黄原胶和黄麻纤维对上海黏土无侧限抗压强度的影响

2020-03-30璩继立

公路交通科技 2020年3期

陆韬，璩继立

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

0 引言

上海位于长江和黄浦江入海口汇合处，是长江三角洲冲击平原的一部分。上海的地基土类型为典型的软性黏土，黏土本身强度低、天然含水率高、压缩性大，不宜直接应用于工程建设[1-[2]。研究表明，生物环保添加剂材料和天然纤维材料可以改善黏土的工程承特性[3-5]。汪亦显等[6]研究了石灰和十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)改良膨胀土的可行性，发现CTMAB和石灰能够提高膨胀土体强度，改善工程性质。但是石灰和CTMAB等化学添加物会增大土体脆性，也会造成地下水、土体污染。

黄原胶为可持续性环保添加剂，可以替代传统化学添加剂。黄原胶外观为淡褐黄色粉末状固体，其分子结构中螺旋体所形成的网格结构使其具有良好的增稠性能。黄原胶水溶液具有突出的高黏性和水溶性、独特的流变特性、优良的温度稳定性和pH稳定性、极好的兼容性等独特的理化性质。黄原胶作为增稠剂、黏合剂、乳化剂等被广泛应用于食品工业。由于其流变特性和增稠效果，作为油田钻井泥浆添加剂被广泛应用[7-9]。A. S. A. Rashid等[10]发现适当含量的黄原胶可以提高热带残积土的无侧限抗压强度和抗剪强度，且黄原胶含量为1.5%时效果最显著。M. Ayeldeen等[11]发现黄原胶能够增强湿陷性土壤的黏聚力，提高土体的整体抗剪强度。

李广信等[12]研究发现纤维加筋可以显著提高黏性土的抗剪强度，并增加其塑性和韧性。黄麻是一种韧皮纤维作物，可织成高强度、粗糙的细丝。黄麻纤维经济价值高、用途广泛、价格低廉、种植量大。它具有较低的断裂伸长率和较高的抗拉强度，因此黄麻加筋材料往往具有高韧性和强抗剪能力。黄麻纤维还是一种环保型纤维，可完全生物降解，不会对环境造成破坏。因此，被称为黄金纤维的黄麻纤维在岩土工程中绿色、生态、环保地改良土体特性有着重大意义[13]。H. Güllü等[14]研究发现黄麻纤维加筋能够有效提高冻融循环条件下细粒土的无侧限抗压强度，有助于增强土体的抗冻融性。杨彩迪等[15]研究了不同含量和不同分布方式的黄麻纤维对崩岗岩土强度的加筋效果，认为崩岗岩土的无侧限抗压强度在最优黄麻纤维加筋条件下显著提高。卫杰等[16]通过正交试验研究了黄麻纤维加筋位置、加筋率、加筋长度对崩岗岩土无侧限抗压强度的影响，认为黄麻纤维加筋限制土体的横向变形提高了土体稳定性。钱叶琳等[13]发现黄麻纤维加筋能够显著提高膨胀土的抗剪强度和无侧限抗压强度。

尽管黄原胶和黄麻具有优越的性能，作为添加剂和加筋材料能够提升热带残积土、湿陷性土、崩岗岩土及膨胀土等土体的强度，但是国内外对于黄原胶和黄麻纤维改良黏土性状的研究较少。上海是我国的经济中心，经济发展迅速，基础建设也应与之相配套。由于上海地区地基土为典型的软黏土，其承载力较低，压缩性较高，如直接在其上进行房屋等设施建设会引发很多工程问题。因此在上海黏土地基上开展工程建设，特别是建造高层及超高层等荷载较大的建筑物，必须要对地基土体进行加固或对地基黏土进行改良，从而提高地基承载能力，最大程度地减缓土体变形，降低其压缩性。黄原胶和黄麻都是环保型材料，容易降解，价格经济，存量较大，获取难度较小，是性价比高的改良上海黏土性状的材料。

本研究基于室内无侧限抗压试验，考虑黄原胶含量、黄麻纤维含量、养护时间因素3种变量，探讨分别单独添加黄原胶、黄麻纤维及同时添加黄原胶和黄麻纤维两种材料对上海黏土无侧限抗压强度特性的影响规律，并通过对比简要分析黄原胶添加剂和黄麻纤维对黏土的增强机理，以期为理论研究和工程应用提供借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用黏土取自某深基坑施工现场。将黏土烘干、碾碎，并过 2 mm标准土工筛后密封备用。试验测定的物理参数如表1所示。黄原胶为淡褐黄色粉末(图1)，根据已有研究确定其试验掺量分别为1.00%，1.50%，2.00%[10]。黄麻采用单根黄麻纤维，根据已有研究取其长度为6 mm，加筋率分别为0.15%，0.25%，0.35%[13]，图2为黏土颗粒和6 mm 黄麻纤维均匀混合物。

表1 上海黏土的物理参数Tab.1 Physical parameters of Shanghai clay

图1 黄原胶粉末 Fig.1 Xanthan gum powder

图2 黏土颗粒和6 mm黄麻纤维Fig.2 Clay particles and 6 mm jute fiber

1.2 试验方案

将黄原胶含量、黄麻纤维含量和养护龄期3种参数作为土体无侧限抗压强度影响因素。根据已有参考文献[7,12-13]，在本研究中，黄原胶含量分别取1.00%，1.50%，2.00%，黄麻纤维加筋率分别取0.15%，0.25%，0.35%，土样试块养护龄期分别取0，7，14，21，28 d，并运用控制变量法进行交叉试验。

试验过程中，首先用剪刀将黄麻纤维剪成6 mm长度，然后将过筛后密封保存的上海黏土颗粒取出，用精度为0.001 g的实验室电子秤称取一定量的黏土颗粒放于容器中，再根据黏土颗粒质量称取相应含量的黄原胶添加剂和黄麻纤维，接着分多次、小增量地将黄原胶和黄麻纤维加入容器，充分拌和均匀后再次称重，然后计算量取相应质量的水，同样分多次、小增量地倒入容器并再次充分拌和均匀，最终使得所有的黄原胶和黄麻纤维都能与黏土颗粒随机均匀混合。最后将其装入密封塑料保鲜袋，黏贴标签并密封养护24 h。

养护24 h之后将土样取出制备试样，试样直径为39.1 mm，高度为80 mm，试验中每组制备3个试样。将制备完成的试样再次装入新的密封塑料保鲜袋，重新黏贴标签并密封养护每组试样所对应的不同设计时间。

根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)[17]进行土的无侧限抗压强度试验，并记录每个试样的无侧限抗压强度。

2 试验结果与分析

表2为试样在不同黄原胶含量、黄麻纤维含量以及不同养护时间下的无侧限抗压强度。

表2 3种参数条件下试样的无侧限抗压强度Tab.2 Unconfined compressive strengths of specimens with 3 parameters

2.1 黄原胶含量对黏土无侧限抗压强度的影响

图3 不同黄原胶含量的黏土应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of clay with different xanthan gum contents

图3(a)为养护龄期为14 d、不添加黄麻纤维的情况下，上海黏土掺入不同含量黄原胶添加剂的应力应变曲线。可以看出，土体试样所受到的轴向应力随着轴向应变的不断增大呈现先上升后下降的趋势。曲线的峰值点即为相对应条件下土样的无侧向抗压强度。在不添加任何添加剂的情况下，素土试样的无侧限抗压强度相对最低，为90 kPa。添加适量的黄原胶能够在一定程度上提升黏土的无侧限抗压强度。在养护龄期为14 d的情况下，黄原胶掺量为1.00%，1.50%，2.00%黏土试样的无侧限抗压强度值分别为98，102，95 kPa，相较于相同养护龄期下素土的无侧限抗压强度分别提高了8.89%，13.33%，5.56%，由此可见，14 d养护龄期下，仅添加黄原胶且其掺量为1.50%时对黏土无侧向抗压强度的提升最明显。

在0 d养护龄期、不掺入黄麻纤维条件下，黄原胶掺量为1.00%，1.50%，2.00%的黏土试样无侧限抗压强度分别为69，76，71 kPa，较相同养护龄期下素土的无侧限抗压强度分别提高了-8.00%，1.33%，-5.33%；7 d养护龄期下，掺入黄原胶的黏土无侧限抗压强度值分别为85，90，83 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了2.41%，8.43%，0.00%；21 d养护龄期下掺入黄原胶的黏土无侧限抗压强度值分别为112，118，108 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了9.80%，15.69%，5.88%；28 d养护龄期下掺入黄原胶的黏土无侧限抗压强度值分别为125，127，114 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了13.64%，15.45%，3.64%。通过分析试验数据发现，在本试验研究中的同一养护龄期内，1.50%的黄原胶含量提高黏土无侧向抗压强度的效果最为显著，表明黄原胶添加剂对上海黏土抗压强度提高的最佳掺量为1.50%。

图3(b)为同时添加黄原胶和黄麻纤维且黄麻纤维加筋率为0.25%、养护龄期为14 d时，黏土的应力、应变随黄原胶含量改变而变化的规律。可以看出，素土的应力应变曲线在达到峰值点后迅速下降，而同时添加黄原胶和黄麻纤维土体的应力应变曲线在达到峰值点后变化趋势平缓。在黄麻纤维加筋率相同的情况下，黄原胶掺量越高，土体应力应变曲线达到峰值点后的下降变化趋势越不明显，即在其他条件都相同的情况下，黄原胶含量越高，黏土试样的残余强度越高，也即破坏后保持其抗压强度的能力越强。养护龄期14 d条件下，素土的抗压强度为90 kPa，黄麻纤维加筋率为0.25%时，黄原胶含量为1.00%，1.50%，2.00%的土体对应的抗压强度分别为109，114，121 kPa，相较于同一龄期下的素土强度分别提高了21.11%，26.67%，34.44%。与素土和只添加黄原胶的土体抗压强度相比，黏土中同时添加黄原胶和黄麻纤维能够大幅提高黏土的无侧限抗压强度。

在养护龄期为0 d、黄麻纤维含量为0.25%的条件下，黄原胶含量为1.00%，1.50%，2.00%的黏土无侧限抗压强度较素土强度分别提升了4.00%，9.33%，16.00%；养护龄期为7 d时，其抗压强度增长率分别为14.46%，21.69%，27.71%；养护龄期为21 d时，其抗压强度增长率分别为19.61%，23.53%，26.47%；养护龄期为28 d时，其抗压强度增长率分别为19.09%，26.36%，4.55%。通过试验数据分析可得，在同一养护龄期内，保持黄麻纤维加筋率不变，土体的抗压强度随黄原胶含量的增大而增大。

2.2 黄麻含量对黏土无侧限抗压强度的影响

图4(a)为养护龄期为14 d、不添加黄原胶情况下，上海黏土掺入不同含量黄麻纤维的应力应变曲线。由图可见，土体试样所受到的轴向应力随着轴向应变的不断增大先上升后下降。同理，曲线的峰值点即为相对应条件下土样的无侧向抗压强度，其中素土试样的无侧限抗压强度相对最低，为90 kPa。添加适量的黄麻纤维能够在一定程度上提升黏土的无侧限抗压强度。在养护龄期为14 d的情况下，黄麻纤维掺量为0.15%，0.25%，0.35%黏土试样的无侧限抗压强度值分别为93，96，102 kPa，相较于相同养护龄期下素土的无侧限抗压强度分别提高了3.33%，6.67%，13.33%，由此可见，养护龄期为14 d、不掺入其他添加剂且黄麻掺量变化范围为0.00%～0.35%的情况下，土体的无侧限抗压强度随黄麻掺量的增加而增加。

图4 不同黄麻含量的黏土应力应变曲线Fig.4 Stress and strain curves of clay with different jute fiber contents

在0 d养护龄期、不添加黄原胶的条件下，0.15%，0.25%，0.35%黄麻纤维加筋黏土试样的无侧限抗压强度分别为75，75，76 kPa，较相同养护龄期下素土的无侧限抗压强度分别提高了0.00%，0.00%，1.33%；7 d养护龄期下黄麻纤维加筋黏土的无侧限抗压强度值分别为88，90，92 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了6.02%，8.43%，10.84%；21 d养护龄期下黄麻纤维加筋黏土的无侧限抗压强度值分别为105，112，114 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了2.94%，9.80%，11.76%；28 d养护龄期下黄麻加筋黏土的无侧限抗压强度值分别为112，114，118 kPa，较相同养护龄期下素土的强度分别提高了1.82%，3.64%，7.27%。通过分析试验数据发现，保持养护龄期相同，6 mm黄麻纤维加筋上海黏土的无侧限抗压强度随黄麻加筋率的增大而提高，因此本研究试验范围内黄麻加筋黏土的最佳含量为0.35%。

图4(b)为同时添加黄原胶和黄麻纤维且黄原胶含量为1.50%、养护龄期为14 d时，黏土的应力、应变随黄麻纤维加筋率改变而变化的规律。在黄原胶含量相同的情况下，黄麻纤维加筋率越高，土体应力应变曲线达到峰值点后的下降变化趋势越不明显，即在其他条件都相同的情况下，黄麻加筋率越高，黏土试样受压破坏后的残余强度越高。养护龄期14 d条件下，素土的抗压强度为90 kPa，黄原胶含量为1.50%时，黄麻纤维加筋率为0.15%，0.25%，0.35%的土体对应的抗压强度分别为107，114，120 kPa，相较于同一龄期下的素土强度分别提高了18.89%，26.67%，3.33%。通过数据分析对比可以发现，在黏土中添加一定比例范围的黄原胶和黄麻纤维能够大幅提高黏土的无侧限抗压强度。

在养护龄期为0 d、黄原胶含量为1.50%的条件下，黄麻加筋率为0.15%，0.25%，0.35%的黏土无侧限抗压强度较素土强度分别提升了-4.00%，9.33%，16.00%；养护龄期为7 d时，其抗压强度增长率分别为12.05%，21.69%，28.92%；养护龄期为21 d时，其抗压强度增长率分别为18.63%，23.53%，27.45%；养护龄期为28 d时，其抗压强度增长率分别为24.55%，26.36%，29.09%。通过试验数据分析可得，在同一养护龄期内，保持黄原胶含量不变，土体的抗压强度随黄麻纤维加筋率的提高而增大。特别地，当不对土体试样进行养护而直接制样进行无侧限抗压试验时，低黄麻加筋率的黏土的抗压强度反而较素土强度有所降低。

2.3 养护龄期对黏土无侧限抗压强度的影响及黄原胶和黄麻加筋黏土的机理分析

图5为不添加黄麻纤维和黄麻纤维加筋率为0.25%时，不同养护龄期下黄原胶含量对土体无侧限抗压强度的影响规律。

图6为在不添加黄原胶和黄原胶含量为1.50%的情况下，各个养护龄期下的土体强度随黄麻含量变化而变化的趋势。

表3～表6为添加黄原胶和黄麻纤维与水混合后的黏土颗粒在经过规定时间养护后，与未经养护相比，其无侧限抗压强度值提升的比率。

通过分析数据可以发现，仅在黏土中添加黄原胶，当黄原胶含量为1.00%和2.00%且不进行养护的情况下，黏土试样的无侧限抗压强度不增反减；类似地，添加1.50%黄原胶和0.15%黄麻纤维且未经养护的黏土，其无侧限抗压强度值也低于仅添加1.50%黄原胶黏土的抗压强度值。因此，在养护龄期较短或不对土体进行养护的情况下，黄原胶的添加不一定能对黏土抗压强度起到增强效果。相反地，

图5 不同养护龄期下黄原胶含量对土体无侧限抗压强度的影响Fig.5 Influence of xanthan gum content on unconfined compressive strength of soil under different curing ages

图6 不同养护龄期下黄麻含量对土体无侧限抗压强度的影响Fig.6 Influence of jute fiber content on unconfined compressive strength of soil under different curing ages

表3 养护后黏土的抗压强度提升比率(无黄麻)(单位：%)Tab.3 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (without jute fiber content) (unit: %)

表4 养护后黏土的抗压强度提升比率(黄麻含量0.25%)(单位：%)Tab.4 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (0.25% jute fiber content) (unit: %)

表5 养护后黏土的抗压强度提升比率(无黄原胶)(单位：%)Tab.5 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (without xanthan gum content) (unit: %)

表6 养护后黏土的抗压强度提升比率(黄原胶含量1.50%)(单位：%)Tab.6 Increased percentage of compressive strength of clay after curing (1.50% xanthan gum content) (unit: %)

由于黄原胶在短时间内不能与黏土颗粒充分接触，其与水溶液结合后不能在土体颗粒之间形成均匀分布并对黏土整体起到很好的黏合效果，甚至会由于分布不均匀、拌和不充分等原因在一定程度上破坏土体试样的整体性，降低其无侧限抗压性能。随着养护龄期的增加，试验中土样的抗压强度都随之增大，但总体看来，养护龄期越长，其强度增长幅度越缓慢。

通过图5～图6和表3～表6可以得出，随着养护龄期的增长，素土、单独添加黄原胶的黏土、单独添加黄麻纤维的黏土及同时添加黄原胶和黄麻纤维的土体试样，其无侧限抗压强度都不同程度地提高。由于养护龄期的延长，黄原胶和土体颗粒与水充分接触，黄原胶分子中的螺旋体形成的网格结构使得其与水溶液结合后形成具有高黏性的凝胶，从而在一定程度上限制了土体颗粒的位移，增强了土体的黏聚力和整体性。其次，黄原胶为细粉末状，粒径小于颗粒状的黏土颗粒，因此黄原胶粉末能够填补土体颗粒中的缝隙，使得整体级配更为合理，颗粒之间排列更为紧密，增大了黏土密实性，降低了黏土流动性。黏土中单独添加过量的黄原胶会造成黏土抗压强度在一定范围内降低，因为过量的黄原胶与水结合形成的凝胶容易在黏土中形成较大的胶结块，甚至会溢出土体试样表面，破坏了试样表面完整性，同时增大了局部黏土颗粒间的连接，在试样受力变形的过程中形成局部薄弱部位，使得黏土试样的无侧限抗压强度有所降低。

黄麻纤维表面的木质素和纤维素等含有大量羟基，其纤维素大分子链之间及内部强烈氢键的作用，使得黄麻纤维的亲水性较强[18]。黄麻纤维掺入土体后，能够在黏土颗粒之间相连形成类似不规则网状结构，且黄麻纤维具有较高的纵向弹性模量，因此能够约束黏土颗粒的位移和变形，增强土体的整体性和抗压性。随着养护龄期的增加，黄麻纤维和土体颗粒的接触更加紧密，同时与水结合的黄原胶能够增强三者之间的摩擦力，提高土体密实度，有助于黄麻纤维承担荷载作用下产生的拉应力，从而延缓土体内部的变形和裂缝的开展，降低了黏土的脆性并提高了残余强度。试验数据还表明，当养护龄期、黄原胶含量保持相同的情况下，随着黄麻含量的提高，黏土的抗压强度随之提高，但部分试样的抗压强度提升幅度有所减缓。其原因是随着黄麻纤维含量不断增加，纤维之间易重叠缠绕，同理会在土体内部形成局部薄弱面，增大土体内部孔隙率，破坏土体的均匀性和整体性，削弱黄麻纤维的加筋作用。

图7为两种土体试块在同等养护龄期和养护环境下的无侧限抗压强度试验破坏形态。

图7 土体试块无侧限抗压强度试验破坏形态Fig.7 Failure mode of unconfined compressive strength test for soil test blocks

图7(a)为土体试块中未添加黄原胶和黄麻纤维，其破坏形态为沿试块45°剪切面发生破坏；图7(b)为土体试块中掺入含量为1.50%的黄原胶及0.25%的黄麻纤维，其破坏同样沿45°剪切面发生，但相较于未添加黄原胶和黄麻纤维的情况，其裂纹更为曲折。由此可证实，在土体试块受无侧限压力逐渐发生侧向形变的过程中，土体中掺入的黄麻纤维在土体颗粒之间相互交错形成网状结构，凭借其较高的纵向弹性模量增强了土体的整体稳定性，同时黄原胶凝胶能够增强土体颗粒之间的黏性，当土体颗粒发生侧向位移时起到一定的限制作用，延缓了土体的整体破坏。当土体即将达到整体破坏状态时，土体颗粒、黄原胶凝胶、黄麻纤维结合紧密处的局部抗变形能力较强，而抗变形能力较弱处的土体颗粒、黄原胶凝胶、黄麻纤维逐渐分离，在试块表面形成较素土试块裂缝更不规则的裂缝。