生物聚合物固化粉土室内试验与机理研究

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(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098)

1 研究背景

土壤处理的一般目的是提高土壤的性质，如团聚体的稳定性、强度和抗侵蚀性。大量的土壤处理方法已经在实践中得到了应用，其中水泥是土壤处理中最常用的材料[1-2]。尽管水泥处理土具有许多优势，但水泥生产的过程中排放大量二氧化碳和氮氧化物以及粉尘颗粒，已被认为是影响全球二氧化碳排放最主要的因素之一。在水泥生产中，每生产1 t水泥约有1 t二氧化碳产生。这意味着，仅水泥产生的二氧化碳就占全球二氧化碳产量的5%。尤其在西北部分干旱地区，天气干燥导致表层土体水分蒸发迅速[3]，而水泥石灰等改良固化土体的养护需要在较高的湿度下，高蒸发量的恶劣气候条件对水泥等固化土的施工造成了极为不利的影响。石灰水泥土由于高碱性在一定程度上也加剧了荒漠化的趋势。同时西北地区广泛分布着砂土和粉土，黏聚力低，强度差，不经过改良处理难以作为路面乃至建筑材料。因此，需要开发对水依赖小且环境友好的可再生土壤改良材料。

生物聚合物是一种由黄原杆菌类作用于碳水化合物而生成的高分子链多糖聚合物，中性环保且可再生[4]。目前，国外对于生物大分子的应用主要集中在植被或植被的覆盖土壤上，主要功能是防治水土流失、边坡破坏以及减少水分入渗[5-6]，而对以生物聚合物固化土的研究较少。Chang等[7]采用β-1、3/1、6-葡聚糖对韩国残积土进行固化，显著地提高了残积土的无侧限强度；并以结冷胶和琼脂胶作为热凝胶生物聚合物，分别对黏土和砂进行处理，试验产生了极佳的固化效果和耐久性[8]。Cabalar等[9]将黄原胶加入砂土中研究固化土的剪切特性，发现抗剪强度随黄原胶含量的增加而增加。Latifi等[10]利用无侧限抗压试验、直剪试验以及扫描电镜试验研究了黄原胶对高有机质含量的泥炭土固化性质的影响，发现养护28 d龄期的2%黄原胶固化土无侧限强度是未经处理泥炭土的6倍，黏聚力也产生了明显的增长。

本文以黄原胶作为生物聚合物固化材料开展室内试验，研究其对西北干旱地区粉土的固化效果，并分析其固化机理，以期为西北地区粉土、砂土的改良与应用提供新的思路。

2 试验概况

2.1 试验材料

黄原胶(Xanthan Gum，XG)是一种常用的食品添加剂和流变改性剂多糖，经葡萄糖或蔗糖发酵由野油菜黄单胞菌产生[11]。黄原胶无味、无臭、无毒、食用安全, 易溶于水, 在水溶液中呈多聚阴离子，为一种生物聚合物。在静态条件下，少量的黄原胶(0.5%)可大量增加液体的黏度。此外，不同于其他胶，黄原胶具有高宽范围的温度和pH值下的稳定性。它的阴离子和亲水性的表面特性促进与阳离子的相互作用诱导更强的凝胶化。在现场，黄原胶已广泛应用于石油行业作为钻井泥浆的增稠剂[12]。

图1 土样的粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve of soil sample

试验所用黄原胶购于上海伊卡生物技术公司，纯度等级为分析纯。所用土样取自西北地区某工地，粒径分布曲线如图1所示，其中粒径>0.075 mm的颗粒含量为15.2%，土的塑性指数为8.5，经判断试验用土属于粉土。

图2 不同黄原胶掺量的试样(含水率15%)Fig.2 Specimens with different dosages of xanthan gum(moisture content 15%)

2.2 试样制备

试样制备时，将黄原胶按照干土质量的0%，0.25%，0.50%，0.75%与粉土拌合，根据击实试验最优含水率确定为15%，试验用水为自来水。如图2所示，压制直径50 mm、高50 mm的圆柱体试样，压实度均为96%，试样置于温度25 ℃左右、相对湿度50%的实验室内自然养护至相应的龄期。

3 试验结果和分析

取养护至3，5，7，14，28 d的各黄原胶掺量试样做无侧限抗压强度试验。试验在南京宁曦土壤仪器有限公司生产的YSH-2型无侧限压力仪上进行，荷载加载速率为1 mm/min。

为模拟实际现场的施工方式，室内试验时将黄原胶拌合方式分为干法和湿法2种，以黄原胶掺量0.5%的固化土作为试验对象进行对比试验。干法即将黄原胶粉末与较低含水率的干土拌合后，加水至指定含水率，焖料24 h使黄原胶充分溶解；湿法即将黄原胶粉末事先溶解于水溶液中，再倒入土中拌合均匀。湿法在实际操作时，如果直接加入水中而搅拌不充分，外层吸水膨胀成胶团，从而阻止水分进入里层，进而影响黄原胶作用的发挥。因此以一定量的土颗粒作为分散剂与黄原胶颗粒一同溶解在水中，减少胶团现象的出现。

采用2种拌合方式的土样各龄期无侧限试验结果见图3，黄原胶颗粒所占干土的质量百分比均为0.5%。从图3中可知，养护前一周固化土试样的强度迅速增长，干法混合的土样强度明显高于湿法混合的土样，一周之后的强度略有增长后趋于稳定。干法混合土28 d后的稳定强度比湿法拌合的高出30.8%。

图3 黄原胶掺量0.5%的固化土无侧限抗压强度Fig.3 Unconfined compressive strength of solidified soil with 0.5% dosage of xanthan gum

图4 不同龄期及不同黄原胶掺量固化土无侧限抗压强度Fig.4 Unconfined compressive strength of solidified soil at different ages and with different dosages of xanthan gum

试验后掰开土样，干法混合土肉眼无法辨别到土中存在其他物质；湿法混合土中则可以看到少量的条状固体物质，为部分硬化后的黄原胶。分析原因，黄原胶的水溶液具有较高的黏性，分子间相互吸引团聚，湿法混合时无法做到黄原胶分子足够分散，因此黄原胶分子的作用无法得到充分发挥。干法混合时，由于黄原胶颗粒细小，可以充分地分散到土颗粒间，足够量的土颗粒充当了很好的分散剂，固化后强度自然高于湿法混合土。

鉴于此，后续的试验均采用了干法混合的方式。并对不同龄期、不同黄原胶掺量的固化土开展无侧限抗压试验，试验结果如图4所示。

从图4(a)可知，以黄原胶作为生物聚合物固化土时，强度相比素土产生了显著的增长，自然条件下养护28 d的土样强度最高可达3.44 MPa，为素土的4.6倍，掺量仅为干土质量的0.75%。且试样在前一周的时间内强度增长迅速，一周后强度略有增长后趋于稳定。固化土强度的快速形成对于现场施工具有很高的实际意义，减少了施工工期的同时又便于下一步施工工序的进行。从图4(b)可知，黄原胶(XG)的掺量越高，固化土的稳定强度越高，尤其是当掺量由0%增加至0.25%时强度增加最多，28 d后的0.25%掺量的固化土强度相比素土增加了1.37 MPa。素土在室内环境下抗压强度也产生了一定的增长，这是由于素土有固化黏聚力随时间增长的现象，但强度值明显小于黄原胶固化后的试样。

图5反映了不同龄期、0.5%黄原胶掺量的固化土的应力-应变关系曲线。可以看出，随着龄期增长，固化土的峰值应力发生了显著的增长，7 d完成了28 d养护强度的87.5%，7 d后峰值应力增长幅度较小。尽管峰值应力随龄期增长，但峰值应力所对应的应变稳定在4%左右。随着养护龄期的增加，黄原胶分子与土颗粒的反应越完全。由于黄原胶分子的阴离子和亲水性的表面特性，使得它与土颗粒互作用较快，进而土样强度增加迅速。

图5 黄原胶掺量0.5%的固化土应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of solidified soil with 0.5% dosage of xanthan gum

4 固化机理分析

为研究黄原胶固化土的强度增长机理，测定养护各龄期、各掺量的固化土的含水率，如图6所示。

图6 固化土含水率变化曲线Fig.6 Curves of moisture content of solidified soil

从图6中可以看出，试样含水率变化大致经历了3个阶段：迅速衰减阶段(0～7 d)、衰减变缓阶段(7～14 d)以及稳定阶段(14 d以后)。如图4(a)所示，对应的固化土强度也经历迅速增长阶段、增长减缓阶段和稳定阶段。可以认为，固化土的强度变化和试样含水率多少有关。素土的含水率随脱湿过程的进行，28 d后趋于0，掺有黄原胶的固化土的含水率也稳定在一定的数值，且掺量越高，含水率的稳定值越高，试验也证明了黄原胶固化土具有一定的保湿能力[13]。

绘制含水率与固化土无侧限抗压强度之间的关系曲线，如图7所示。

图7 固化土无侧限抗压强度与含水率关系Fig.7 Relationship between unconfined compressive strength and water content of solidified soil

当试样含水率<12%时，黄原胶分子的作用得以发挥，试样的强度随含水率的降低出现了明显的增长趋势，且曲线的斜率随着脱湿过程的进行越来越陡。可以明显看出，黄原胶固化后的土体强度相比素土产生了较大的增长。素土的强度随含水率的减小而增加的现象，是由于土颗粒间的吸着水膜变薄引起的。

分析其固化机理，由于土壤颗粒表面吸附着天然的阳离子，如Na+，K+，Ca2+，Mg2+，黄原胶作为一种阴离子高聚物，分子链上的羧基(-COOH)和羟基(-OH)与土体颗粒间通过阳离子形成离子键桥联。而这种黄原胶分子与土颗粒间的离子键作用随着含水率的降低而迅速增强，黄原胶分子牢固地吸附在土颗粒表面，在土颗粒间起到极强的胶结作用，如图8所示。随着土样含水率降低，土颗粒间的吸着水膜就越薄，黄原胶分子与土颗粒的离子键作用就越强，而离子键的作用远远强于土颗粒间的静电吸附作用，土颗粒被黏结成一个完整的整体，从而表现为力学性质(无侧限抗压强度)的显著增长。

图8 固化机理示意图Fig.8 Schematic diagram of curing mechanism

5 结 论

(1)以黄原胶作为生物聚合物固化粉土，采用自然养护的方式，相比素土具有更好的固化效果。采用干法拌合方式的土样强度高于湿法拌合的土样。

(2)黄原胶固化土的无侧限抗压强度在一周内增长迅速，之后增速放缓并达到稳定；且黄原胶的掺量越高，土体的强度越高，尤其是当掺量由0%增加至0.25%时强度增加最多，28 d后的0.25%掺量的固化土强度相比素土增加了1.37 MPa，掺量为0.75%时试样强度达到了素土的4.60倍。

(3)固化土的强度增长得益于试样含水率的减少，黄原胶分子链上的羧基(-COOH)与羟基(-OH)与土体颗粒间通过阳离子形成离子键桥联，离子键作用随着含水率的降低而迅速增强，黄原胶分子牢固地吸附在土颗粒表面，从而在土颗粒间起到极强的胶结作用。

(4)黄原胶作为一种生物聚合物，具有中性环保、可再生的优点，且固化土无需特殊养护，在自然环境中脱水形成强度，并具有保湿抗荒漠化的作用，尤其适用于西北干旱地区。且用量较少，0.25%的掺量即可达到较好的固化效果，具有投入现场施工的可行性，在路面材料、建筑材料、边坡处理等方面具有潜在的应用价值，值得对其做进一步的研究与改进。