有机硅材料作用下路基土体毛细水上升试验研究

董庆杰 韩春鹏

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

公路路基作为道路的支撑结构，对公路的整体稳定性起到至关重要的作用。新建公路路基土体一般具有强度高、压实性好等优点，但随着使用时间的增加，路基土体受到外界环境影响，尤其是在地下水的毛细作用影响下，路基土体达到一个新的温湿平衡的状态，土体逐渐变得湿软从而导致路基整体稳定性遭到破坏，尤其对于季冻区公路，地下水毛细作用会使路基土体遭受更加严重的冻融作用，出现更严重的冻胀、翻浆病害，对公路的正常使用造成了极大影响[1]。因此减缓、阻隔地下水的毛细作用对于路基土体十分重要。工程施工上采用设置路基隔水层来达到阻隔毛细水的目的。常见的隔水层形式为增加路基填高、换填土质、设置粒料层、不透水隔水层及土工格栅等。但这些隔水处理方式存在着增加工程预算及工程量、施工工艺复杂延长工期、对粒料类材料数量和质量上有一定硬性要求等缺点。针对上述隔水层不足之处，本论文采用有机硅疏水材料作为路基隔水层制备材料。由于有机硅疏水材料具有较强的疏水性，其在房屋室内防水、文物遗址保护、路基边坡集雨等多个领域有着重要的作用，且其用作路基隔水层的设置材料拥有施工工艺简单、造价较低、绿色污染等优点。本论文通过竖管法模拟路基地下水毛细上升试验，通过不同高度处土体含水率的变化表征有机硅疏水材料阻隔毛细水上升效应。

1 试验材料

1.1 试验用土

本试验所用土体取自哈尔滨附近某公路施工现场，依照JTG E40—2007公路土工试验规程对土体进行含水率测定试验、颗粒分析试验、界限含水率试验以及击实试验，土体相关物理指标见表1。根据上述试验可知，该土体不均匀系数Cu为15.06，颗粒粒组分布较广，土体级配良好。该土体为低液限黏土，天然含水率为26.7%，液限34.5%，塑性指数11.6，最佳含水率为16.25%，最大干密度为1.78 g/cm3，适合用作路基填土。

表1 土体基本物理性质指标

1.2 有机硅疏水材料

有机硅疏水材料产自北京市家晟建材有限公司，为无味，无毒的流动性白色粉末状材料，主要成分为含活性基团的有机硅烷物质，该材料细度为150目，纯度较高。有机硅疏水材料具有优良的疏水性，同时抗酸碱、耐老化、防碳化、防潮、防霉、防冻、在水中的分散性极佳。有机硅疏水材料形态见图1。

2 毛细水上升试验

2.1 试验仪器

由于JTG E40—2007公路土工试验规程中毛细管水上升高度试验的仪器尺寸较小，适用于风干状态下土体的毛细水上升试验而无法很好地模拟公路路基土体受到的地下水毛细作用。所以本试验依据竖管法原理采取自行设计的有机玻璃管作为仪器主体，有机玻璃管内径15 cm，壁厚0.5 cm，长度1 m。玻璃管底部开有4个直径1 cm的半圆孔方便蒸馏水进入，玻璃管高度方向上自下而上每隔10 cm位置处在水平方向上每90°有直径1 cm的小孔1个，即每个水平方向4个小孔，方便后期测量土体含水率，每个小孔对应有玻璃塞防止水分散失。

2.2 试验方案

试验土体过2 mm筛后按照最佳含水率使用喷壶洒水拌和，在密封的塑料袋中闷料24 h使水分扩散均匀；限于室内试验现有条件很难在该试验仪器尺寸下完成更高压实度要求，因此选择土体压实度为90%。由前期室内变水头渗透试验可知，当有机硅疏水材料用量在100 g/m2、作用时间为24 h时其效果较好，该种作用方式下土体渗透系数较素土渗透系数降幅可达77.3%，故本次毛细水上升试验选取该作用方式开展。详细试验方案如图2所示。

本试验共4组试件，分别为素土试件2个、作用有机硅疏水材料试件2个。由图2可知有机玻璃管底部为振捣结实的4 cm高砾石及1 cm高石屑，石屑以上95 cm高度范围内均为试验土体，外部供水水面略高于石屑顶面高度。对于作用有机硅疏水材料试件，有机硅疏水材料的布置位置为距离水面高度以上20 cm处。

土体含水率的测量选择最为准确的烘干法，使用特制的取土器在规定的时间取土。土柱某一高度断面含水率的确定为该断面4个小孔取出土体测得含水率的平均值，每个小孔每次取土不少于10 g以保证测量结果的准确性。完成一次土体含水率测量后，尽快按照取土时该孔土体的含水率及质量回配土体，回配结束后将土体填于开口处减小土体结构破坏对土体含水率的影响。土体测量时间点为毛细水土体制作完成当天，15 d,30 d,60 d。

2.3 试验过程

1)将透水布封于有机玻璃管底部，以免管内固体材料外泄；

2)称取一定质量砾石倒入有机玻璃管中，控制其捣实后的高度为4 cm。称取一定质量的石屑覆盖于砾石层上，控制经过捣实后的砾石与石屑总高度为5 cm。由于砾石层捣实后仍存在一定程度上的孔隙，可将其高度范围视为地下水活动范围。铺筑石屑的目的在于一定程度上堵塞砾石层上表面部分孔隙，防止细颗粒土体渗入砾石层中；

3)将有机玻璃管内壁涂抹一层凡士林，防止土体与管壁接触不实存在孔隙；

4)采用分层压实的方法填筑土样，提前按照90%压实度计算好5 cm高度所需土样质量，称取该质量土样通过长漏斗将土样均匀平铺在有机玻璃管内，遵循先中间后四周的原则均匀捣实至5 cm高度，拉毛铺筑下一层；

5)对于对照组素土土柱重复步骤4)中方法直至装满整个有机玻璃管；对于试验组，在作用有机硅疏水材料溶液前正常填筑土体，当到达预计设置隔水层高度处时，按照实验方案使用喷壶均匀喷洒有机硅疏水材料溶液在土体表面，待规定的作用时间24 h到达后重复步骤4)填筑土体直至填满有机玻璃管；

6)供水水面高度略高于有机玻璃管内石屑顶部高度；

7)按照监测周期测量土柱不同高度处土体含水率。

3 试验结果分析

3.1 毛细水上升试验土体含水率测量结果

不同位置处土体含水率如表2所示。

表2 土体含水率测量结果

3.2 不同位置处土体含水率随时间变化情况

由图3可知素土试件位置1及位置2处土体含水率随时间变化最为明显，位置1处土体含水率随时间的增加持续增加，0 d～15 d含水率变化最快，增长率达28.5%，随后其增长略微变缓。位置2处含水率的增长呈现出“较快—加剧—减缓”的趋势，在15 d～30 d时间内含水率变化最为明显，土体含水率增加速率为0.24%/d。位置3～位置6处土体含水率增长较为明显，截止60 d时其较初始含水率增加分别为35.2%,13.2%,10.1%,13.4%。位置7～位置9处含水率没有明显变化，位置10处含水率略微下降，可能是由于试件顶部保鲜膜不能完全密封而使得土体水分散失。由图4可知对于作用有机硅疏水材料的试件，位置1及位置2处土体含水率的变化趋势与素土试件的相同，均呈现出随着时间的增加含水率快速增加的状态。位置1处土体含水率变化最为明显，截至60 d时其含水率较初始含水率增加70.8%，位置2处含水率的增长同样出现 “较快—加剧—减缓”的变化趋势。位置3处0 d～30 d时含水率增加8.2%，截至60 d时含水率较初始增加16.2%。位置4处含水率在0 d～15 d内基本没有变化，在15 d～30 d内有较明显增加，在30 d～60 d时间内趋于平缓。位置5处～位置9处含水率没有太大变化。这是由于有机硅疏水材料隔水层设置在距离水面高度20 cm位置处，介于位置2和位置3之间，有机硅疏水材料对土体毛细水上升起到了一定的抑制作用。

3.3 相同位置处土体含水率变化情况

有机硅疏水材料作用位置为距离水面高度20 cm处，介于位置2和位置3之间，由图3及图4可知作用有机硅疏水材料前后位置2处含水率变化趋势基本相同，故分析对比位置3处含水率变化情况。

图5所示为素土试件及作用有机硅疏水材料试件在位置3处较各自初始含水率增加率示意图。由图可知作用疏水材料后位置3处受到的毛细作用明显下降，在15 d时作用有机硅疏水材料试件含水率增加率较素土的降幅为62.5%，30 d时降幅为54.2%，60 d时降幅为53.9%。

4 结论

1)毛细水随着时间的增加，在土体中逐渐上升，土体各高度含水率随着时间的增加呈现出“较快—加剧—减缓”的趋势。

2)有机硅疏水材料隔水层能够有效抑制路基土体的地下水毛细作用，对于在有机硅疏水材料隔水层以上的土体，其含水率的增长率较素土的降幅在50%以上。