不同含水率对于黄原胶改良土性能影响研究

黄馨平

(西京学院土木工程学院，陕西 西安 710123)

1 研究背景

近年来，气候变化问题已经引起世界各国以及社会各界的广泛重视，并成为了众多学者探讨的焦点。在实际工程中，人们常使用水泥、石灰、粉煤灰等外掺料对不适于直接使用的土进行改良，以达到工程活动的目的。然而，这些传统的改良剂不仅会影响土壤的pH值，破坏自然环境，生产制备的过程也会产生大量温室气体[1]。

作为一种从天然资源中产生的可降解大分子多糖，生物聚合物主要种类包括多糖、蛋白质、海洋原核生物、生物衍生单体的化学合成产物以及微生物活动产物等。由于其在自然界中分布广泛，理化性质优良，国内外研究学者通过对其分离、表征、生物活性和结构特征等方面进行研究，尝试将生物聚合物用于岩土工程，并取得了一定成果[2]。由于黄原胶在较低浓度下也能够表现出较高的黏度，溶液的黏度随含量呈线性增加，同时表现出伪塑性行为，在广泛的温度、pH和电解质浓度范围下表现出较高的稳定性[3]。因此被广泛应用于食品、化工行业[4-5]。基于可持续发展的观念以及绿色环保要求，近年来，国内外研究学者发现黄原胶可作为一种绿色环保可降解的土壤改良剂来弥补传统土壤改良技术的缺陷，同时能表现出较高的土壤强化效率和足够的经济可行性。

AM Firat Cabalar通过直剪试验发现黄原胶含量和固化时间显著影响砂的剪切强度[6]。N Latifi的研究说明了黄原胶作为环保稳定剂的可行性，可以改善低溶胀和高溶胀黏土的工程性能[7]。I Chang等人则进一步揭示了黄原胶与土壤共同作用的工作机理，同时提出黄原胶的强化效果取决于土壤类型、含水量、黄原胶含量和混合方式四个因素[8]。Cabala等人将黄原胶与砂土进行混合对土的剪切特性进行研究，发现土体抗剪强度增加与黄原胶含量成正比[9]。Chang等人指出黄原胶用于土壤处理的效果是可行的，黄原胶可以大大提高土壤的抗压强度，在抗侵蚀、防荒漠化方面具有巨大价值[10]。

目前已有许多案例证明黄原胶在岩土工程中实施的效果，例如使用进行边坡表面处理[11]发现黄原胶处理后的边坡表面植被密度以及表面抗侵蚀性显著增加[12]。以边坡处理为例，土壤含水率是影响边坡稳定性的重要因素[13]。土壤的含水率是土的基本物理指标之一，不仅反映了土壤的干湿状态，还影响着土壤的力学性质。

本研究旨在研究含水率对黄原胶处理土壤的工作性能影响。通过调整不同饱和含水率，对黄原胶处理后的土壤进行直接剪切试验、变水头渗透试验以及压缩试验。讨论了黄原胶与土壤在不同含水率条件下的键合性能，进一步解释了黄原胶改良土在不同的水分条件下的性能。

2 研究方法

2.1 土样

试验所选取土样为重塑广州砂质黏土，其基本物性指标见表1。

表1 砂质黏土基本物性力学指标

2.2 黄原胶

本研究所使用的黄原胶为河南省郑州裕和食品添加剂有限公司所生产的可食用级黄原胶。

2.3 试样制备

本研究所选用的黄原胶溶液浓度参考Chang等的研究，发现本实验所用土样在2%黄原胶的质量浓度下的剪切强度强化效率最高，由于本研究主要分析含水率对黄原胶改良土的工作效果影响，对(w)水[14]为30%饱和含水率，45%饱和含水率、60%饱和含水率、100%饱和含水率的黄原胶改良土样进行试验。

首先，用蒸馏水制备黄原胶溶液，用磁力搅拌器按预定浓度搅拌。由于黄原胶吸水性较强，制备过程中应该保证黄原胶充分溶解无结团。其次，对土进行碾压、分筛、风干后称取适量风干土称取相应质量的黄原胶溶液以达到规定的含水率，将其充分混合翻拌均匀，放置于密封袋中室温养护7 d。最后，根据击实试验获得的最大干密度称取相应质量的土壤，用压样法制作试样。

2.4 试验方法

1)直剪试验：采用不固结不排水直剪试验，所施加竖向压力分别为50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa，直剪速度为0.8 mm/min，试验过程参照GB/T 50123—2019土工试验方法标准。

2)渗透试验：采用变水头渗透试验，试验过程参照GB/T 50123—2019土工试验方法标准进行。

3)压缩试验：标准固结试验适用于饱和黏土，由于本试验采用试验土样均为非饱和土，故只进行压缩。竖向压力分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa，每次施加一级压力后间隔24 h读数，试验过程参照GB/T 50123—2019土工试验方法标准。

3 结果与分析

3.1 直剪试验成果与结果分析

将掺入2%质量浓度黄原胶溶液的改良土样调整至相应饱和含水率并室温养护7 d，如图1,图2所示，当改良土样含水率小于最优含水率时，黄原胶改良土的黏聚力、摩擦角均随着含水率的增加而增加。这是由于此时土样中含有大量毛细水，颗粒间的毛细水在表面张力作用下向内收缩形成弯液面，表面张力的方向与弯液面相切，其合力方向指向接触面，使得土样黏聚力增加[15]；另外要使土颗粒之间发生相对滑动，不仅要克服摩擦力，还要克服由于生物聚合物的掺入而提高的黏聚力。

当土样含水率由最优含水率提高至完全饱和，黄原胶改良土样的黏聚力降为15.3 kPa，降低至最优含水率(质量分数)黄原胶改良土样的18.6%，内摩擦角也减小至30.3°(见表2)。当改良土样含水率大于最优含水率时，土样中的自由水增加，水的偶极性干扰削弱黄原胶与土颗粒之间的有效黏结，导致黄原胶凝胶的强度由于吸水而降低。进而的，生物聚合物由于表观黏度的降低继而表现为连接土颗粒的能力下降，因此黏聚力下降，土样抵抗剪切时显示出的强度取决于连接土颗粒的黄原胶凝胶的强度。并且随着含水率增加，黄原胶的相对含量也随之增加，生物聚合物对颗粒表面的覆盖作用颗粒间摩擦力减小，从而减少了部分土壤的粗糙互锁，导致摩擦角的减小。

表2 不同含水率黄原胶改良土直剪强度指标

3.2 渗透试验成果与结果分析

将掺有质量分数为2%黄原胶的土样调整至规定含水率并养护7 d，从图3中可以清楚看到，黄原胶改良土的含水率提高使得土样渗透系数有明显降低。与未处理土样作比较发现，完全饱和的黄原胶改良土渗透系数从8.38×10-6cm/s降低至1.76×10-7cm/s，渗透系数降低至未处理土样的2.10%。渗透性的降低主要由于两方面因素导致：其一，随着含水率的提高黄原胶的相对含量也随之增加，土壤基质内的交联元素填充空隙并阻碍通过试样的流动；另外，与黄原胶吸水特性有关，当改良的土壤被浸湿时黄原胶就会膨胀，形成纤维状网络并填充土壤中的孔隙，这种联系的数量随着土中黄原胶含量的增加而增加。

3.3 压缩试验成果与结果分析

如图4所示，将不同含水率(质量分数)的2%黄原胶改良土样养护7 d，随着土样含水率逐渐增加至完全饱和，压缩模量Es从11.11 MPa降至4.48 MPa。无处理对照组的压缩模量Es从7.20 MPa降至2.24 MPa。当含水率为同一水平时，经黄原胶处理的土样压缩性显著低于无处理对照组。同时，如图4～图6显示，土在前期固结压力作用下，含水率变化对土的压缩性有重要影响，在同一级荷载作用下，改良土的轴向变形随着含水率的增加而逐渐增加；土样含水率越大，孔隙比的变化速度越快，土样越易被压缩；随着竖向压力增大，土样孔隙比的变化率减小，压缩变化率也越来越小。黄原胶压缩性变化符合常规固结试验中的一般性压缩规律。对比图5与图6，可以发现土壤经过2%黄原胶处理后孔隙比有明显的降低，并且在施加相同竖向压力下黄原胶组的孔隙变化小于无处理土样，这是因为在7 d养护时间内黄原胶由于脱水硬化具有了部分强度，即使土样中自由水的含量提高会削弱黄原胶与土颗粒结合效果，但黄原胶依旧能够在一定竖向压力下的作用下与土颗粒协同作用构成更为牢固致密的土颗粒骨架抵抗变形。

当饱和含水率(质量分数)小于60%时，相对于最优含水率的无处理土样压缩模量Es为7.2 MPa，黄原胶对土样压缩性的降低效果是明显的。这是因为在较低的黄原胶含量下，氢键与阳离子桥接的形成降低了土壤-生物聚合物混合物的压缩性。而当黄原胶改良土样的含水率继续增加，黄原胶凝胶取代了低塑性黏土的土壤颗粒，吸收了更多的水分，减少了黄原胶和土壤颗粒之间的相互作用，从而提高了压缩性值[16]。

作为亲水凝胶型生物聚合物，黄原胶的主要缺点是它们对水的敏感性。从直剪试验的结果可以得出结论，黄原胶处理后的砂质黏土的剪切强度随着土壤含水量的增加而大大降低。这种缺点同样体现在生物聚合物改良土的压缩性方面。当改良土含水率增加，水的偶极特性干扰作用使得生物聚合物优先与水之间发生反应从而削弱了生物聚合物与土壤之间的黏结效应[17]，并大大提高了土壤的压缩性。

4 结论

通过对不同饱和含水率(质量分数)的2%黄原胶改良土进行室内试验研究，试验结果表明:

1)通过直剪试验反映出，黄原胶通过改善土颗粒之间的有效黏结来提高土壤的剪切强度。土壤含水量在最优含水率附近时，黄原胶对土壤剪切强度的强化效率最高。

2)黄原胶通过吸水膨胀填充孔隙与土颗粒的交联黏结而降低土壤的渗透性能、提高土体的压缩性能。在7 d的养护时间内，黄原胶的主要缺点是它对水的敏感性，土壤中自由水会干扰黄原胶凝胶与土颗粒之间的黏结效应，从而影响黄原胶改良效果。

3)随着黄原胶改良土样中含水率的提高，渗透性的降低主要由两方面因素导致：其一，土壤基质内的交联元素填充空隙并阻碍通过试样的流动；另外，与黄原胶吸水特性有关，当改良的土壤被浸湿时黄原胶就会膨胀，并形成纤维状网络填充土壤中的孔隙。

4)与水泥等其他材料相比，黄原胶具有可持续性和环境友好性，是一种很有前途的土壤改良材料。然而黄原胶此类亲水类生物聚合物在实际工程中的使用需要考虑环境中的水含量与地下水位关系，从而保证其能够发挥改良效果。