类毛细导水材料排水及抑制土体冻融效果研究

刘志彬，刘锋，张书建，雷松林，白梅，黄昊冉

（1.东南大学 交通学院，江苏 南京 211189；2.吉林省高等级公路建设局，吉林 长春 130062）

季节性冻土区公路路基冻害主要表现为冻胀和翻浆2 类，冻胀会引起路面横向挠曲变形和裂缝，翻浆则会导致路面沉陷、鼓包及车辙变形[1-2].李雨浓等[3]指出，在季节性冻土区路基水分迁移变化是导致道路冻害频发的最主要因素.许健等[4]通过研究发现，土体降温冻结时冻结区的液态水含量急剧减小，从而引起其基质势能的急剧降低，促使土中未冻水沿着温度降低方向迁移，最终导致路基强度降低.Hermansson 等[5]调查了水位高度对冻土路基冻胀行为的影响，结果表明，路面排水结构的改善以及降低地下水位高度可以显著减少冻胀.因此路基的防排水技术是减少道路冻胀破坏的关键所在.

目前解决季节性冻土区路基冻胀破坏的措施主要是通过改良路基填筑用土或换填来实现[6-9]，但上述措施对道路冻胀破坏只能起到一定的预防和改善作用，存在诸多不足.例如，换填法和保温法成本高，不能彻底消除及避免路基土水分迁移与冻胀[10-11].美国TenCate 公司研制了一种具有毛细吸水功能的毛细导水材料H2Ri，这是一种由亲水吸湿纤维制成的新型高分子材料，能够在非饱和条件下将土中水分排出，美国一些学者围绕这种材料开展了一些研究工作.Azevedo 等[12]利用小型土柱模型试验发现，毛细导水材料的水平排水性能明显优于其竖向排水能力.Zhang 等[13]在阿拉斯加某公路试验段开展了现场试验，初步证明该种毛细导水材料可有效解决冻土区路基的冻融破坏问题.Lin 等[14-15]通过室内和现场试验证明毛细导水材料可以有效地将自由水和毛细水排出路面结构.Guo 等[16]在控制温度和相对湿度条件下测试了毛细导水材料的除水率，结果表明毛细导水材料可以以较快速率从水箱中抽排水.

由于国内并不生产上述毛细导水材料，本文采用与毛细导水材料H2Ri 具有相似功能的类毛细导水材料Coolmax 材料进行研究.以商用高岭土为对象，对使用类毛细导水材料处理后的不同初始含水率高岭土单元体试样分别进行排水和冻融试验，研究类毛细导水材料排水特性及其抑制土体冻融变形的效果.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用市场上具有毛细导水性能的类毛细导水材料Coolmax 材料（如图1 所示）进行测试分析，探讨其排水能力以及抑制黏性土冻融变形的效果.Coolmax 材料由于具有良好的吸排水性能，被广泛地应用于制造速干类运动衣[17]，Coolmax 材料的规格参数见表1.

图1 Coolmax 材料实物图Fig.1 Picture of the Coolmax material

表1 Coolmax 材料的规格参数Tab.1 Specifications of the Coolmax material

试验所用土样为徐州矿务局夹河高岭土厂生产的商用高岭土（粒径<50 μm）.其主要的物理性质指标见表2.

表2 高岭土主要物理性质Tab.2 Basic properties of the kaolinite soil

1.2 试验方法

将上述高岭土按15%、17%、19%、21%、23%调制含水率，密封养护24 h 后采用静压法制成φ5 cm×H10 cm 的圆柱样，试验控制土样初始干密度为1.76 g/cm3，土样压实度为95%.在相同含水率条件下，制样采用2 种材料布设方案，同时制作对照试样.

方案1 将类毛细导水材料直接包裹在样品侧面.试验组1a 将类毛细导水材料完全包裹在土样侧面，仅留下上下表面裸露在外，旨在测试材料接触面排水效果；对照组1b 则直接使用塑料保鲜膜将土样侧面包裹起来，仅留上下表面裸露在外.方案2 将类毛细导水材料分上下2 层埋设于土样中间.试验组2a制样时将宽0.7 cm、长6.5 cm 的类毛细导水材料分2 层布设在土柱试样1/3 和2/3 高度，每层2 根宽0.7 cm 的材料平行布设，间距0.5 cm；对照组2b 使用塑料保鲜膜将侧面包裹起来，仅留上下表面裸露在外，在材料对应的位置剪出开口，将开口区域的土样曝露于空气中.本次试验所制试样编号见表3，材料布设方法和试样制备方法分别如图2 和图3 所示.

表3 试样编号Tab.3 Sample number of all the soil samples

图2 方案2 材料布设方法Fig.2 Material layout method of scheme 2

图3 试样制备方法示意图Fig.3 Diagram of sample preparation method

进行排水试验时，室温为（25±3）℃，湿度为65%±5%，定期测量土样质量变化并精确至0.1 g，最终测量至72 h.冻融试验参考美国ASTM D6035/D6035M规范[18]进行试验设计：试验时将试样在-20 ℃下冻结24 h，然后置于25 ℃环境下融化24 h.

冻融过程中每隔1 h 用游标卡尺测量试样直径和高度，考虑冻融过程中试样变形的不均匀性，沿试样高度方向取3 个断面测量直径，并取平均值计算试样体积.最后根据式（1）计算试样体积变化率.

式中：δ 为体积变化率，%；Vt为土样经历冻融后体积，cm3；V0为土样初始体积，cm3.

2 排水试验结果分析

2.1 类毛细导水材料包裹土样排水结果分析

图4 所示为材料包裹试样的试验组1a 与对照组1b 含水率变化曲线.从图4 可看出在类毛细导水材料作用下，土样含水率明显低于对照组土样含水率.在类毛细导水材料包裹下的土体排水过程主要可分为2 个阶段，即类毛细导水材料主导的快速排水阶段，以及蒸发作用主导下的匀速排水阶段.

图5 所示为采用材料包裹试样与对照组试样的含水率降低率曲线.由图5 可看出，类毛细导水材料包裹的试样的初始含水率越高，材料排水效果越明显.这表现在土样初始含水率越高，含有类毛细导水材料的土样最终含水率降幅越大.

图4 材料包裹土样的含水率变化Fig.4 Moisture content of samples with wrapped quasi wicking fabrics

图5 材料包裹土样的含水率降幅Fig.5 Moisture content reduction of samples with wrapped quasi wicking fabrics

2.2 铺设2 层类毛细导水材料土样排水结果分析

图6 所示为铺设2 层材料试样的试验组2a 与对照组2b 的含水率变化曲线，从图6 可看出含类毛细导水材料土样的含水率始终低于对照组试样.随着时间的增长以及土中含水率的减小，最终2 组试样的排水速率相差不多.

图6 铺设2 层类毛细导水材料土样的含水率变化Fig.6 Variation of moisture content of samples with two layers of quasi wicking fabrics

图7 所示为铺设2 层材料的土样与对照组试样的含水率降低率曲线.分析图7 可发现埋有类毛细导水材料试样的含水率降低率与对照组试样的含水率降低率之间未表现出太大差异.埋有类毛细导水材料的土样排水效果略优于没有材料的土样，这可能是因为蒸发作用比较明显且类毛细导水材料在土样中排水工作面积不足，未能表现出明显的吸排水效果.

图7 铺设2 层材料试样的含水率降低率Fig.7 Moisture content reduction of samples with two layers of quasi wicking fabrics

图8 所示为试验结束时铺设2 层材料土样的分层含水率，由图8 可看出铺设2 层材料的土样不同深度的含水率是不同的，由于土样顶层暴露在空气中，所以土样上部同时受到类毛细导水材料的毛细效应以及蒸发影响，含水率最低.土样中部只受到类毛细导水材料的排水作用，能够体现材料真实排水能力.土样下部含水率较高可能是由于土样底层无蒸发作用且离导水材料较远所致.

图8 铺设2 层材料试样的分层含水率Fig.8 Moisture content of each layer in samples with two layers of quasi wicking fabrics

2.3 布设方案对类毛细导水材料排水效果影响分析

图9 显示了2 种材料布设方案对试样含水率变化率的影响.由图9 可发现材料包裹试样的排水效果要明显优于在试样中铺设2 层材料的排水效果，且初始含水率越大，越能发挥材料的排水作用.此外，类毛细导水材料的排水能力与它和土样之间的有效接触面积相关，接触面积越大，材料的排水效果就越好.除了有效接触面积之外，类毛细导水材料在空气中的暴露面积同样起到关键作用.类毛细导水材料暴露在空气中的部分直接参与了蒸发过程，因此暴露在空气中的材料面积越大，类毛细导水材料排水能力越强.

图9 2 种材料布设方案含水率降幅比较Fig.9 Comparison of moisture content reduction between two layout methods

结合具体工程实际进行考量，第一种材料布设方案在实际工程中较难应用，而第二种布设方案所表现出的效果虽然不如方案一，但在具体工程应用上更加可行.在第二种材料布设方案中，由于室内试验条件限制，材料埋设宽度较小，类毛细导水材料与土样接触面积不足，因此降低了其排水效果.

3 材料抑制土样冻融效果研究

3.1 类毛细导水材料包裹试样冻胀融沉分析

图10 所示为用材料包裹的初始含水率为19%与23%的试样体积变化率.从图10 可看出土样初始冻胀阶段体积变化最快，随着时间增长，体积变化逐渐减慢，直至稳定.试样刚开始融化时，试样的体积迅速减小，随着时间增长，体积变化逐渐减小.

从图10 可看出，在冻胀阶段，包裹了类毛细导水材料和不含材料的2 个试样的体积变化率都在增加，出现明显的冻胀现象；在融化阶段，2 个试样也都出现了明显的融沉现象.但在整个冻胀融沉试验过程中，类毛细导水材料包裹的试样的体积变化率一直都比素土试样的体积变化率低15%左右，这说明采用类毛细导水材料包裹侧面的布设方案确实能够有效抑制土样的冻胀融沉.

图10 材料包裹试样的体积变化率Fig.10 Volume change ratio of samples with wrapped quasi wicking fabrics

3.2 均匀铺设2 层材料试样冻胀融沉分析

图11 为初始含水率分别为19%与23%且均匀铺设2 层类毛细导水材料试样的体积变化曲线.由图11 可看出，在初始冻胀阶段，土样体积迅速增大，出现明显的冻胀现象，随着时间增长，体积逐渐趋于稳定，直至不再变化.相同情况下，试样初始含水率越高，其体积变化越大.比较2 种试样的体积变化率可见，铺设有类毛细导水材料试样的体积变化率比对照组试样低5%，这说明采用在土样中均匀铺设类毛细导水材料的试验方案能够抑制土样的冻胀融沉.

图11 铺设2 层材料试样的体积变化率Fig.11 Volume change ratio of samples with two layers of quasi wicking fabrics

4 结论

本文以商用高岭土为对象，通过对埋设有类毛细导水材料的不同含水率高岭土试样进行排水和冻融试验，得到了以下主要研究结论：

1）类毛细导水材料能够将非饱和高岭土中的水分排出，使土样的含水率降低20%～30%，起到抑制路基土冻胀的作用.

2）在排水试验中，采用了将类毛细导水材料直接包裹在土样侧面和将2 层材料均匀铺设在土样中2 种材料布设方案，其中类毛细导水材料包裹在土样侧面时的排水效果明显好于将其铺设于土样中；土样的初始含水率越高，类毛细导水材料的排水能力越强；暴露在空气中的类毛细导水材料面积越大，类毛细导水材料排水效果越好.

3）在冻融试验中，所有土样均发生了明显的冻胀和融沉现象，且土样含水率越高，土样的体积变化越大；使用类毛细导水材料能够使土样在冻融过程中的体积变化率减少5%～15%，有效抑制土样的冻胀融沉.