芯吸纤维作用下盐渍土水盐降低效果研究

杨若辰，张吾渝，孙晓辉，郭 峻，唐雄宇

(1.青海大学 土木工程学院，青海 西宁 810016；2. 青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016；3. 深圳大学 土木与交通工程学院，广东 深圳 518000)

0 引言

公路因其具有建设环境多样、施工条件复杂的特点，其路基常常会出现湿化、软化及沉陷等问题，从而严重影响工程质量。路基出现湿化、软化及沉陷的重要原因之一是地面雨水的入渗及地下毛细水的上升[1]。相关研究表明，过量的水在路基中长时间存留会显著降低路基土的弹性模量及服役性能，从而减少路基的使用寿命[2-4]。盐渍土作为一种特殊土，因其含盐的特性，在相同条件下会导致更为严重的病害[5-7]。因此，能够及时迁移并排出路基中多余的水分对于工程质量的保障至关重要。

目前对于路基土的水分侵入所采用的方法以被动防御型为主，主要方法包括水分隔断法及换填法[8]。水分隔断法主要是设置隔断层。设置隔断层虽可在一定程度上实现对水分的控制，但水分在隔断层界面的聚集可能引起更为严重的病害。换土法虽可以暂时减弱土体中水盐的迁移，但不能长时间防止外来水分的侵入以及随水分带入的盐分。并且，换填法较高的成本限制其在工程中大量应用。此外，传统的排水板在路基土排水中也得到了应用，但传统排水板主要依靠重力排水，并且仅能在土体接近饱和时进行排水。随着土体含水率的降低，土体逐渐转变为非饱和状态，排水板的排水效率大大降低。然而在实际工程中，大部分土体都为非饱和状态，这会严重限制传统排水材料的使用范围以及作用效果。

针对以上问题，国际上研制了一种新型土工合成材料，被命名为“芯吸土工布”(图1(a))。采用芯吸土工布对路基进行加筋，该土工布一段置于路基外部，通过内外蒸气压差使路基中水分在非饱和状态下排出，为路基的排水提供了一种新的思路。其特有的凹槽状截面结构以及亲湿基团可在土体中产生毛细力，从而对土体中的水分产生“芯吸作用”，在非饱和土体中可产生持续地主动排水作用。国际上学者对芯吸土工布开展了研究。Han等、Lin等[9-10]对吸水土工合成材料的吸水特性进行了研究。Han指出吸水土工材料对于水分的迁移机制分为重力排水及吸力排水两部分。Lin指出空气与土体之间因湿度差而引起的吸力差是吸水土工材料排水的主要机理。Guo[11]等通过室内试验在温湿度控制的情况下研究了芯吸土工布对于水分的去除效率，并根据蒸汽压、温度和相对湿度对芯吸土工布的水分去除率进行了量化。针对芯吸土工布作用土体时的情况，Wang[12]等通过室内模型试验验证了芯吸土工布作用集料时的有效性。Guo[13]等通过室内土柱试验研究了芯吸土工布在压实集料中的水分迁移机理，得出了芯吸土工布相较于传统土工布具有更为明显的排水效果，同时分析了芯吸土工布的有效作用距离。

以上研究表明芯吸土工布作用砂性集料时的有效性，但其作用于黏性土的效果有待进一步研究。同时吸水土工材料在解决实际工程问题方面具有重大应用潜力，因此开展吸水材料作用盐渍土水分迁移的研究具有较大的研究价值及应用意义。我国范围内对于芯吸土工织物的研究较为罕见，并且我国盐渍土分布十分广泛，盐渍土路基病害的处理与防治是目前研究的热点，目前尚缺乏芯吸纤维作用下的盐渍土水分迁移的研究。盐渍土因其含盐的特性，盐分在随水迁移的过程中可能在国际上现有的成品纤维上附着，对纤维进行堵塞，从而影响芯吸纤维的作用效果。针对目前芯吸纤维存在的问题，以涤纶纤维为基础，通过改变其断面结构研制了针对盐渍土的新型芯吸纤维，使其比国际上现有的芯吸纤维拥有更小的截面尺寸以及更大的比表面积，从而使其在具有更强的排水能力的同时不易被盐分附着造成堵塞。

本研究通过室内土柱试验，在温湿度控制的条件下对比分析了国际上成品芯吸纤维以及自行改造研制的涤纶纤维作用盐渍土时水分迁移及水盐排出情况，并结合纤维材料对土体的作用机理及其微观结构对试验结果进行了分析讨论，以期为芯吸土工织物在国内盐渍土地区的推广与应用提供一定理论指导。

1 试验概况

1.1 试验用土

试验所用盐渍土取自青海省海东市某地，通过试验得到其基本物性指标如表1所示。

表1 盐渍土的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of saline soil

1.2 试验纤维

试验所用芯吸纤维采用2种纤维，第1种纤维取自国际上某成品芯吸土工布。其纤维断面分布有轴向沟槽，在土体中可形成毛细通道从而实现在土体中的排水。试验时将纤维从编织成型的土工布中抽出进行使用。第2种纤维为自行研制经改造后的涤纶纤维，通过改变涤纶原有的截面结构，使纤维表面存在轴向沟槽，以便水分在毛细力的作用下进行排水。2种纤维如图1所示。

图1 芯吸纤维Fig.1 Wicking fiber

1.3 试验传感器

能够实现对土体含水率准确连续监测对于试验的成功至关重要。试验中为实现对土体含水率的连续监测，采用EC-5水分传感器(图2所示)。EC-5传感器是一种电容式变换器，内部由方波信号发生电路、RC充放电电路以及时间电压转换电路组成，通过传感器上电容的变化来测量土体的介电常数，最终通过输出电压来表征土体的含水率。

图2 EC-5水分传感器Fig.2 EC-5 Moisture sensor

相关研究表明[14-16]，EC-5传感器受土体压实度、温度等因素的影响，并且根据土体的类型会呈现出不同的响应。因此，在使用EC-5传感器时需要根据土体的类型及试验条件开展标定试验。部分学者[17-18]通过体积含水率来表征土体的含水量，体积含水率往往是以土体的质量含水率为参照，采用土体三相换算公式计算得到，其数值由土体质量含水率所决定，并且在换算过程中其所用到的换算指数——土体干密度受人为影响较大。本试验为尽量保证传感器数据采集的准确性，在传感器标定时控制土体的压实度及环境温度与试验时相同，通过将传感器埋设在不同含水率梯度土样中所采集到的电压值对所有传感器分别拟合出质量含水率-输出电压值曲线。拟合结果表明，质量含水率与输出电压之间有良好的指数关系，通过式(1)对所有传感器进行拟合，确定待定系数，得出所有传感器的拟合公式。1号传感器拟合曲线如图3所示。

(1)

式中,y为土体质量含水率；x为传感器输出电压值；a,b,c为拟合参数。

图3 1#传感器拟合曲线Fig.3 Fitting curve of sensor 1

1.4 试验设计

为研究芯吸纤维对不同位置土体水分降低的效果，本次试验通过定制的有机玻璃桶开展土柱试验。玻璃桶尺寸为150 mm×360 mm，在中间两侧处开有长度为90 mm，高度为10 mm的缝隙用于布置芯吸纤维。试验时控制2种纤维质量相同(成品纤维64束，涤纶纤维378束)，分别将成品纤维以及涤纶纤维均匀布设在尺寸为90 mm×800 mm的金属框架上，以保证纤维与土体拥有充分的接触面积。

试验用土过10 mm筛，过筛后对土体进行充分搅拌，置于烘箱中烘干土中水分，使用蒸馏水配置土体到指定含水率，闷料24 h以上。制样前，对含水率配置完成后的土体进行充分搅拌，尽可能使土体中的水分及盐分分布均匀。土体分6层被压实，在压实土样过程中将传感器及纤维埋设土体试样之中。每个试样在不同高度位置处布设6个传感器，传感器竖直方向上的布置间距为60 mm。为防止传感器之间的相互影响，传感器在水平方向上采用螺旋布设的形式。芯吸纤维被置于试样中部，两端暴露于空气之中。纤维在布设于土样之前处于干燥状态。制样完成后对试样采用橡皮膜及胶带密封，仅为纤维留出排水空间，以防止水分蒸发对试验结果造成的影响。

试样制备完成后被放置于温湿度控制的试验箱中，试验箱可实现对温度的控制，通过安装在试验箱内部的除湿机控制试验进行时的湿度，当湿度达到设定值时除湿机自动关闭，当湿度高于设定值2%时除湿机自动开启。采用安捷伦采集仪采集数据，采集频率为30 min。试验共包括3个土柱试样，第1个为无纤维对照组(试样整体密封)，第2个为成品芯吸纤维试样，第3个为涤纶芯吸纤维试样。试验方案如表2所示，试验系统图如图4所示。

表2 试验方案Tab.2 Test scheme

图4 试验系统Fig.4 Test system

2 试验结果与分析

2.1 土样含水率变化

图5为3个试样不同位置处含水率随时间的变化关系，每个传感器分别通过各自的拟合曲线换算为质量含水率。为消除试验开始前不同试样含水率差异对试验结果带来的影响，各位置处含水率随时间的变化曲线为任意时刻土体质量含水率减去各自位置处的初始含水率。由图5可知，2种纤维均有较为明显的减水效果。除210 mm位置处，其余位置涤纶纤维相较于成品纤维均有更高的排水效率。在210 mm 位置处，成品纤维比涤纶纤维拥有更好的减水效果可能是由于土体压实度以及传感器的测量误差所导致。并且各位置处水分降低大体呈现先快后慢的趋势，这是因为在试验初期，试样含水率较高时，土体饱和度较大，大颗粒之间的水分受到土颗粒较小的基质吸力，首先被纤维所作用。随着土体含水率的降低，土体饱和度降低，基质吸力增加，芯吸纤维所产生的吸力与土体基质吸力的差值逐渐减小，因此水分迁移速率逐渐降低。

图5 不同位置处含水率随时间变化曲线Fig.5 Curves of moisture content varying with time at different positions

在试验前200 h，对照组试样含水率在试验初始含水率值上下波动，由于对照试样处于完全密封状态，无外界水分的增加与流失，产生波动的原因可能是在试验进行初期含水率分布不均，试样中的水分在势能的作用下进行重分布，导致土体不同位置处含水率产生波动。随着试验时间的推移，水分重分布基本完成，因此对照组试样各位置处含水率基本趋于稳定。

同时，可以看出，不同位置处纤维起到排水作用时所对应的时间也有所区别。在距离纤维位置最近的210 mm及150 mm处，纤维在试验开始初期便起到了显著的减水作用。距离纤维位置较远的330 mm 以及30 mm位置处，在试验初期，纤维作用效果并不明显，随着时间的推移，纤维的排水作用逐渐影响到较远位置处。这是因为靠近纤维的土体最先起到作用，随着纤维的持续作用，靠近纤维的土体含水率降低，未被作用的土体仍保持较高的含水率，产生的梯度差成为水分迁移的动力，未被作用的土体中的水分向水势能低的位置进行迁移，纤维持续将附近土体中的水分带出并蒸发到空气中，因此产生的水势能会不断使较远处土体中的水分迁移，从而起到持续减水的效果。并且，对比图5(a)～(c)以及5(d)～5(f)可知，纤维上部水分相较于纤维下部土体水分减少量更为显著，同时纤维起到作用时所对应的时间也更短，这是因为纤维上部分土体中的水分在重力场的作用下拥有更快的向下迁移速率，而纤维下部分土体中的水分进行迁移时则需克服土颗粒吸力与自身重力的双重作用，因此迁移速率较为缓慢。

图6为试样含水率变化的平均值，由图6可知，在试验周期内，成品纤维与涤纶纤维均能有效地降低土体含水率，成品纤维在试验周期内使土体的质量含水率降低了约1.93%，涤纶纤维降低了约2.40%，涤纶纤维相较于成品纤维拥有更好的排水效果。

图6 含水率随时间变化平均值Fig.6 Average moisture contents varying with time

2.2 芯吸纤维有效作用范围

为进一步分析不同位置处试样的水分迁移规律以及芯吸纤维的有效作用范围，采用如下公式计算不同位置处的含水率变化量：

Δw=wwg-wc,

(2)

式中,Δw为不同位置处含水率变化量；wwg为不同位置处芯吸纤维试样含水率变化值；wc为不同对应位置处对照试样含水率变化值。

绘制不同时间下芯吸纤维试样的Δw曲线图如图7所示，当Δw为负值时表明该位置土体处含水率相较于对照试样降低。

图7 不同深度含水率变化Fig.7 Moisture content changes at different depths

由图7可知，在试验开始初期，2个芯吸纤维试样中距离纤维最近的中间位置处Δw呈现负值，试样两端Δw在零点附近，表明试样中间位置处含水率降低显著，试样两端尚未受到芯吸纤维的作用。随着试验的进行，两端的Δw逐渐转变为负值，表明纤维的有效作用距离随着时间的推移逐步增加。并且纤维下部的土体中Δw呈现负值说明纤维产生的吸力在一定范围内可以克服土体中土颗粒对水分的吸力和水分自身重力双重作用的影响，这表明在实际工程中芯吸纤维除控制地表水下渗外，对于控制地下水的上升也具有重要意义。同时试验表明，在本试验数量的芯吸纤维及土体含水率的条件下，纤维的上下有效作用距离可达150 mm以上，并且纤维的作用程度与到纤维的垂直距离呈负相关，且涤纶纤维总体相较于成品纤维拥有更高的排水效率。

2.3 土样含盐量变化

在芯吸纤维的作用下，部分易溶盐随水分被带出，为定量分析随水分被带出的盐分，根据《土工试验规程》(GB/T50123—2019)中易溶盐总量测定的相关规定[19]，在试验结束时对试样不同位置处土体的易溶盐的总含盐量进行了测定，绘制了不同位置的含盐量曲线图如图8所示，对照组试样在不同位置处的含盐量略有差异，但范围在0.15%之内，这主要是由于试样中的盐分无法完全均匀分布，同时盐分随水分进行了一定程度的迁移。同时，成品纤维与涤纶纤维对于试样含盐量的降低均有显著的作用，成品纤维与涤纶纤维相较于对照组含盐量分别降低了0.31%和0.46%，涤纶纤维相较于成品纤维拥有更明显的降盐效果，这为盐渍土病害的预防提供了一种新的思路。

图8 易溶盐含量Fig.8 Soluble salt contents

为对比分析试样水分与盐分的迁移规律，绘制试验结束时芯吸纤维试样的含水率及易溶盐变化图(图9所示)。其中，含水率变化值为芯吸纤维试样与对照试样各位置处含水率的差值，易溶盐变化值为芯吸纤维试样与对照试样易溶盐含量平均值4.21%的差值。从图9可知，水分与盐分的变化有较为良好的对应关系，这是因为土体中的易溶盐溶解在水分当中，水分作为易溶盐迁移的载体，在水分被排出的过程中出现了“盐随水动”的情况。

图9 含水率、易溶盐变化Fig.9 Changes of moisture content and soluble salt

2.4 纤维盐分附着量

在试验过程中发现成品纤维表面有明显的盐分附着(图10)，而涤纶纤维盐分附着量并不明显。为定量分析2种纤维的盐分附着量，在试验结束时，将固定在金属框架上暴露在空气中的纤维剪下，放入烘箱中烘干，待纤维表面的水分完全烘干后使用分析天平(精确至0.000 1 g)称取两种附着有盐分纤维的质量并记录，将称量完成后的纤维用纯净水洗去纤维表面的盐分，当浸有纤维的洗盐液的电导率与纯净水电导率相近时认为纤维表面的盐分被洗净。将洗净后的纤维再次放入烘箱中烘干，烘干后再使用分析天平称取2种纤维的质量。定义盐分附着系数C如下：

(3)

式中,ms为附着有盐分的纤维的质量；mf为经水洗烘干后纤维的质量。

计算表明，成品纤维的盐分附着系数Cc为1.326，涤纶纤维的盐分附着系数Cp为0.337。结果表明成品纤维的盐分附着量远高于涤纶纤维，成品纤维的盐分附着也是阻碍成品纤维在盐渍土中发挥效果的原因之一。

图10 纤维表面盐分附着Fig.10 Salt adhesion on fiber surface

3 思考与讨论

3.1 芯吸纤维排水机理分析

芯吸纤维的加入实质上是打破了土体中原有的水势能平衡，芯吸纤维通过其毛细通道改变了土体中的基质势，为水分排出提供了介质，土体内外湿度差为水分的排出提供了动力。

芯吸纤维对土体的作用机理可以分为3个阶段:第1阶段为在毛细力的作用下土体中的水分被纤维所吸收;第2阶段为在土体内外蒸汽压力的作用下，水分向蒸汽压低的空气部分进行迁移;第3阶段为被带出的水分蒸发到空气当中。3个阶段的循环作用使土体中的水分不断向外界迁移，这一过程一直持续到土颗粒对水分的吸力等于纤维对水分的吸力时结束。由此可知，外界与土壤的湿度差是芯吸纤维排水的主要动力之一。相关研究表明[6]，在饱和度较高时，土体对水分的吸力往往低于1 000 kPa，而湿度较高的土壤(接近100%)与湿度较低的空气(通常低于50%)之间的湿度差可达到1 000 kPa至100 000 kPa。在无降雨的实际环境中，空气湿度基本处于50%以下，土壤中的湿度基本保持在90%以上，芯吸纤维以此产生的吸力差可以将水分从土体中排出，因此芯吸纤维在实际工程中具有较为广泛的应用范围。纤维作用土体示意图如图11所示。

图11 纤维作用土体示意图Fig.11 Schematic diagram of fibrous soil

3.2 不同纤维作用差异分析

根据上述试验结果可知，涤纶纤维相较于成品纤维拥有更高的排水效率，水分迁移的差异与2种纤维的尺寸结构密切相关。为进一步分析2种纤维排水效率差异，对试验前以及试验结束后附着有盐分的代表纤维试样进行了电镜扫描(图12)，可从2个方面进行解释。

图12 芯吸纤维电镜扫描图Fig.12 SEM photos of wicking fiber

通过扫描电镜结果可知，成品纤维横断面尺寸约为涤纶纤维横断面尺寸3倍左右，同时成品纤维相较于涤纶纤维拥有更大的沟槽直径。根据毛细作用的原理，涤纶纤维相较于成品纤维拥有更大的毛细力。换言之，在外界条件相同的情况下，涤纶纤维对土体中的水分拥有更强的吸力，这是涤纶纤维拥有比成品纤维更高排水效率的一个重要原因。

在试验结束时，成品纤维表面相较于涤纶纤维表面有明显的盐分附着，从而对成品纤维的持续排水产生了阻碍影响。产生这种现象的主要原因是每丝涤纶纤维的直径为10 μm，沟槽直径为3 μm左右，而每丝成品纤维的直径在30 μm以上，沟槽直径在10 μm左右。成品纤维相较于涤纶纤维拥有更深的沟槽深度，为大颗粒结晶盐分附着提供了充足空间。同时，单根成品纤维的尺寸约为单根涤纶纤维的6倍，涤纶纤维更小的截面尺寸为盐分的附着提供了更小的空间，对盐分产生的吸附力更小，大颗粒结晶盐分在重力的作用下掉落。此外，在纤维的编织方式上，成品纤维采用螺旋的编织方式，使每根纤维之间产生更为紧密的相互作用力，每丝纤维上盐分的排出受到周围纤维的阻碍作用，长此已久，造成了纤维表面盐分的附着。涤纶纤维采用的直线型的编织方式，使每丝纤维拥有更多的与外界接触的空间，附着在纤维表面的盐分受纤维之间的阻碍作用较小，随着时间的推移，涤纶纤维上累积的大颗粒结晶盐分在重力作用下坠落，因此涤纶纤维表面的盐分附着相较于成品纤维更少。

由以上分析可知，芯吸织物的参数及结构对于其作用效果拥有较大影响，在今后的研究分析中，需将织物参数纳入重点研究范畴之内。

4 结论

本研究基于盐渍土的特性，以涤纶纤维为基础，自行研制了新型芯吸纤维。通过土柱试验，研究了2种芯吸纤维作用盐渍土的水分迁移规律及水盐排出作用，得出了以下结论：

(1)成品纤维及涤纶纤维作用非饱和粉质黏土时均可以起到显著的排水作用。在本试验中，成品纤维降低试样含水率平均值约为1.92%，涤纶纤维试样含水率降低平均值约为2.40%，自行研制的涤纶纤维相较于成品纤维拥有更好的排水效果。

(2)在本试验中，成品纤维及涤纶纤维的上下有效作用范围在150 mm以上，且作用效果与土体到纤维的竖向距离呈负相关。同时，涤纶纤维相较于成品纤维作用土体时所需的时间更短。

(3)纤维作用盐渍土时，部分易溶盐随水分被带出，2种纤维对于试样含盐量的减少均有明显效果，并且涤纶纤维相较于成品纤维降盐作用更为明显，这为预防盐渍土病害提供了一种新的思路。同时，水分作为盐分运移的载体，二者在迁移上有较好的对应关系。

(4)纤维截面尺寸及结构对于排水效果有显著影响，涤纶纤维更细的毛细通道可为其提供更高的排水效率，同时更小的截面积及更小的吸附力为盐分的附着提供了更小的可能，从而降低了盐分对纤维的影响。在今后芯吸织物设计时需降低纤维沟槽尺寸，增加沟槽数量，提升纤维比表面积，编织上宜采用直线型编织方式，以增加水分迁移效率。