黄原胶改善黏土断裂性能研究

吕家栋　赵立财

摘要：为了研究生物聚合物黄原胶对黏土抗弯强度及断裂性能的影响，在黏土中加入不同含量黄原胶，通过制成单边缺口梁进行三点弯曲试验，分析了不同含水率及不同黄原胶含量下黏土梁的断裂行为。结果表明：含水率与黏土梁的抗弯强度及断裂特征参数在低含水率状态下呈显著的负相关特征；黄原胶的添加能显著提高干燥状态下黏土梁的抗弯强度、断裂性能以及黏土梁断裂前的最大位移，同时使得黏土梁由脆性破坏向延性破坏转变，这些性能的提高与黄原胶含量呈正相关。最后基于含水率和黄原胶含量建立了黏土梁抗弯强度及断裂参数的非线性表达式，拟合结果证实其具有较高的准确性。

关 键 词：黏土； 黄原胶； 含水率； 抗弯强度； 断裂能； 断裂韧性； 三点弯曲试验

中图法分类号： S156.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.029

0 引 言

纯黏土在湿润条件下具有较强的韧性，在干燥条件下具有较高的干强度，因此在工程建（构）筑物中被广泛应用，如土坝、路堤边坡、老式建筑等。但黏土在干燥过程中断裂特性和韧性的发展是制约其在工程中使用频率的重要因素，也是黏土类建（构）筑物修复加固工程中亟待解决的问题。

黏土在失水过程中，由于土颗粒间水分的排出，颗粒相互靠拢、间距缩短而引起土体收缩，并在土体内部形成收缩裂缝［1］。裂缝的不断发展对土工建（构）筑物将造成严重的负面影响，例如引起土坝渗漏、墙体开裂等。然而，无论在何种条件下对失水黏土进行水分补给，都无法使由于干燥失水引起的黏土体裂缝完全自愈［2-3］，同时采用纤维增强体亦无法避免土体在干湿循環下，因纤维材料达到疲劳强度或拉断引起的裂缝发展［4-5］。因此，要解决黏土开裂问题需要从黏土自身性质的改良上考虑。微生物诱导碳酸钙沉淀技术（MICP）已广泛应用到土体加固、土性改良等方面［6-8］。研究表明，经生物聚合物处理后，土壤的强化特性与土壤类型、水化程度、生物聚合物类型和含量以及混合方法密切相关［9-11］。大量学者对巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀加固土体进行了研究，总结出微生物技术可有效降低土体渗透性［12］、提高土体抗剪强度［13］和抗压强度［14］等。同时有研究表明，生物聚合物处理可使砂土的剪切强度和黏合性能随着水分的蒸发而增加［15］。借助这些特点，采用生物聚合物改善黏土断裂性能成为了切实可行的技术方法。黄原胶是一种环境友好型生物聚合物，在工程实践中与土体协作表现出良好的适宜性及稳定性，被广泛用于土体加固［16-19］。但目前采用黄原胶提升黏土断裂性能的研究较少，尤其是生物聚合物对黏土在干燥失水过程中断裂性能的影响。因此综合考虑含水率与黄原胶含量双因素变化条件下，黏土断裂性能的发展规律有待进一步研究，这对加强黏土类建（构）筑物的防护和修复具有积极的意义。

基于此，本文采用黄原胶与黏土混合，通过黏土梁弯曲试验研究黄原胶对干燥过程中黏土断裂行为的影响，总结了干燥过程中黏土断裂能和断裂韧性随含水率及黄原胶含量变化的规律。

1 试验准备及方法

1.1 试验材料

研究采用中弘生物有限公司生产的黄原胶粉末作为生物聚合物添加剂。黄原胶是由野油菜黄单胞杆菌（Xanthomnas campestris） 以碳水化合物为主要原料（ 如玉米淀粉） 经发酵工程生产的一种作用广泛的微生物胞外多糖（见图1）。这种阴离子生物聚合物很容易通过氢键吸附水分子形成黏性水凝胶，同时其表面亲水性阴离子与阳离子反应，导致其凝胶化效果更为突出［20］。

本次研究所用黏土取自西南地区，采用3组平行试验测得其基本物理力学参数见表1，土样2 mm以下细颗粒的粒径分布情况为：粒径0.075～2 mm颗粒含量约为16.50%，粒径在0.005～0.075 mm之间的含量约为28.22%，小于0.005 mm的颗粒含量约为55.28%。采用X射线衍射（XRD）对土样进行矿物成分分析（见图2），可知高岭石含量占比58%、伊利石占比21%、蛭石占比10%、斜长石占比6%、方解石占比4%。此土样中黏土矿物以高岭石为主，该类黏土矿物土颗粒往往带正电荷，可以通过静电力有效地附着在带负电的黄原胶长链上，呈现出絮凝的织物结构［21］。采用液塑限联合测定试验测得黏土样的塑限含水率及液限含水率分别为25.72% 和 45.00%，土壤最优含水率为24.14%。

1.2 试样制备

本次研究采用干混的方式制备土样，即先将黄原胶粉末与土料混合均匀再加水搅拌制样，混合前先将土样干燥、过筛，剔除大于2 mm的土颗粒，以保证土料的均匀性。研究表明，过量的黄原胶会影响样品的制样质量，其最优质量百分数为黏土质量的1.0%～1.5%［17］，在本次研究中黄原胶粉末添加量分别设定为0，0.5%，1.0% 和 1.5%共4组。加入不同质量的水，控制土料含水率分别为24%，18%，12%。然后按黏土料的最大干密度制样，计算在干密度为1.7 g/cm3时不同含水率试样所需的土料质量，分层填入钢梁模具中，并用木锤击实，黏土梁制样尺寸为240 mm×30 mm×30 mm。制样完成后将土样和模具一并放入恒温恒湿养护箱中，在温度20 ℃及与含水率对应的湿度环境下养护7 d。干燥状态下的黏土梁试样是含水率为12%的试样养护完成后，采用烘干装置在60 ℃下烘干至质量恒定状态，测得其含水率约为2%。制样完成后，将制备的试样进行切口处理，采用0.5 mm厚度的钢锯在黏土梁试样受拉侧锯入梁高度的1/3，以备试验。本次试验所用仪器为南京华德土壤仪器制造有限公司生产的WDW-100D微机控制万能伺服机。

2 试验方法

本文对黏土梁断裂性能的研究采用三点弯曲试验进行，考虑到梁自重引起梁中部发生挠曲，为减少自重影响，最佳支座位置［22］及试样加载如图3所示，此时试样受拉侧支撑跨度为133 mm。由于黏土梁抗弯强度及韧性受含水率影响较大，因此在试验准备及试验过程中应特别注意对黏土梁的保护，避免试验外因素对黏土梁强度及韧性的扰动。试验加载过程采用位移控制，控制加载速率为0.2 mm/min，文献［23］表明在此加载速率下，黏土梁断裂时长为5～10 min，试验过程中记录黏土梁的荷载-位移曲线。

3 试验结果

3.1 黏土梁三点弯曲试验荷载-位移特征

图4为在不同含水率及不同黄原胶添加量条件下，黏土梁三点弯曲试验荷载-位移曲线。可以看出：随着含水率的增加，试样承受的最大荷载呈降低趋势，这符合一般土体的力学特征。随着黄原胶添加比例的增加，试样在各含水率条件下所能承受的最大荷载均呈增加趋势，且在干燥状态（含水率2%）下显著增加。这是由于黄原胶是具有亲水基团的生物聚合物，黄原胶分子与带电黏土中羟基和羧酸基团内的阳离子桥联形成黏土-黄原胶团聚体。同时黄原胶通过水凝胶的水合作用改变了土壤特性，在干燥过程中，水分子倾向于从聚合物鏈中逸出，水凝胶从橡胶态逐渐转变为玻璃态，这一系列反应使得黏土试样承受的最大荷载与黄原胶含量呈现出正相关特征（见图5）。

添加黄原胶能显著地增加黏土梁破坏前的最大位移，表2为各试样在峰值荷载作用下的最大位移。可以看出：未添加黄原胶的黏土梁，干燥状态下其最大位移最小；随着含水率增加，其最大位移在各含水状态下相差较小。对于含黄原胶的黏土梁，在同一含水率状态下，黏土梁的最大位移随黄原胶含量的增加而增长，并且在由0.5%增加至1%时有最大的位移增量。在同一黄原胶含量条件下，黏土梁位移最大值出现在干燥状态下（含水率2%），并表现出随着含水率的增加而先减后增的特征。

3.2 黏土梁抗弯强度

图6为不同黄原胶含量（即0，0.5%，1.0%和1.5%）处理后黏土梁在各含水率下的抗弯强度特征。随着含水率的减小，不同黄原胶含量的黏土梁抗弯强度均呈增加的趋势，这是由于水的不断蒸发和黄原胶凝胶硬化增强了黏土梁的整体强度。黄原胶在不同含水率条件下对黏土梁抗弯强度的影响有所不同，在高含水率（24%）下，黄原胶含量对抗弯强度的影响相对较小，在试验范围内表现为每增加1%的黄原胶使黏土梁抗弯强度增加5.63 N/cm2。随着含水率的降低，黄原胶对抗弯强度的影响逐渐增加，在含水率为12%时，每增加1%的黄原胶使黏土梁抗弯强度增加13.65 N/cm2。处于干燥状态的黏土梁试样与其他含水状态的试样抗弯强度性质有所不同，黄原胶的添加与否使得干燥状态下黏土梁抗弯强度存在较大差异。在干燥状态（含水率2%）下，黄原胶添加量从0增至0.5%时，黏土梁抗弯强度增长约2.7倍，之后，每增加1%的黄原胶可使黏土梁抗弯强度增加67.00 N/cm2。

3.3 黏土梁断裂能及断裂韧性

不同含水率和不同含量黄原胶条件下黏土梁断裂能如图7所示。假设黏土梁在断裂前的断裂特征符合Griffith断裂理论，断裂能主要由土颗粒间的结合力和破坏前的位移决定，抗弯强度则是土颗粒结合力的表达。从图7可以看出：在纯黏土梁中，当含水率从24%减少到12%时，断裂能受断裂位移减小发生的衰减由抗弯强度进行了一定程度补偿，因此该含水率范围内纯黏土梁断裂能下降不明显。在含水率降低至2%（干燥状态）时，断裂位移对断裂能起主要控制作用，导致该状态下黏土梁断裂能明显降低。黄原胶的添加显著改变了黏土梁的断裂特征，各含水率下添加黄原胶的黏土梁，断裂能随着黄原胶百分比的增加而增加。与纯黏土梁相似，在含水率为12%～24%时，黏土梁断裂能的变化并不明显，但在干燥条件下，黄原胶的添加使得黏土梁的断裂能显著提高，且随着黄原胶比例的增加，断裂能增长率明显增加。

图8为不同含水率和不同黄原胶含量条件下黏土梁的断裂韧性。可以看出：纯黏土梁的断裂韧性在试验范围内各含水率条件下均处于低值，直至含水率降至最低，其断裂韧性有较明显提高。经黄原胶处理的黏土梁断裂韧性明显提高，且随黄原胶含量的增加而明显提高。与纯黏土梁相似，在含水率为12%～24%之间时，随着含水率降低，添加黄原胶的黏土梁断裂韧性上升并不显著，但在干燥条件下（含水率2%）断裂韧性有显著增加，黄原胶含量为1.5%的黏土梁在干燥条件下断裂韧性约为纯黏土梁的4.06倍。

4 黏土梁断裂特征

图9为干燥状态（含水率2%）及含水率为24%状态下，黄原胶含量为0和1.5%时黏土梁的破坏形态。可以看出，不含黄原胶的黏土梁断裂面以竖直方向发展为主，脆性破坏特征较为明显；黄原胶的添加使得断裂面呈“S”形发展，且在高含水率下发展出支裂缝，表现出一定的延性破坏特征。

以上研究表明，含水率及黄原胶含量与黏土梁的抗弯强度及断裂特征均存在密切的联系，整体上随着含水率的降低和黄原胶含量的增加，抗弯强度及断裂参数呈现出提高的趋势。这一变化过程中，各含水率或黄原胶含量条件下，黏土梁的抗弯强度及断裂参数并不仅仅受某单一因素影响显著，而是表现出在不同区间具有不同的影响程度。因此在综合考虑两种因素影响的基础上，建立了黏土梁抗弯强度及断裂参数的非线性表达（式（4）～（6）），拟合情况见图10～12。抗弯强度、断裂能和断裂韧性与含水率及黄原胶含量的相关性分别为0.902，0.924，0.897，表明其具有显著的相关性。

R=16.805+0.348w2-15.451X2-4.339wX-10.489w+116.856X（4）

GF=23.298+0.087w2-11.923X2-1.434wX-2.039w+71.818X（5）

KIC=88.018+0.394w2-13.157X2-3.384wX-11.231w+95.163X（6）

式中：w为含水率，%；X为黄原胶含量，%。

5 结 论

本文通过三点弯曲试验，介绍了不同含水率及黄原胶含量下黏土梁抗弯强度及断裂性能，得出如下结论。

（1） 三点弯曲条件下，较高含水率的黏土梁最大承载能力及抗弯强度随含水率降低而增加，增加幅度较小，在干燥状态下（含水率2%）则表现为显著增加，含黄原胶的黏土梁其抗弯强度显著高于纯黏土梁。黏土梁达到峰值荷载时的位移随着含水率的增加而先减后增，并在黄原胶含量由0.5%增加至1.0%时达到最大。

（2） 黄原胶对高含水率黏土梁断裂能及断裂韧性的影响较小，但对低含水率黏土梁的断裂能及断裂韧性有显著的提高，提高幅度与黄原胶含量呈正相关。

（3） 就破坏特征而言，黄原胶的添加使得黏土梁的断裂由脆性破坏向延性破坏特征转变，破坏过程中黏土梁的抗弯强度、断裂能和断裂韧性与含水率及黄原胶含量表现出显著的非线性关系，可据此计算不同含水率及黄原胶含量下黏土梁的抗弯强度及断裂参数。

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Study on fracture performance of xanthan gum-improved clay

Lv Jiadong1，ZHAO Licai1，2

（1.China Railway 19th Bureau Group Third Engineering Co.，Ltd.，Shenyang 110136，China； 2.Department of Civil and Construction Engineering，National Taiwan University of Science and Technology，Taipei 10672，China）

Abstract：

In order to study the effect of biopolymer （xanthan gum） on the flexural strength and fracture properties of clay，different contents of xanthan gum were added into the clay，and a single-edge notched beam was made for three-point bending test.The fracture behavior of clay beams under different water content and different xanthan gum content was analyzed.The results showed that the water content has a significant negative correlation with the flexural strength and fracture characteristic parameters of clay beams under low water content.The addition of xanthan gum can significantly improve the flexural strength，fracture performance and the maximum displacement before fracturing of clay beams under dry conditions，and make the clay beams change from brittle failure to ductile failure.The improvement of these properties is positively correlated with the content of xanthan gum.Finally，based on the moisture content and xanthan gum content，a nonlinear expression of flexural strength and fracture parameters of clay beams was established.The fitting results confirm that the method has high fitting accuracy.

Key words： clay；xanthan gum；water content；flexural strength；fracture energy；fracture toughness；three-point bending test

（編辑：胡旭东）

收稿日期：2022-05-09

基金项目：辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才资助项目（XLYC2007146）

作者简介：吕家栋，男，高级工程师，主要从事隧道结构安全与施工技术研究。E-mail：2208958240@qq.com

通信作者：赵立财，男，正高级工程师，博士，主要从事岩石力学、混凝土结构的损伤力学及灾变防治技术研究。E-mail：twin1333@yeah.net