阳离子聚丙烯酰胺改良弱膨胀土试验研究

2021-06-25史敏劼

河南城建学院学报 2021年2期

史敏劼

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

膨胀土是一种灾害性土，其黏粒成分主要由亲水性矿物蒙脱石、伊利石组成。膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的变形特性，且这种特性具有反复性和潜在性[1-4]。在公路、铁路、地下建筑等建设中，常常由于膨胀土的特殊性质给工程施工和维护带来较多问题[5-7]。因此，为保证工程的顺利建设和安全进行，必须先对膨胀土进行改良和处理。

目前工程中处理膨胀土主要采用化学法[8-9]，其中采用石灰、水泥、粉煤灰、水玻璃等无机材料改良膨胀土最为常见。庄心善[10]等通过无侧限抗压试验，研究了强度和掺量及养护时间的关系，得出了石灰改良膨胀土的最佳掺量和最优养护时间。查普生[11]、惠会清等[12]通过液塑限和强度特性试验确定了石灰、粉煤灰复合改良膨胀土的最佳掺量。肖杰等[13]通过砂化试验、渗透试验、干湿循环试验确定了石灰-水泥复合改良膨胀土满足堤防填料的最佳掺量分别为2%和4%。Lu Yang等[14]通过一系列室内试验，发现水泥可降低膨胀土对水的敏感性，水泥的水化反应减少了因冻融循环触发的膨胀-收缩特性，对提高膨胀土的抗冻融性能具有良好的应用前景。康靖宇等[15]对掺入水玻璃的膨胀土进行研究，发现水玻璃可有效改善土体膨胀性和水稳性，提升土体强度。王靖等[16]从自由膨胀率、抗剪强度方面比较了使用阳离子聚丙烯酰胺和粉煤灰改良膨胀土的效果。陈宇龙[17]从微观角度入手，发现石灰和粉煤灰对膨胀土有絮凝作用，改良土微观结构由片状变为块状，工程性质得以改善。

以上工作为膨胀土的改良积累了大量经验，但现有研究大多采用水泥、石灰、粉煤灰等无机改性剂单独改性或者联合改性膨胀土，鲜有采用对有机类化学材料改性的研究，本文采用有机高分子化合物阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)对膨胀土进行改良，开展室内性能试验，在减少污染的同时，为工程施工提供科学建议。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自安徽淮南山南新区某建筑工地基坑，土样呈褐黄、灰黄色，表面有擦痕。按照《土工试验方法标准》[18]，通过一系列室内试验测定其物理参数见表1。该土样自由膨胀率为53.8%，由于40%<53.8%<65% ，按照《膨胀土地区建筑技术规范》[19]规定，该土样属弱膨胀性土。通过筛析法所得颗粒级配曲线如图1所示，颗粒级配表见表2。所用CPAM来自郑州森海水处理有限公司，离子浓度为40%，分子量为800万，试验原材料见图2。

表1 淮南膨胀土基本物理性质指标

图1 膨胀土颗粒级配图

表2 颗粒级配表

1.2 试验方法

按照《土工试验方法标准》[18]进行物理、力学性能试验， CPAM掺量为CPAM质量与干土质量之比。将烘干膨胀土磨细后过0.5 mm筛，分别按照0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的质量百分数掺入CPAM，搅拌溶于水后与试验用土充分混合后测定液塑限、自由膨胀率指标，如图3、图4所示；将土过2 mm筛，同样按上述配比称量改良剂溶于水拌和土样，闷料24 h后使水分均匀分布，按照轻型击实标准击实,截取环刀样后使用WZ-2型膨胀仪、固结仪、EDJ-2型直剪仪进行膨胀率、水稳性、直剪试验；采用Flex1000型扫描电子显微镜研究素土和改良土微观形貌。

图3 CPAM改良膨胀土液塑限变化图

图4 CPAM改良膨胀土自由膨胀率变化图

2 试验结果及分析

2.1 液塑限试验

由图3可知：加入CPAM后膨胀土的界限含水率指标有明显改善，随着CPAM浓度的增加，改良膨胀土的液限和塑性指数逐渐降低，塑限逐渐增大。以加入1%CPAM为例，改良土的液限降低6.4%，塑性指数降低21.6%，塑限增加7.8%。这是由于膨胀土黏土矿物中含有的蒙脱石、伊利石表面积聚大量负电荷，会与掺入的阳离子添加剂紧密结合，使得膨胀土土粒表面的吸附水膜厚度降低，进而ξ电势下降，各粒径之间的土团孔隙缩小，土壤颗粒间进一步靠近变得密实，膨胀土内部结合水减少，使得宏观上表现为土的液限和塑性指数降低，塑限增加。

2.2 自由膨胀率试验

由图4可知：当掺入0.2%CPAM时，改良土的自由膨胀率降至39.1%，已不再具有膨胀性；随着浓度的增加，自由膨胀率呈现先减小后增大的规律；当掺量超过0.6%时，自由膨胀率又开始提高，这是因为浓度较低时，CPAM活性部分在静电作用、氢键作用下对黏土的吸附能力随着掺量的增加而增强，而在达到某一浓度时这种吸附能力会达到饱和，试验中发现将0.6%CPAM搅拌溶于水后已经在水中形成絮状物，正是这种絮状物使得CPAM与膨胀土发生的吸附桥连作用减弱，从而导致改良土的膨胀性又出现增大的趋势；两种龄期的变化曲线接近重合，这是由于在自由膨胀率试验中CPAM的改良均是在溶液中进行的，而离子交换发生速率很高，故养护龄期对自由膨胀率的影响并不大。

2.3 有荷膨胀率试验

将改良膨胀土制成环刀试样放入单轴固结仪中，施加25 kPa荷载，至土样压缩变形稳定后，向水盒内注水，进行有荷膨胀率试验，膨胀曲线如图5所示。

(a)掺入CPAM后有荷膨胀率时效图 (b) 掺入CPAM后有荷膨胀率变化图5 CPAM对有荷膨胀率影响

由图5(a)可知：在25 kPa荷载作用下，前140 min土样发生收缩变形，至变形稳定后，注水条件下土样在随后80 min内处于快速膨胀阶段，自此之后，土的有荷膨胀率增长逐渐缓慢直至稳定。由图5(b)可知：有荷膨胀率随着CPAM掺量增加而降低，这是由于CPAM分子链上带有的大量氨基可以与矿物晶面上的氧层和氢氧层形成氢键，并形成膨胀土颗粒表面的薄膜，这种较强静电作用会削弱层间负电斥力，阻止外来水浸入导致晶层间距增大而形成膨胀，从而使有荷膨胀率降低。值得注意的是，当掺量超过0.8%时，有荷膨胀率又有增大趋势，原因是在一定浓度时，CPAM溶液在黏土表面的吸附会达到饱和状态，而过量的聚丙烯酰胺会导致土膨胀性增大。

2.4 水稳性试验

将素土和CPAM改良土制成环刀重塑样取出放入水中，进行水理特性试验，观察土样在无侧限下的塌落情况，素土与0.6%CPAM改良土水中湿化崩解图见图6。

图6 水中崩解图

由图6可知：素土在0.5 h时底部土层开始成块脱落，上浮气泡增多，上表面边缘逐渐翘起并出现裂缝；1 h后出现大量塌落，上部边缘已完全松动脱落，表面布满裂缝；随后上表面裂缝朝中间发展，土样继续塌落，4 h后基本稳定，6 h后已完全崩解。0.6%CPAM改良土在0.5 h 时边缘开始出现松动，随后1～4 h土样上表面边缘出现裂缝并逐步向中间延伸，边缘松动增多但并未有土屑滑落，6 h后表面裂缝宽度增大土样整体完好，这是由于CPAM与蒙脱石、伊利石发生反应形成的一层覆盖膜将膨胀土的大小微粒联结和包裹起来，改良后土体的亲水性发生根本变化，形成网状结构使土颗粒之间连接更加紧密，所以土样整体完好并无塌落，这一改良特性提升了土的水稳定性，有利于多雨地区膨胀土路堤和边坡施工。

2.5 直剪试验

直剪试验过程中手轮转速为4 r/min，分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的垂直压力，试验过程中记录手轮转数和测力计读数，不同掺量试样的应力-位移曲线见图7，不同上覆压力下的抗剪强度如表3所示，直剪试验数据汇总如表4所示。

表3 不同上覆压力下的抗剪强度

表4 直剪试验数据汇总表

图7 不同CPAM掺量下剪应力与剪切位移关系曲线

由图7可以看出：素土和改良土的应力-位移曲线均满足先上升后下降至稳定的规律。素土和改良土峰值强度都随着上覆压力的增大而增大，残余强度依然满足此规律。这是因为土体在受剪时，土颗粒之间紧密排列，在受到横向推力时，上部土体和下部土体发生挤压并产生相对错动需要克服较大的“咬合”作用力，而上覆压力越大，需要克服的咬合力也越大，因而表现出更大的抗剪强度，当土体本身的抗剪强度大于咬合力时，土体颗粒就可绕过另一部分土体颗粒，此时土体整体结构变松，上下部分位置出现明显错动，抗剪能力减弱，表现为软化特性。

由表3可知：同一上覆压力下，土体的抗剪强度随着CPAM掺量的增加而增大，但当掺量大于0.6%时，抗剪强度的增长开始减缓，150 kPa上覆压力下，掺量为0.8%CPAM的抗剪强度甚至比0.6%CPAM的还低，这说明CPAM掺量存在一个最佳值。

由表4可知：在0%～0.6%掺量下，随着CPAM浓度的增加，改良土样的黏聚力和内摩擦角也在增加，这是因为加入CPAM后，胶结作用提高了黏土颗粒之间的连接强度，使得颗粒与颗粒之间连接更加紧密，宏观上表现为抗剪强度的提高；改良效果方面，以施加200 kPa垂直压力为例，掺入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%CPAM改良土的黏聚力增幅分别为10%、23%、45%、43%，内摩擦角增幅为3%、6%、11%、14%；在0.6%～1%掺量时，内摩擦角仍在继续增大，但黏聚力有减少的趋势，可见掺量过高时，CPAM并不能大幅度增加改良土样的强度，这也印证了前面的结论。根据土力学中库伦公式σtanφ以及经济角度，掺量0.6%是一个比较合理的数值。

2.6 微观分析

为对比改良前后膨胀土微观结构变化，将素土和0.6%CPAM改良土制成小块后烘干，使用扫描电子显微镜，将试样喷金180 s后进行扫描分析，见图8。

图8 扫描电子显微镜图

CPAM的SEM图片如图9所示，500倍数下可发现CPAM固体间颗粒紧密连接，互相包裹。当放大倍数为1 000时，发现局部有絮状体出现，黏度较高且互相吸附。在5 000倍下可看出颗粒间呈胶体状，这种胶体使得分子间具有吸附架桥作用，在与蒙脱石、伊利石等黏土矿物反应时，会在其表面形成一种覆盖膜，一方面促使颗粒间连接更加紧密，另一方面又阻止了外来水浸入土体内部，降低了膨胀土的亲水性。

图9 CPAM的SEM图片

素土的扫描电镜图像见图10，经500倍数放大发现，膨胀土由颗粒间层叠联结，由面-面叠聚体构成，呈鳞片状，正是这种叠聚体构成了起胀缩作用的组织单元，当放大倍数为1 000时，可看出表面黏土的形态有扁平而直的，也有弯曲起皱的，边缘形态或规整清晰或模糊不清。在5 000倍下，可更为清楚地观察到薄片状分布的颗粒，这些颗粒外形弯曲而起皱，边缘无棱，模糊不清，这是蒙脱石或蒙脱石、伊利石混层矿物颗粒，这种颗粒是造成膨胀土吸水膨胀和失水收缩的主要原因。

图10 素膨胀土SEM图片

0.6%CPAM改良土的扫描电镜图像见图11，500倍数放大下可发现改良土叠聚体的排列更为稀疏，这使得改良土在浸水后，膨胀压力变小，膨胀程度降低。当放大倍数为1 000时，相比较素土的面-面叠聚体，CPAM的胶结作用使得改良土连接方式转变成边-角或边-面-角絮凝体，这种连接方式具有一定的网架结构。相比于素土，在5 000倍下可发现弯曲薄片状颗粒数量减少，解释了改良土膨胀潜势下降的原因。同时可更加直观地观察颗粒间的网架结构，这种结构进一步提高了土体稳定性，从而增加了土体强度。