黃原膠改善黏土斷裂性能研究

呂家棟　趙立財

摘要：為了研究生物聚合物黃原膠對黏土抗彎強度及斷裂性能的影響，在黏土中加入不同含量黃原膠，通過制成單邊缺口梁進行三點彎曲試驗，分析了不同含水率及不同黃原膠含量下黏土梁的斷裂行為。結果表明：含水率與黏土梁的抗彎強度及斷裂特征參數在低含水率狀態下呈顯著的負相關特征；黃原膠的添加能顯著提高干燥狀態下黏土梁的抗彎強度、斷裂性能以及黏土梁斷裂前的最大位移，同時使得黏土梁由脆性破壞向延性破壞轉變，這些性能的提高與黃原膠含量呈正相關。最后基于含水率和黃原膠含量建立了黏土梁抗彎強度及斷裂參數的非線性表達式，擬合結果證實其具有較高的準確性。

關 鍵 詞：黏土； 黃原膠； 含水率； 抗彎強度； 斷裂能； 斷裂韌性； 三點彎曲試驗

中圖法分類號： S156.3

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.029

0 引 言

純黏土在濕潤條件下具有較強的韌性，在干燥條件下具有較高的干強度，因此在工程建（構）筑物中被廣泛應用，如土壩、路堤邊坡、老式建筑等。但黏土在干燥過程中斷裂特性和韌性的發展是制約其在工程中使用頻率的重要因素，也是黏土類建（構）筑物修復加固工程中亟待解決的問題。

黏土在失水過程中，由于土顆粒間水分的排出，顆粒相互靠攏、間距縮短而引起土體收縮，并在土體內部形成收縮裂縫［1］。裂縫的不斷發展對土工建（構）筑物將造成嚴重的負面影響，例如引起土壩滲漏、墻體開裂等。然而，無論在何種條件下對失水黏土進行水分補給，都無法使由于干燥失水引起的黏土體裂縫完全自愈［2-3］，同時采用纖維增強體亦無法避免土體在干濕循環下，因纖維材料達到疲勞強度或拉斷引起的裂縫發展［4-5］。因此，要解決黏土開裂問題需要從黏土自身性質的改良上考慮。微生物誘導碳酸鈣沉淀技術（MICP）已廣泛應用到土體加固、土性改良等方面［6-8］。研究表明，經生物聚合物處理后，土壤的強化特性與土壤類型、水化程度、生物聚合物類型和含量以及混合方法密切相關［9-11］。大量學者對巴氏芽孢桿菌誘導碳酸鈣沉淀加固土體進行了研究，總結出微生物技術可有效降低土體滲透性［12］、提高土體抗剪強度［13］和抗壓強度［14］等。同時有研究表明，生物聚合物處理可使砂土的剪切強度和黏合性能隨著水分的蒸發而增加［15］。借助這些特點，采用生物聚合物改善黏土斷裂性能成為了切實可行的技術方法。黃原膠是一種環境友好型生物聚合物，在工程實踐中與土體協作表現出良好的適宜性及穩定性，被廣泛用于土體加固［16-19］。但目前采用黃原膠提升黏土斷裂性能的研究較少，尤其是生物聚合物對黏土在干燥失水過程中斷裂性能的影響。因此綜合考慮含水率與黃原膠含量雙因素變化條件下，黏土斷裂性能的發展規律有待進一步研究，這對加強黏土類建（構）筑物的防護和修復具有積極的意義。

基于此，本文采用黃原膠與黏土混合，通過黏土梁彎曲試驗研究黃原膠對干燥過程中黏土斷裂行為的影響，總結了干燥過程中黏土斷裂能和斷裂韌性隨含水率及黃原膠含量變化的規律。

1 試驗準備及方法

1.1 試驗材料

研究采用中弘生物有限公司生產的黃原膠粉末作為生物聚合物添加劑。黃原膠是由野油菜黃單胞桿菌（Xanthomnas campestris） 以碳水化合物為主要原料（ 如玉米淀粉） 經發酵工程生產的一種作用廣泛的微生物胞外多糖（見圖1）。這種陰離子生物聚合物很容易通過氫鍵吸附水分子形成黏性水凝膠，同時其表面親水性陰離子與陽離子反應，導致其凝膠化效果更為突出［20］。

本次研究所用黏土取自西南地區，采用3組平行試驗測得其基本物理力學參數見表1，土樣2 mm以下細顆粒的粒徑分布情況為：粒徑0.075～2 mm顆粒含量約為16.50%，粒徑在0.005～0.075 mm之間的含量約為28.22%，小于0.005 mm的顆粒含量約為55.28%。采用X射線衍射（XRD）對土樣進行礦物成分分析（見圖2），可知高嶺石含量占比58%、伊利石占比21%、蛭石占比10%、斜長石占比6%、方解石占比4%。此土樣中黏土礦物以高嶺石為主，該類黏土礦物土顆粒往往帶正電荷，可以通過靜電力有效地附著在帶負電的黃原膠長鏈上，呈現出絮凝的織物結構［21］。采用液塑限聯合測定試驗測得黏土樣的塑限含水率及液限含水率分別為25.72% 和 45.00%，土壤最優含水率為24.14%。

1.2 試樣制備

本次研究采用干混的方式制備土樣，即先將黃原膠粉末與土料混合均勻再加水攪拌制樣，混合前先將土樣干燥、過篩，剔除大于2 mm的土顆粒，以保證土料的均勻性。研究表明，過量的黃原膠會影響樣品的制樣質量，其最優質量百分數為黏土質量的1.0%～1.5%［17］，在本次研究中黃原膠粉末添加量分別設定為0，0.5%，1.0% 和 1.5%共4組。加入不同質量的水，控制土料含水率分別為24%，18%，12%。然后按黏土料的最大干密度制樣，計算在干密度為1.7 g/cm3時不同含水率試樣所需的土料質量，分層填入鋼梁模具中，并用木錘擊實，黏土梁制樣尺寸為240 mm×30 mm×30 mm。制樣完成后將土樣和模具一并放入恒溫恒濕養護箱中，在溫度20 ℃及與含水率對應的濕度環境下養護7 d。干燥狀態下的黏土梁試樣是含水率為12%的試樣養護完成后，采用烘干裝置在60 ℃下烘干至質量恒定狀態，測得其含水率約為2%。制樣完成后，將制備的試樣進行切口處理，采用0.5 mm厚度的鋼鋸在黏土梁試樣受拉側鋸入梁高度的1/3，以備試驗。本次試驗所用儀器為南京華德土壤儀器制造有限公司生產的WDW-100D微機控制萬能伺服機。

2 試驗方法

本文對黏土梁斷裂性能的研究采用三點彎曲試驗進行，考慮到梁自重引起梁中部發生撓曲，為減少自重影響，最佳支座位置［22］及試樣加載如圖3所示，此時試樣受拉側支撐跨度為133 mm。由于黏土梁抗彎強度及韌性受含水率影響較大，因此在試驗準備及試驗過程中應特別注意對黏土梁的保護，避免試驗外因素對黏土梁強度及韌性的擾動。試驗加載過程采用位移控制，控制加載速率為0.2 mm/min，文獻［23］表明在此加載速率下，黏土梁斷裂時長為5～10 min，試驗過程中記錄黏土梁的荷載-位移曲線。

3 試驗結果

3.1 黏土梁三點彎曲試驗荷載-位移特征

圖4為在不同含水率及不同黃原膠添加量條件下，黏土梁三點彎曲試驗荷載-位移曲線。可以看出：隨著含水率的增加，試樣承受的最大荷載呈降低趨勢，這符合一般土體的力學特征。隨著黃原膠添加比例的增加，試樣在各含水率條件下所能承受的最大荷載均呈增加趨勢，且在干燥狀態（含水率2%）下顯著增加。這是由于黃原膠是具有親水基團的生物聚合物，黃原膠分子與帶電黏土中羥基和羧酸基團內的陽離子橋聯形成黏土-黃原膠團聚體。同時黃原膠通過水凝膠的水合作用改變了土壤特性，在干燥過程中，水分子傾向于從聚合物鏈中逸出，水凝膠從橡膠態逐漸轉變為玻璃態，這一系列反應使得黏土試樣承受的最大荷載與黃原膠含量呈現出正相關特征（見圖5）。

添加黃原膠能顯著地增加黏土梁破壞前的最大位移，表2為各試樣在峰值荷載作用下的最大位移?？梢钥闯觯何刺砑狱S原膠的黏土梁，干燥狀態下其最大位移最?。浑S著含水率增加，其最大位移在各含水狀態下相差較小。對于含黃原膠的黏土梁，在同一含水率狀態下，黏土梁的最大位移隨黃原膠含量的增加而增長，并且在由0.5%增加至1%時有最大的位移增量。在同一黃原膠含量條件下，黏土梁位移最大值出現在干燥狀態下（含水率2%），并表現出隨著含水率的增加而先減后增的特征。

3.2 黏土梁抗彎強度

圖6為不同黃原膠含量（即0，0.5%，1.0%和1.5%）處理后黏土梁在各含水率下的抗彎強度特征。隨著含水率的減小，不同黃原膠含量的黏土梁抗彎強度均呈增加的趨勢，這是由于水的不斷蒸發和黃原膠凝膠硬化增強了黏土梁的整體強度。黃原膠在不同含水率條件下對黏土梁抗彎強度的影響有所不同，在高含水率（24%）下，黃原膠含量對抗彎強度的影響相對較小，在試驗范圍內表現為每增加1%的黃原膠使黏土梁抗彎強度增加5.63 N/cm2。隨著含水率的降低，黃原膠對抗彎強度的影響逐漸增加，在含水率為12%時，每增加1%的黃原膠使黏土梁抗彎強度增加13.65 N/cm2。處于干燥狀態的黏土梁試樣與其他含水狀態的試樣抗彎強度性質有所不同，黃原膠的添加與否使得干燥狀態下黏土梁抗彎強度存在較大差異。在干燥狀態（含水率2%）下，黃原膠添加量從0增至0.5%時，黏土梁抗彎強度增長約2.7倍，之后，每增加1%的黃原膠可使黏土梁抗彎強度增加67.00 N/cm2。

3.3 黏土梁斷裂能及斷裂韌性

不同含水率和不同含量黃原膠條件下黏土梁斷裂能如圖7所示。假設黏土梁在斷裂前的斷裂特征符合Griffith斷裂理論，斷裂能主要由土顆粒間的結合力和破壞前的位移決定，抗彎強度則是土顆粒結合力的表達。從圖7可以看出：在純黏土梁中，當含水率從24%減少到12%時，斷裂能受斷裂位移減小發生的衰減由抗彎強度進行了一定程度補償，因此該含水率范圍內純黏土梁斷裂能下降不明顯。在含水率降低至2%（干燥狀態）時，斷裂位移對斷裂能起主要控制作用，導致該狀態下黏土梁斷裂能明顯降低。黃原膠的添加顯著改變了黏土梁的斷裂特征，各含水率下添加黃原膠的黏土梁，斷裂能隨著黃原膠百分比的增加而增加。與純黏土梁相似，在含水率為12%～24%時，黏土梁斷裂能的變化并不明顯，但在干燥條件下，黃原膠的添加使得黏土梁的斷裂能顯著提高，且隨著黃原膠比例的增加，斷裂能增長率明顯增加。

圖8為不同含水率和不同黃原膠含量條件下黏土梁的斷裂韌性。可以看出：純黏土梁的斷裂韌性在試驗范圍內各含水率條件下均處于低值，直至含水率降至最低，其斷裂韌性有較明顯提高。經黃原膠處理的黏土梁斷裂韌性明顯提高，且隨黃原膠含量的增加而明顯提高。與純黏土梁相似，在含水率為12%～24%之間時，隨著含水率降低，添加黃原膠的黏土梁斷裂韌性上升并不顯著，但在干燥條件下（含水率2%）斷裂韌性有顯著增加，黃原膠含量為1.5%的黏土梁在干燥條件下斷裂韌性約為純黏土梁的4.06倍。

4 黏土梁斷裂特征

圖9為干燥狀態（含水率2%）及含水率為24%狀態下，黃原膠含量為0和1.5%時黏土梁的破壞形態?？梢钥闯?，不含黃原膠的黏土梁斷裂面以豎直方向發展為主，脆性破壞特征較為明顯；黃原膠的添加使得斷裂面呈“S”形發展，且在高含水率下發展出支裂縫，表現出一定的延性破壞特征。

以上研究表明，含水率及黃原膠含量與黏土梁的抗彎強度及斷裂特征均存在密切的聯系，整體上隨著含水率的降低和黃原膠含量的增加，抗彎強度及斷裂參數呈現出提高的趨勢。這一變化過程中，各含水率或黃原膠含量條件下，黏土梁的抗彎強度及斷裂參數并不僅僅受某單一因素影響顯著，而是表現出在不同區間具有不同的影響程度。因此在綜合考慮兩種因素影響的基礎上，建立了黏土梁抗彎強度及斷裂參數的非線性表達（式（4）～（6）），擬合情況見圖10～12。抗彎強度、斷裂能和斷裂韌性與含水率及黃原膠含量的相關性分別為0.902，0.924，0.897，表明其具有顯著的相關性。

R=16.805+0.348w2-15.451X2-4.339wX-10.489w+116.856X（4）

GF=23.298+0.087w2-11.923X2-1.434wX-2.039w+71.818X（5）

KIC=88.018+0.394w2-13.157X2-3.384wX-11.231w+95.163X（6）

式中：w為含水率，%；X為黃原膠含量，%。

5 結 論

本文通過三點彎曲試驗，介紹了不同含水率及黃原膠含量下黏土梁抗彎強度及斷裂性能，得出如下結論。

（1） 三點彎曲條件下，較高含水率的黏土梁最大承載能力及抗彎強度隨含水率降低而增加，增加幅度較小，在干燥狀態下（含水率2%）則表現為顯著增加，含黃原膠的黏土梁其抗彎強度顯著高于純黏土梁。黏土梁達到峰值荷載時的位移隨著含水率的增加而先減后增，并在黃原膠含量由0.5%增加至1.0%時達到最大。

（2） 黃原膠對高含水率黏土梁斷裂能及斷裂韌性的影響較小，但對低含水率黏土梁的斷裂能及斷裂韌性有顯著的提高，提高幅度與黃原膠含量呈正相關。

（3） 就破壞特征而言，黃原膠的添加使得黏土梁的斷裂由脆性破壞向延性破壞特征轉變，破壞過程中黏土梁的抗彎強度、斷裂能和斷裂韌性與含水率及黃原膠含量表現出顯著的非線性關系，可據此計算不同含水率及黃原膠含量下黏土梁的抗彎強度及斷裂參數。

參考文獻：

［1］馬通，龔緒龍，孫強，等.黏土失水收縮裂隙的動態演化規律［J］.中國地質災害與防治學報，2013（3）：127-131.

［2］杜長城，祝艷波，苗帥升，等.三趾馬紅土失水收縮裂縫演化規律研究［J］.巖土力學，2019，40（8）：3019-3027，3036.

［3］ALBRECHT B A，BENSON C H.Effect of desiccation on compacted natural clays［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001，127（1）：67-75.

［4］楊洋，黃詩淵，丁于哲，等.纖維加筋黏土的Ⅰ型斷裂韌度試驗研究［J］.人民長江，2021，52（增1）：291-295.

［5］鄧友生，吳鵬，趙明華，等.基于最優含水率的聚丙烯纖維增強膨脹土強度研究［J］.巖土力學，2017，38（2）：349-353，360.

［6］周應征，管大為，成亮.微生物誘導碳酸鹽在土體加固中的應用進展［J］.高校地質學報，2021，27（6）：697-706.

［7］IVANOV V，CHU J.Applications of microorganisms to geotechnical engineering for bioclogging and biocementation of soil in situ［J］.Reviews in Environmental Science & Biotechnology，2008，7（2）：139-153.

［8］付佳佳，姜朋明，縱崗，等.微生物拌和固化海相粉土的抗壓強度試驗研究［J］.人民長江，2021，52（1）：167-172，189.

［9］CABALAR A F，AWRAHEEM M H，KHALAF M M.Geotechnical properties of a low-plasticity clay with biopolymer［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2018，30（8）：04018170.

［10］ 左晨希，孫樹林，黃曼捷，等.黃原膠和玄武巖纖維改良黃土抗壓強度試驗研究［J］.中國煤炭地質，2022，34（1）：57-61.

［11］何曉英，李東，任永彪，等.MICP對黏性泥石流沉積物固結特性影響研究［J］.人民長江，2021，52（6）：148-153.

［12］孫瀟昊，繆林昌，童天志，等.微生物沉積碳酸鈣固化砂土試驗研究［J］.巖土力學，2017，38（11）：3225-3230，3239.

［13］袁翔，滕偉福，俞偉，等.MICP技術對巴東組第三段軟弱夾層土體的加固試驗研究［J］.安全與環境工程，2021，28（5）：101-106，130.

［14］王緒民，崔芮，王鋮.微生物誘導CaCO3沉淀膠結砂室內試驗研究進展［J］.人民長江，2019，50（9）：153-160.

［15］CHEN C H，WU L，PERDJON M，et al.The drying effect on xanthan gum biopolymer treated sandy soil shear strength［J］.Construction and Building Materials，2019，197：271-279.

［16］SOJEONG L.Xanthan gum biopolymer as soil-stabilization binder for road construction using local soil in sri lanka［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（11）：1911-1942.

［17］魏世杰，楊宇，王梓，等.黃原膠改良黏土無側限抗壓強度及其加固機理研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2021，38（2）：66-71.

［18］吳敏，高玉峰，何稼，等.大豆脲酶誘導碳酸鈣沉積與黃原膠聯合防風固沙室內試驗研究［J］.巖土工程學報，2020，42（10）：1914-1921.

［19］陳春暉.生物聚合物對土體強度影響的研究［D］.武漢：中國地質大學，2019.

［20］LATIFI N，SUKSUN H，MEEHAN C L，et al.Improvement of problematic soils with biopolymer：an environmentally friendly soil stabilizer［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（2）：1-11.

［21］RICK A N，ZHANG G，ROBERT P G.Effect of exopolymers on the liquid limit of clays and its engineering implications［J］.Transportation Research Record，2009，2101（1）：34-43.

［22］張生瑞.在均布荷載作用下外伸梁最佳支座位置問題探討［J］.黃河水利職業技術學院學報，2002，14（1）：38-39.

［23］劉搖，周偉，王橋，等.基于格構離散單元法的準脆性材料斷裂研究［J］.武漢大學學報（工學版），2022，55（3）：211-219.

Study on fracture performance of xanthan gum-improved clay

Lv Jiadong1，ZHAO Licai1，2

（1.China Railway 19th Bureau Group Third Engineering Co.，Ltd.，Shenyang 110136，China； 2.Department of Civil and Construction Engineering，National Taiwan University of Science and Technology，Taipei 10672，China）

Abstract：

In order to study the effect of biopolymer （xanthan gum） on the flexural strength and fracture properties of clay，different contents of xanthan gum were added into the clay，and a single-edge notched beam was made for three-point bending test.The fracture behavior of clay beams under different water content and different xanthan gum content was analyzed.The results showed that the water content has a significant negative correlation with the flexural strength and fracture characteristic parameters of clay beams under low water content.The addition of xanthan gum can significantly improve the flexural strength，fracture performance and the maximum displacement before fracturing of clay beams under dry conditions，and make the clay beams change from brittle failure to ductile failure.The improvement of these properties is positively correlated with the content of xanthan gum.Finally，based on the moisture content and xanthan gum content，a nonlinear expression of flexural strength and fracture parameters of clay beams was established.The fitting results confirm that the method has high fitting accuracy.

Key words： clay；xanthan gum；water content；flexural strength；fracture energy；fracture toughness；three-point bending test

（編輯：胡旭東）

收稿日期：2022-05-09

基金項目：遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才資助項目（XLYC2007146）

作者簡介：呂家棟，男，高級工程師，主要從事隧道結構安全與施工技術研究。E-mail：2208958240@qq.com

通信作者：趙立財，男，正高級工程師，博士，主要從事巖石力學、混凝土結構的損傷力學及災變防治技術研究。E-mail：twin1333@yeah.net