不同含水率對于黃原膠改良土性能影響研究

黃馨平

(西京學院土木工程學院，陜西 西安 710123)

1 研究背景

近年來，氣候變化問題已經引起世界各國以及社會各界的廣泛重視，并成為了眾多學者探討的焦點。在實際工程中，人們常使用水泥、石灰、粉煤灰等外摻料對不適于直接使用的土進行改良，以達到工程活動的目的。然而，這些傳統的改良劑不僅會影響土壤的pH值，破壞自然環境，生產制備的過程也會產生大量溫室氣體[1]。

作為一種從天然資源中產生的可降解大分子多糖，生物聚合物主要種類包括多糖、蛋白質、海洋原核生物、生物衍生單體的化學合成產物以及微生物活動產物等。由于其在自然界中分布廣泛，理化性質優良，國內外研究學者通過對其分離、表征、生物活性和結構特征等方面進行研究，嘗試將生物聚合物用于巖土工程，并取得了一定成果[2]。由于黃原膠在較低濃度下也能夠表現出較高的黏度，溶液的黏度隨含量呈線性增加，同時表現出偽塑性行為，在廣泛的溫度、pH和電解質濃度范圍下表現出較高的穩定性[3]。因此被廣泛應用于食品、化工行業[4-5]。基于可持續發展的觀念以及綠色環保要求，近年來，國內外研究學者發現黃原膠可作為一種綠色環保可降解的土壤改良劑來彌補傳統土壤改良技術的缺陷，同時能表現出較高的土壤強化效率和足夠的經濟可行性。

AM Firat Cabalar通過直剪試驗發現黃原膠含量和固化時間顯著影響砂的剪切強度[6]。N Latifi的研究說明了黃原膠作為環保穩定劑的可行性，可以改善低溶脹和高溶脹黏土的工程性能[7]。I Chang等人則進一步揭示了黃原膠與土壤共同作用的工作機理，同時提出黃原膠的強化效果取決于土壤類型、含水量、黃原膠含量和混合方式四個因素[8]。Cabala等人將黃原膠與砂土進行混合對土的剪切特性進行研究，發現土體抗剪強度增加與黃原膠含量成正比[9]。Chang等人指出黃原膠用于土壤處理的效果是可行的，黃原膠可以大大提高土壤的抗壓強度，在抗侵蝕、防荒漠化方面具有巨大價值[10]。

目前已有許多案例證明黃原膠在巖土工程中實施的效果，例如使用進行邊坡表面處理[11]發現黃原膠處理后的邊坡表面植被密度以及表面抗侵蝕性顯著增加[12]。以邊坡處理為例，土壤含水率是影響邊坡穩定性的重要因素[13]。土壤的含水率是土的基本物理指標之一，不僅反映了土壤的干濕狀態，還影響著土壤的力學性質。

本研究旨在研究含水率對黃原膠處理土壤的工作性能影響。通過調整不同飽和含水率，對黃原膠處理后的土壤進行直接剪切試驗、變水頭滲透試驗以及壓縮試驗。討論了黃原膠與土壤在不同含水率條件下的鍵合性能，進一步解釋了黃原膠改良土在不同的水分條件下的性能。

2 研究方法

2.1 土樣

試驗所選取土樣為重塑廣州砂質黏土，其基本物性指標見表1。

表1 砂質黏土基本物性力學指標

2.2 黃原膠

本研究所使用的黃原膠為河南省鄭州裕和食品添加劑有限公司所生產的可食用級黃原膠。

2.3 試樣制備

本研究所選用的黃原膠溶液濃度參考Chang等的研究，發現本實驗所用土樣在2%黃原膠的質量濃度下的剪切強度強化效率最高，由于本研究主要分析含水率對黃原膠改良土的工作效果影響，對(w)水[14]為30%飽和含水率，45%飽和含水率、60%飽和含水率、100%飽和含水率的黃原膠改良土樣進行試驗。

首先，用蒸餾水制備黃原膠溶液，用磁力攪拌器按預定濃度攪拌。由于黃原膠吸水性較強，制備過程中應該保證黃原膠充分溶解無結團。其次，對土進行碾壓、分篩、風干后稱取適量風干土稱取相應質量的黃原膠溶液以達到規定的含水率，將其充分混合翻拌均勻，放置于密封袋中室溫養護7 d。最后，根據擊實試驗獲得的最大干密度稱取相應質量的土壤，用壓樣法制作試樣。

2.4 試驗方法

1)直剪試驗：采用不固結不排水直剪試驗，所施加豎向壓力分別為50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa，直剪速度為0.8 mm/min，試驗過程參照GB/T 50123—2019土工試驗方法標準。

2)滲透試驗：采用變水頭滲透試驗，試驗過程參照GB/T 50123—2019土工試驗方法標準進行。

3)壓縮試驗：標準固結試驗適用于飽和黏土，由于本試驗采用試驗土樣均為非飽和土，故只進行壓縮。豎向壓力分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa，每次施加一級壓力后間隔24 h讀數，試驗過程參照GB/T 50123—2019土工試驗方法標準。

3 結果與分析

3.1 直剪試驗成果與結果分析

將摻入2%質量濃度黃原膠溶液的改良土樣調整至相應飽和含水率并室溫養護7 d，如圖1,圖2所示，當改良土樣含水率小于最優含水率時，黃原膠改良土的黏聚力、摩擦角均隨著含水率的增加而增加。這是由于此時土樣中含有大量毛細水，顆粒間的毛細水在表面張力作用下向內收縮形成彎液面，表面張力的方向與彎液面相切，其合力方向指向接觸面，使得土樣黏聚力增加[15]；另外要使土顆粒之間發生相對滑動，不僅要克服摩擦力，還要克服由于生物聚合物的摻入而提高的黏聚力。

當土樣含水率由最優含水率提高至完全飽和，黃原膠改良土樣的黏聚力降為15.3 kPa，降低至最優含水率(質量分數)黃原膠改良土樣的18.6%，內摩擦角也減小至30.3°(見表2)。當改良土樣含水率大于最優含水率時，土樣中的自由水增加，水的偶極性干擾削弱黃原膠與土顆粒之間的有效黏結，導致黃原膠凝膠的強度由于吸水而降低。進而的，生物聚合物由于表觀黏度的降低繼而表現為連接土顆粒的能力下降，因此黏聚力下降，土樣抵抗剪切時顯示出的強度取決于連接土顆粒的黃原膠凝膠的強度。并且隨著含水率增加，黃原膠的相對含量也隨之增加，生物聚合物對顆粒表面的覆蓋作用顆粒間摩擦力減小，從而減少了部分土壤的粗糙互鎖，導致摩擦角的減小。

表2 不同含水率黃原膠改良土直剪強度指標

3.2 滲透試驗成果與結果分析

將摻有質量分數為2%黃原膠的土樣調整至規定含水率并養護7 d，從圖3中可以清楚看到，黃原膠改良土的含水率提高使得土樣滲透系數有明顯降低。與未處理土樣作比較發現，完全飽和的黃原膠改良土滲透系數從8.38×10-6cm/s降低至1.76×10-7cm/s，滲透系數降低至未處理土樣的2.10%。滲透性的降低主要由于兩方面因素導致：其一，隨著含水率的提高黃原膠的相對含量也隨之增加，土壤基質內的交聯元素填充空隙并阻礙通過試樣的流動；另外，與黃原膠吸水特性有關，當改良的土壤被浸濕時黃原膠就會膨脹，形成纖維狀網絡并填充土壤中的孔隙，這種聯系的數量隨著土中黃原膠含量的增加而增加。

3.3 壓縮試驗成果與結果分析

如圖4所示，將不同含水率(質量分數)的2%黃原膠改良土樣養護7 d，隨著土樣含水率逐漸增加至完全飽和，壓縮模量Es從11.11 MPa降至4.48 MPa。無處理對照組的壓縮模量Es從7.20 MPa降至2.24 MPa。當含水率為同一水平時，經黃原膠處理的土樣壓縮性顯著低于無處理對照組。同時，如圖4～圖6顯示，土在前期固結壓力作用下，含水率變化對土的壓縮性有重要影響，在同一級荷載作用下，改良土的軸向變形隨著含水率的增加而逐漸增加；土樣含水率越大，孔隙比的變化速度越快，土樣越易被壓縮；隨著豎向壓力增大，土樣孔隙比的變化率減小，壓縮變化率也越來越小。黃原膠壓縮性變化符合常規固結試驗中的一般性壓縮規律。對比圖5與圖6，可以發現土壤經過2%黃原膠處理后孔隙比有明顯的降低，并且在施加相同豎向壓力下黃原膠組的孔隙變化小于無處理土樣，這是因為在7 d養護時間內黃原膠由于脫水硬化具有了部分強度，即使土樣中自由水的含量提高會削弱黃原膠與土顆粒結合效果，但黃原膠依舊能夠在一定豎向壓力下的作用下與土顆粒協同作用構成更為牢固致密的土顆粒骨架抵抗變形。

當飽和含水率(質量分數)小于60%時，相對于最優含水率的無處理土樣壓縮模量Es為7.2 MPa，黃原膠對土樣壓縮性的降低效果是明顯的。這是因為在較低的黃原膠含量下，氫鍵與陽離子橋接的形成降低了土壤-生物聚合物混合物的壓縮性。而當黃原膠改良土樣的含水率繼續增加，黃原膠凝膠取代了低塑性黏土的土壤顆粒，吸收了更多的水分，減少了黃原膠和土壤顆粒之間的相互作用，從而提高了壓縮性值[16]。

作為親水凝膠型生物聚合物，黃原膠的主要缺點是它們對水的敏感性。從直剪試驗的結果可以得出結論，黃原膠處理后的砂質黏土的剪切強度隨著土壤含水量的增加而大大降低。這種缺點同樣體現在生物聚合物改良土的壓縮性方面。當改良土含水率增加，水的偶極特性干擾作用使得生物聚合物優先與水之間發生反應從而削弱了生物聚合物與土壤之間的黏結效應[17]，并大大提高了土壤的壓縮性。

4 結論

通過對不同飽和含水率(質量分數)的2%黃原膠改良土進行室內試驗研究，試驗結果表明:

1)通過直剪試驗反映出，黃原膠通過改善土顆粒之間的有效黏結來提高土壤的剪切強度。土壤含水量在最優含水率附近時，黃原膠對土壤剪切強度的強化效率最高。

2)黃原膠通過吸水膨脹填充孔隙與土顆粒的交聯黏結而降低土壤的滲透性能、提高土體的壓縮性能。在7 d的養護時間內，黃原膠的主要缺點是它對水的敏感性，土壤中自由水會干擾黃原膠凝膠與土顆粒之間的黏結效應，從而影響黃原膠改良效果。

3)隨著黃原膠改良土樣中含水率的提高，滲透性的降低主要由兩方面因素導致：其一，土壤基質內的交聯元素填充空隙并阻礙通過試樣的流動；另外，與黃原膠吸水特性有關，當改良的土壤被浸濕時黃原膠就會膨脹，并形成纖維狀網絡填充土壤中的孔隙。

4)與水泥等其他材料相比，黃原膠具有可持續性和環境友好性，是一種很有前途的土壤改良材料。然而黃原膠此類親水類生物聚合物在實際工程中的使用需要考慮環境中的水含量與地下水位關系，從而保證其能夠發揮改良效果。