力。抑制混合物干縮開裂的最低摻砂率為 30%。