有机生态酯类材料改良粉质粘土试验研究

赵珊珊，刘镇，杨旭，周翠英

(1. 中山大学土木工程学院，广东 广州，510275；2. 中山大学岩土工程与信息技术研究中心，广东 广州，510275)

雨量充沛的南方地区存在大量的粘性土边坡。在降雨作用下，粘性土边坡的表层土由于结构松散、力学强度低极易遭受冲刷，造成边坡水土流失，严重时会引起坡体失稳，威胁边坡附近建筑结构或工程体的安全。传统的边坡防护技术主要以客土喷播结合挂网植草的方式，常存在植物生长不稳定、长期养护效果不明显、施工材料环保性能不佳以及工程造价高等缺点[1]。采用无机或有机材料通过改良土壤[2-3]，能够有效提高边坡防护效果。无机加固材料如水泥、粉煤灰等[4-6]能有效提高土的力学强度，但改良土具有强度大、刚度大、渗透性差、土体中残余无机材料多，不利于土壤的生态发展，较多用于加固地基、路堤等。

随着有机高分子材料应用领域的扩大，有机高分子聚合物作为土壤改良剂广受国际学者的关注[7-11]。在土的工程性质改良方面，许多学者做了深入的研究，并取得了一定的成果[12-14]。施斌[15]研发的STW型有机土壤稳定剂能明显提高土壤的强度，并改良其水理性质；贺智强等[16]采用天然材料木质素加固黄土，改善了黄土的强度及崩解性；廖晓兰等[17]采用聚丙烯酰胺改良盐渍土的力学性能与耐水性能；Kukal等[18]研究了PVA改良土壤的抗雨滴侵蚀性能；陈峰军等[19]进行了生态土壤稳定剂改良土质边坡稳定性的模拟分析。以上研究表明，有机高分子聚合物能够提高土的强度、改善土的水稳定性，可以用于边坡的表层土防护。为了科学指导工程应用，有机高分子聚合物的作用机理成为研究的重点，刘瑾[20]选取丙烯酸等乙烯基单体为主体反应合成出一种新型土固化剂，并采用化学方法分析了其固化机理； Diacono[21]研究了有机高分子物质对土壤长期肥力状况的影响；Liu[22]提出了有机高分子聚合物加固边坡表层土体的机理；Rahmat[23]研究了高聚物对粘土的长期加固效果，以及相关机理；Marto[24]研究了非传统添加剂对红土特性和微观结构的改良；李建法[25]总结了高分子土壤结构改良材料的主要种类及其作用机理。但，目前针对有机高分子聚合物的生态性能及改良土的生态应用效果方面的研究较少。Latifi等[26]的研究证明了黄原胶是一种环保型稳定剂，可提高膨胀粘土的工程性能。因此，寻求新型环保有机高分子材料并应用于边坡防护，从而实现边坡水土保持和生态修复是目前绿色边坡防护的重点。

纳米水性粘合剂是一种有机高分子酯类材料，具有分子量大、粘度高、粒径小、乳液稳定性好等特点。同时，其不影响植被生长、降解产物为CO2和H2O，是一种生态土壤改良材料[27]。本文采用纳米水性粘合剂改良广东地区粉质粘土，通过无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、渗透试验、扫描电镜试验、粒径分析和压汞试验，探究了不同加量纳米水性粘合剂的改良效果及其规律，并探讨其可能的作用机理，对纳米水性粘合剂在生态护坡工程中的应用具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自广东省广州市天河区，其基本物理性质如表1所示。

表1 粉质粘土的基本物理性质Table 1 Basic physical properties of silty clay

本文所用纳米水性粘合剂，是一种耐水解改性聚酯，常温下呈白色粘稠乳液状，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，可与水按照一定配比制成均匀分散液使用。纳米水性粘合剂的有效高分子物质在水分散液中以乳胶粒的形式存在，并具有强烈的粘附性。室温条件下，纳米水性粘合剂具有良好的稳定性。同时，在自然干燥条件下具有成膜性，且形成的膜富有弹性和韧性。纳米水性粘合剂的基本性质如表2所示。

表2 纳米水性粘合剂的基本性质Table 2 Basic properties of ADNB

图1 纳米水性粘合剂(左)和均匀水分散液(右)Fig.1 Aqua-Dispersing-Nano-Binder (left) and homogeneous water dispersion solution (right)

1.2 样品制备及试验方法

将粉质粘土烘干、碾碎，过2 mm标准筛。根据纳米水性粘合剂的设计加量与设计用水量(试样的设计含水率为17%)，配制纳米水性粘合剂均匀水分散液，然后将纳米水性粘合剂水分散液喷洒在干土上，并搅拌均匀(对于参照样，则喷洒相同加量的水)。参照各试验方法及试样规格，将搅拌均匀的土立即制样，然后将试样置于恒温养护箱中，养护温度设定为25℃, 到达预定龄期后进行试验。表3中列出了各试验中纳米水性粘合剂的加量及试样的养护时间。

无侧限抗压强度试验、直接剪切试验和渗透试验的试样制备参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)，采用静力压样法，使试样达到设计干密度1.7 g/cm3。无侧限抗压强度试验的试样尺寸为内径39.1 mm、高度80 mm，直接剪切试验的试样尺寸为内径61.8 mm、高度20 mm，渗透试验的试样尺寸为内径61.8 mm、高度40 mm。试样达到养护龄期后进行试验，无侧限抗压强度试验采用南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪，试验时应变速率为2.0 mm/min；直接剪切试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ轻便型应变控制式直剪仪，试验时施加的四级荷载分别为50 KPa、100 KPa、200 KPa和300 KPa，采用快剪法，应变速率为0.8 mm/min；渗透试验采用南土TST-55型渗透仪。

粒径分析采用筛分法与Mastersizer 2000激光粒度分析仪联合测定。试验采用均匀拌合未压实且达到养护龄期的散土进行测试。

参照渗透试验结果，取渗透试验后有代表性的试样，用锋利小刀从试样内部切取2 cm×2 cm×2 cm立方块体，并冷冻干燥，用于压汞试验。压汞试验采用美国麦克高性能全自动压汞仪AutoPore IV9 500，其可测量孔径范围为0.003 μm到1 100 μm。

表3 纳米水性粘合剂加量及试样养护时间Table 3 The dosage of ADNB and curing time of specimens

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 养护时间对无侧限抗压强度的影响 不同养护龄期条件下纳米水性粘合剂对改良土强度的影响规律见图2～图3。图2表明：随养护时间的增加，试样的无侧限抗压强度都有所增大。不同粘合剂加量改良土的强度随养护时间的变化规律呈两种状态：对于0.5%及1.0%改良样，随养护时间的增加，其无侧限抗压强度增长趋缓，养护3 d后强度无较大增长；同时，各加量间的强度值差别较小。其中，养护7天时1.0%改良样、0.5%改良样的无侧限抗压强度分别为664 KPa和603 KPa；对于2.0%、3.0%及5.0%改良样，随养护时间的增加，其无侧限抗压强度仍有较大幅度增长。其中，5.0%改良样养护3天、养护7天的无侧限抗压强度分别为796 KPa和1 135 KPa。

图2 无侧限抗压强度随养护时间的变化Fig.2 Curve of variation of unconfined compressive strength with curing time

图3 无侧限抗压强度增量随养护时间的变化Fig.3 Diagram of the increment of unconfined compressive strength with curing time

图3为不同养护龄期条件下试样的无侧限抗压强度增量图。图3表明：随养护时间的增加，试样的无侧限抗压强度增量逐渐增大，并趋于稳定。其中，参照样(CK)养护至5 d及7 d时的抗压强度增量分别为354.5 KPa和359.5 KPa，几乎无变化；2%改良样养护至5 d及7 d时的抗压强度增量分别为617.9 KPa和670.3 KPa，仅相差52.4 KPa。此外，当养护超过3 d后，改良样的无侧限抗压强度增量明显大于参照样(CK)。其中，2%改良样养护3 d后强度增量为454.2 KPa，为参照样(CK)强度增量(277.6 KPa)的1.6倍；5 d后强度增量为617.9 KPa，为参照样(CK)强度增量(354.5 KPa)的1.7倍。这说明纳米水性粘合剂对土改良的过程就是与土颗粒相互作用的过程，当改良土养护至3 d后，纳米水性粘合剂发挥作用较为充分。

2.1.2 粘合剂加量对无侧限抗压强度的影响 粘合剂加量对试样无侧限抗压强度的影响规律见图4。图4表明：随粘合剂加量的增加，试样的无侧限抗压强度都有所增大(见图4(a))。随粘合剂加量的变化，不同养护龄期改良土试样的无侧限抗压强度呈两种状态：对于养护0 d的试样，其无侧限抗压强度随粘合剂加量的增加虽有一定程度的增大，但增加幅度较小(见图4(b))。其中，1.0%改良样、5.0%改良样的抗压强度增量分别为7.2 KPa和15.0 KPa；养护超过1 d后，试样的无侧限抗压强度呈明显增长的趋势，且随粘合剂加量的增加，强度增量不断增大，并趋于稳定(见图4(b))。以养护3 d的改良样为例，当粘合剂加量小于1.0%时，改良样的无侧限抗压强度增量较小，分别为21.4 KPa和49.2 KPa；但当粘合剂加量大于2.0%时，改良样的无侧限抗压强度增量急剧升高，2%改良样、3%改良样、5%改良样的无侧限抗压强度增量分别为189.1 KPa、266.3 KPa、318.4 KPa。这说明，在纳米水性粘合剂作用发挥较充分的条件下，2%纳米水性粘合剂加量是能有效提高强度的较优加量。

图4 无侧限抗压强度随粘合剂加量的变化Fig.4 The regularity of unconfined compressive strength with ADNB dosage

2.2 直接剪切试验

纳米水性粘合剂改良粉质粘土的抗剪强度指标(内聚力和内摩擦角)如表4所示。从表4的粘聚力可以看出：养护0 d试样的粘聚力随粘合剂加量的增加有小幅增大，5%改良样的粘聚力较参照样(CK)的增幅仅为20.4 KPa；养护3 d后，试样的粘聚力较养护0 d试样的粘聚力有较大提高，且随粘合剂加量的增加，粘聚力不断增大。其中，2%改良样的粘聚力为170.8 KPa，为养护0 d条件下2%改良样粘聚力的7.2倍；5%改良样内聚力为206.3 KPa，为养护0 d条件下5%改良样粘聚力的6.2倍。同时，当粘合剂加量超过2%时，其粘聚力增长趋缓。

从表4的内摩擦角可以看出：养护0 d试样的内摩擦角随粘合剂加量的增加几乎不变；养护3 d后，试样的内摩擦角较养护0 d试样的内摩擦角有较大幅度提高，其提高幅度在91%～120%之间，但对于养护3 d的改良土试样，随粘合剂加量的变化，其内摩擦角几乎不变。

表4 粘聚力和内摩擦角Table 4 The cohesion force and the internal friction angle

2.3 渗透性

土的渗透性是其稳定性和孔隙结构优化协同作用的结果。纳米水性粘合剂改良粉质粘土的渗透试验结果如图5所示。图5表明，随粘合剂加量的增加，改良样的渗透系数呈先增大后降低的规律。当粘合剂加量为2.0%时，试样的渗透系数最大(1.044×10-4cm/s)，为参照样渗透系数的2.7倍；当粘合剂加量超过2.0%时，试样的渗透系数随粘合剂加量的增加而减小，但渗透系数仍较参照样有较大提升：3.0%改良样的渗透系数为参照样渗透系数的2.3倍；5.0%改良样的渗透系数为参照样渗透系数的1.8倍。

图5 粉质粘土渗透系数随粘合剂加量的变化Fig.5 Curve of permeability coefficient of silty clay with ADNB dosage

当粘合剂加量小于2.0%时，随粘合剂加量的增加，渗透性提高。这是因为当粘合剂加量较少时，土粒间的粘结效果未达到最佳，仍有部分细颗粒被水流带走填充土中的微孔隙，影响其渗透性。当粘合剂加量大于2.0%时，随粘合剂加量的增加，粒间孔隙部分或全部被粘合剂形成的网状膜填充，这在一定程度上削弱了流动水裹挟细颗粒的能力；另一方面，较完整的网状膜使得土体的整体性和稳定性提高，当水完全浸润网状膜后，仍可以顺畅地通过。因此，随粘合剂加量的增加，其改良土的渗透性仍较未改良土的大。

2.4 粒径尺寸及分布

土壤学[28]中一般把直径大于0.25 mm的土壤团粒体称为大团粒体，而直径小于0.25 mm的土壤团粒体称为微团粒体。颗粒直径大于0.25 mm的团粒对土壤的农学价值起主要作用，通常把粒径大于0.25 mm的团粒作为评价土壤结构的标准。

首先，将达到养护龄期的试样进行筛分试验。根据筛分结果，直径小于0.1 mm、直径大于0.25 mm及直径为1～2 mm的颗粒质量比随粘合剂加量的变化如图6所示。图6表明：随粘合剂加量的增加，细颗粒(直径<0.1 mm)数量在减少，粗颗粒(直径>0.25 mm和直径为1～2 mm)数量在增加。对于直径<0.1 mm的细颗粒量，2%改良样比参照样(CK)减少了39.5%，5%改良样比参照样(CK)减少了56.2%；对于直径>0.25 mm的粗颗粒量，0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和5.0%改良样比参照样(CK)分别增加了5.8%、9.1%、10.6%、13.6%和15.3%。

图6 各粒组筛分质量比随粘合剂加量的变化Fig.6 Screening quality ratio of each grain group changes with the amount of ADNB

图7 1～2 mm团粒占比随粘合剂加量的变化Fig.7 1～2 mm aggregate proportion changes with the amount of ADNB

在直径大于0.25 mm的粗颗粒中，对于直径1～2 mm的大颗粒，其颗粒量随粘合剂加量的增加而增大；2%改良样中直径为1～2 mm的颗粒量为参照样(CK)的1.4倍，5%改良样中直径为1～2 mm的颗粒量为参照样(CK)的1.6倍。图7是直径为1～2 mm颗粒在直径大于0.25 mm颗粒总量中的占比与粘合剂加量的关系曲线。图7表明，随粘合剂加量的增加，直径为1～2 mm颗粒量在粗颗粒中的占比逐渐增大。这说明，纳米水性粘合剂能够通过其粘结作用粘结细颗粒从而形成大颗粒，且当粘合剂足够多时，还可以通过高分子链间的缠绕、搭接等作用使较大颗粒成为更大的团粒。

随后，采用激光粒度分析仪对直径小于1 mm的土颗粒进行粒度测试。纳米水性粘合剂改良土直径小于1 mm的颗粒含量及其分布曲线如图8所示。

图8 粒径曲线(a-颗粒分布曲线；b-颗粒累积曲线)Fig.8 The curve of particle size (a-curve of particle distribution; b-curve of particle accumulation)

图8(a)表明，土的颗粒粒径主要分布在三个尺寸区间，分别为：5～10 μm(中粉粒)；50～60 μm(细砂粒)；200～400 μm(粗砂粒)。随粘合剂加量的增加，土中的颗粒尺寸及含量发生变化，从而引起粒径分布的变化。对于中粉粒粒组，随粘合剂加量的增加，其粒径分布曲线向右偏移，峰值粒径由参照样(CK)的5.5 μm增加到5.0%改良样的11.4 μm，粒径尺寸增加了107%；对于中细砂粒粒组，随粘合剂加量的增加，其峰值粒径尺寸几乎不变；对于粗砂粒粒组，随粘合剂加量的增加，其粒径分布曲线变化较小，仅有3%改良样及5%改良样的峰值粒径出现向左偏移。图8(b)表明，随粘合剂加量的增加，粒径累积分布曲线向右偏移，粘粒含量由参照样的9.1%减少到5.0%改良样的3.8%，降低了5.3%；粉粒含量由参照样的62.1%减少到5.0%改良样的51.6%，降低了10.5%；细砂粒含量由参照样的85%减少到5.0%改良样的84%，降低了1%，变化不大。

综合粒径筛分及激光粒度分析，可以发现：纳米水性粘合剂的主要作用对象为粘粒，它通过粘合剂表面的活性基团将粘粒粘结为较大尺寸的粉粒，因此粘粒含量减少。进一步地，高分子链间的缠绕主要作用在较大尺寸的粒组，如粗粉粒及细砂粒，使其缠绕凝结为更大尺寸的粗砂粒及石砾，因此直径大于0.25 mm的颗粒增多。同时，粘粒团聚为粉粒，部分粉粒又缠绕为砂粒，使得粉粒和砂粒的尺寸及含量得以组合并重新排布。

2.5 压汞试验

图9为粉质粘土参照样与2%改良样的孔体积累积曲线。图9表明，在孔径可测范围(0.003-1000 μm)内，2%改良样的累积孔体积均大于参照样(CK)。其中，2%改良样孔径<0.002 mm的累积孔体积为0.124 mL/g，比参照样(CK)的累积孔体积(0.131 mL/g)降低了5%；2%改良样孔径在0.002～0.02 mm区间的累积孔体积为0.029 L/g，比参照样(CK)的累积孔体积(0.019 mL/g)提高了52.6%；2%改良样孔径>0.02 mm的累积孔体积为0.046 L/g，比参照样(CK)的累积孔体积(0.012 mL/g)提高了283%。这说明纳米水性粘合剂极大地改良了土的孔隙结构，使其无效孔隙减少，毛细孔隙及通气孔隙数量增多，且通气孔隙增加幅度最大。

图9 粉质粘土孔体积累积曲线Fig.9 The accumulation curve of pores volume

图10为粉质粘土试样在不同孔径处的孔体积微分曲线。图10表明，参照样(CK)的峰值孔径为227 nm，2%改良样的峰值孔径向右偏移，出现在431 nm处，是参照样(CK)的1.9倍，这说明微孔径数量在减少。此外，在孔径范围为1 000～100 000 nm的区间内，参照样(CK)出现峰值孔径9 065 nm，且随孔径的增大，相应孔径数量均较少。而对于2%改良样，除在10 000～20 000 nm区间内孔隙数量较参照样少外，其它尺寸的孔径均比参照样(CK)的多。其中，2%改良样孔径为3 000 nm的数量为参照样(CK)的5.9倍；孔径大于20 000 nm范围内，2%改良样孔径数量为参照样(CK)的3～6.5倍。

图10 粉质粘土孔体积微分曲线Fig.10 The differential curve of pores volume

2.6 扫描电镜试验

图11和12为粉质粘土参照样和5%改良样在扫描电镜下的微观结构照片。

对比图11和12发现，粉质粘土参照样的微结构单元以扁平状、片状为主，棱角分明，片状单元间大多以边-面、点-面的形式接触，孔隙较发育(图11d)，形成了单元间相互堆叠、伴有架空结构的土微结构。而经纳米水性粘合剂作用的5%改良样，部分土微粒胶结成了较大颗粒，土粒的棱角减少，结构单元以边-面、面-面接触为主，微粒间的连结使其排列更紧密，微结构孔隙减少，微结构从堆叠结构向絮凝状结构发展。此外，从图12(d)放大8000倍的SEM照片中可以看到，经纳米水性粘合剂改良后，松散微粒紧密粘结在结构单元体表面上，且片状颗粒之间以面-面的形式紧密接触。

3 改良机理分析

纳米水性粘合剂均匀乳液是由耐水解聚酯分散在水中获得的。通过乳化作用，这些耐水解聚酯高分子链相互缠绕、聚集，形成乳胶粒，耐水解聚酯以乳胶粒的形式稳定分散在水中。这些乳胶粒在水中均匀分散，随着水分的蒸发，乳胶粒子内的高分子链相互扩散，形成一层弹性膜结构。

图11 粉质粘土参照样的SEM照片Fig.11 SEM photos of reference specimens

图12 粉质粘土5%改良样的SEM照片Fig.12 SEM photos of 5% ADNB treated specimens

粉质粘土中含较多亲水粘土矿物组成的细颗粒，这些细颗粒相互粘结并与大尺寸颗粒交错分布(图13(a))。纳米水性粘合剂以水分散液形式进入土中，由于土粘粒表面的亲水性及粘合剂乳胶粒的粘性，使得乳胶粒更易与粘粒吸附。随着土中水分的蒸发，乳胶粒中包裹的高分子链扩散出来。高分子链上具有活性极性基团羧基(—COOH)和羟基(—OH)，活性基团能够通过离子交换与粘粒连结，同时氢键的形成及分子间作用力范德华力的增大，使得纳米水性粘合剂与粘粒的吸附作用加强，在离子交换与吸附的共同作用下，细颗粒粘结为较大颗粒。进一步地，高分子链发生弯曲、缠绕使得单链高分子链上的粘粒团聚为较大尺寸的团粒，且其形状取决于高分子链的弯曲形态(图13(b))。最终，高分子链在土颗粒表面不断包覆，并填充在细小孔隙中，高分子链形成的弹性模(图14)建立了粒间连结。

图13 “颗粒重组式”结构演化过程Fig.13 The evolution process of “granular recombination” of structure

弹性膜形成的粒间连结提高了土的稳定性，颗粒间的重新排布改良了土的结构，两者协同提高了土的渗透性能。

4 结 论

(1)纳米水性粘合剂能够提高粉质粘土的无侧限抗压强度和抗剪强度，且养护3 d后纳米水性粘合剂发挥作用较充分，用于坡面防护时，2%纳米水性粘合剂加量为有效提高强度的较优加量，且应在天气良好时施工，同时保证至少有三天晴天。

(2)纳米水性粘合剂通过粘结细颗粒为大团粒、大团粒间重新排布改良土结构，为“颗粒重组式”结构改良模式，且土的结构稳定及颗粒排布优化共同提高了其渗透性。

(3)纳米水性粘合剂具有干燥成膜性，通过填充粒间孔隙及包裹连结颗粒形成的弹性膜增大粒间连结力，提高了土的整体稳定性。

综上，纳米水性粘合剂不仅有效提高土的强度，而且能优化土的结构，使得土颗粒尺寸变大，无效孔隙减少，毛细孔隙及通气孔隙数量增多，透水性增强，从而为植被生长提供良好的基质环境，是一种生态土壤改良材料，可以将纳米水性粘合剂应用于边坡表层土防止冲刷流失，有效提高边坡的稳定性，实现生态护坡。