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0 引言
粉土遍布山东省多个地区,其覆盖面积达52 100 km2,约占山东省总面积的34%[1]。此类土粒径均匀、表面圆滑,颗粒间填充物少、孔隙大[2-3];具有弱可塑性、低黏结性、高分散性等特点。粉土干燥时易扬尘,而在雨水浸泡下毛细水上升,易形成液体[4],具有较强吸湿性。其次,在荷载作用下,粉土极易产生沉陷、失稳等破坏[5],引发工程问题[6⇓-8]。因此,粉土不宜直接用于路基填筑,粉土路基很难达到高等级公路路基的强度、稳定性及耐久性要求[9]。若进行换填处理,既延长了施工工期,又破坏了原有生态环境,不符合绿色、协调、可持续要求。对粉土进行改良,目前缺乏高效、经济、绿色的固化方法,因此研究有效的粉土改良技术有较大的实用价值和实际意义。
水泥作为最常见土体加固材料,也被用于改良粉土中。然而大量使用水泥不仅会造成二氧化碳和氮氧化物排放[10-11],还会造成土壤pH值增加,造成地下水污染。据统计,全球0.2%的CO2排放量与使用水泥有关[12],化学加固给生态环境带来了巨大挑战。生物聚合物作为天然聚合物,主要由藻类、真菌和细菌等产生。由于其具有吸附性、流变性和假塑性等特点,被视为是一种潜在的绿色生态型土壤固化剂。Anandha等[13]采用多糖、黄原胶、瓜尔胶、β-葡聚糖4种生物聚合物对砂-黏土混合物进行改良,发现2%的生物聚合物具有最高的强度。养护28 d 0.25%黄原胶-粉土混合物的无侧限抗压强度增加1.37 MPa[14]。黄原胶还能有效提高高岭土(低膨胀黏土)、蒙脱石(高膨胀黏土)的黏聚力和内摩擦角[15]。除改善土体强度外,生物聚合物(β-1,3/1,6-葡聚糖)也能有效增大高岭土压实度、界限含水率、塑性指数[16]。现阶段,生物聚合物加固土体多采用单种聚合物进行,而分支生物聚合物的分支会抑制聚合物与聚合物间相互作用,阻止刚性凝胶的形成[17]。交联是线型或支型高分子链间以共价键连接成网状或体型高分子的过程,通过减少聚合物链中可用羟基数量和增强不同聚合物链之间的连接,来提高生物聚合物力学性能、热稳定性、耐磨性、耐溶剂性及抗蠕变性。
葡聚糖具有较好的生物相容性、亲水性,相较于其他生物聚合物有更好的成膜性。葡聚糖内长链结构含有大量羟基为交联提供了有利环境,可根据需要,通过化学修饰改变原有结构。γ-聚谷氨酸可吸附细粒,增强土壤保水能力,在改良土体性能方面具有一定潜力。本研究采用β-葡聚糖作为主要土体加固剂,将γ-聚谷氨酸作为其发生酯化反应的化学交联剂。使用β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸、γ-聚谷氨酸交联β-葡聚糖后的交联物(γ-PGA-β-G)3种材料对粉土进行加固,通过无侧限抗压强度试验、直剪试验,研究交联生物聚合物、交联生物聚合物掺量、龄期等因素对强度的影响。通过傅里叶红外变换光谱(Fourier Transform Infrared,FTIR)表征,了解β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸、γ-PGA-β-G交联聚合物分子组成和和结构。通过扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)试验,对交联生物聚合物-粉土微观结构进行分析,探究交联生物聚合物加固粉土机理,为交联生物聚合物改良粉土物理力学性质提供数据和理论支撑,为中国沿海粉土路基治理提供新方法和新思路。
1 试验概况
1.1 试验材料
1.2 试样制备
本研究中试件的制备流程参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[18]执行,选取粉土作为试验土样,从取土点取土后使用黑色塑料袋对土样绑扎、密封并存放于保湿缸中备用。制备试件前,需将土样放置于烘干箱内经过105 ℃烘干24 h。将γ-聚谷氨酸、β-葡聚糖和γ-PGA-β-G交联聚合物3种试剂按试验设计比例(0%、0.5%、1%、1.5%、2%)与土样均匀拌和成混合料。用喷壶将适量蒸馏水(粉土试样最优含水量)分2次均匀喷洒至混合料中,快速搅拌至混合料中无明显白色干粉状颗粒为止。
采用干拌法制备β-葡聚糖-粉土混合料、γ-聚谷氨酸-粉土混合料、γ-PGA-β-G生物聚合物-粉土混合料是为了避免在室温条件下湿拌法无法彻底溶解生物聚合物从而导致其在土样中分布不均匀。根据无侧限抗压强度试验和直剪试验要求进行制样并放入养护箱中养护。根据标准[18]以及参考混凝土养护条件,因粉土在湿度较大情况下易发生液化,故本文将养护湿度进行折减,在(20±2)℃温度、60%湿度的养护条件下,分别养护7、14、28 d。
2 结果与分析
2.1 傅里叶红外光谱(FTIR)表征
本研究采用Nicoletis10傅里叶红外光谱仪对3种聚合物粉末进行扫描并输出红外光谱图,分析其所含官能团及分子结构。
γ-聚谷氨酸、β-葡聚糖、γ-PGA-β-G的红外光谱如图5所示。γ-聚谷氨酸波数3 389.54 cm-1附近吸收峰为NH伸缩振动,3 389.54 cm-1与2 931.80 cm-1为OH伸缩振动,1 632.25 cm-1附近为C=O伸缩振动,1 147.575 cm-1附近为C-N伸缩振动,由此可证明γ-聚谷氨酸含氨基(-NH-)、羧基(-COOH-)、羰基(C=O)。β-葡聚糖波数3 412.78 cm-1附近吸收峰为OH伸缩振动,1 422.45 cm-1附近为CH面外弯曲、1 024.67 cm-1附近为C-O伸缩振动,β-葡聚糖主要以酚羟基和醇羟基为主。γ-PGA-β-G波数2 925.55 cm-1附近吸收峰为C=O伸缩振动,1 138.47 cm-1附近为C-O-C伸缩振动,说明γ-PGA-β-G含有酯(-COOR),发生了酯化反应,交联完成。
2.2 无侧限抗压强度试验
图6为β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸、γ-PGA-β-G交联物3种聚合物改良粉土28 d应力-应变曲线。从图6可知,应力-应变增长趋势相似,改良粉土应力随着轴向应变增加先增大后减小,最后趋于平缓,存在明显的应变软化现象。在28 d养护龄期下,生物聚合物的加入使得粉土峰值应力提高,相对应达到峰值应力的轴向应变有所增加。从3种生物聚合加固效果来看,在28 d养护时间下,素粉土无侧限抗压强度为19.34 kPa,1%β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸、γ-PGA-β-G交联物改良粉土无侧限抗压强度分别为29.99、26.21、34.35 kPa,强度提高了54.60%、35.52%,77.61%。在其他相同掺量情况下,也存在类似规律,γ-PGA-β-G交联物强度增幅最大,β-葡聚糖次之,γ-聚谷氨酸增幅最小。所以无论是采用β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸对粉土进行加固,或是采用γ-PGA-β-G交联物加固,粉土无侧限抗压强度均有所提高。但交联生物聚合物因形态更为稳定,在土颗粒间填充孔隙,所以对粉土强度改良效果优于采用单种聚合物。
掺量是影响γ-PGA-β-G交联物固化粉土的一个重要影响因素。从图6(c)可看出,低掺量(0.5%、1%)和高掺量(1.5%、2%)γ-PGA-β-G交联物都能在一定程度上提高粉土无侧限抗压强度,不同掺量的改良效果有差异。0.5%和1% γ-PGA-β-G交联物改良粉土的28 d应力-应变曲线略高于素粉土28 d应力-应变曲线,加固效果不明显。这是由于聚合物掺入量过少,没有形成足够多的γ-PGA-β-G交联物基质填充粉土颗粒间孔隙。高掺量试样在经过28 d养护后孔无侧限抗压强度明显增大。1.5% γ-PGA-β-G交联物改良粉土28 d无侧限抗压强度为47.07 kPa,较素粉土增长了1.43倍。2%γ-PGA-β-G交联物改良粉土28 d无侧限抗压强度为30.83 kPa,较素粉土增长了0.59倍。总体来看,改良土无侧限抗压强度随γ-PGA-β-G交联物掺量先增大后减小。1.5% γ-PGA-β-G为提高粉土无侧限抗压强度阈值,超过阈值,改良土强度有所减小。这是因为粉土中γ-PGA-β-G交联物酸含量过多,残留了大量聚合物颗粒,减小粉土颗粒间接触,导致无侧限抗压强度减小。β-葡聚糖和γ-聚谷氨酸改良后粉土也有类似规律。
图7为不同龄期1.5%掺量下3种聚合物改良土无侧限抗压强度变化。随着养护时间增长,素粉土无侧限抗压强度几乎无变化,湿度和温度并不会引起粉土强度变化。从图7可见,在不同养护龄期下,γ-PGA-β-G改良粉土的无侧限抗压强度均为3种加固方式中最高,体现出交联生物聚合物提高粉土强度的优势。随着龄期增加,改良粉土无侧限抗压强度也随之增大。1.5% β-葡聚糖改良粉土养护28 d强度增大到34.95 Pa,γ-聚谷氨酸改良粉土增大到34.93 kPa。1.5% γ-PGA-β-G改良粉土14 d无侧限抗压强度由7 d时的43.35 kPa增大到45.37 kPa,增加了2.02 kPa,而28 d侧限抗压强度相较14 d增长了1.7 kPa。养护箱为生物聚合物与土体反应提供了有利条件,随着养护时间的增加,聚合物与土颗粒间相互作用逐渐增强,充分填充孔隙,提高了粉土试样强度。
图8为不同掺量γ-PGA-β-G改良土无侧限抗压强度随龄期变化。同掺量情况下,随着龄期增加,改良土无侧限抗压强度都得到了不同程度增强。其中,1.5%γ-PGA-β-G改良土的无侧限抗压强度均为不同养护龄期下的最大值,证明了1.5% γ-PGA-β-G可以提高粉土无侧限抗压强度阈值。故1.5%为γ-PGA-β-G交联物提高粉土无侧限抗压强度的最佳掺量。
2.3 直剪试验
黏聚力(c)和内摩擦角(φ)是土体主要抗剪强度指标。图9是3种生物聚合物对粉土抗剪强度指标的影响。粉土由于其黏粒含量较少,抗剪强度主要由内摩擦角提供,素粉土黏聚力为8.51 kPa,内摩擦角为23.41°。β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸、γ-PGA-β-G交联物均能在一定程度上提高粉土的黏聚力和内摩擦角。β-葡聚糖和γ-聚谷氨酸在溶液状态下表现出较高黏度、黏结性和内聚性,通过黏性连接、覆盖土颗粒。因此β-葡聚糖和γ-聚谷氨酸主要通过提高粉土黏聚力来改善粉土抗剪强度。1% β-葡聚糖、1% γ-聚谷氨酸处理的粉土黏聚力为32.14、24.59 kPa,较素粉土分别提高了23.63、16.06 kPa。而γ-PGA-β-G交联物全方位提高粉土抗剪强度指标。1% γ-PGA-β-G交联物处理后粉土黏聚力为47.07 kPa,内摩擦角为41.09°,是处理前粉土黏聚力的5.53倍,内摩擦角的1.76倍。γ-PGA-β-G改良粉土的内摩擦角和黏聚力与其掺量呈正相关。γ-PGA-β-G交联物生成的三维网状薄膜将土颗粒黏结在一起,同时γ-PGA-β-G交联物基质填充孔隙,增加了土颗粒之间的摩擦。从整体来看,交联生物聚合物在改良粉土抗剪强度方面优于单种生物聚合物。
2.4 扫描电镜试验
图10(a)为未加生物聚合物素粉土SEM图像。从图10(a)可看出粉土微观结构松散,粉土颗粒形状大小不一,表面较为光滑。土颗粒间没有接触,孔隙较大,孔隙具有一定的定向性,缺乏黏聚力,导致颗粒之间可不受限制相互移动。图10(b)和图10(c)分别为养护28 d1.5% β-葡聚糖和1.5%γ-聚谷氨酸改良土SEM图像,两者加固粉土机理类似。从图10(b)和图10(c)可看出,在加入γ-聚谷氨酸和β-葡聚糖后粉土颗粒间形成了γ-聚谷氨酸凝胶和β-葡聚糖凝胶填充孔隙,与土颗粒相互作用,形成桥联,减小孔隙比,聚合物凝胶多以纤维树状和链状形式存在。除此之外,β-葡聚糖通过氢键附着在土颗粒上,γ-聚谷氨酸因含有氨基和羧基会与土颗粒发生离子键合[24],形成摩擦链,增加土颗粒间摩擦。
图11(a)为养护28 d0.5% γ-PGA-β-G改良粉土SEM图像,γ-PGA-β-G交联聚合物以疏水长链形式存在,通过扩散、渗透和缠绕,在土颗粒表面和颗粒间隙形成三维网状薄膜[25],其本身具有较好承重能力,能有效分担土颗粒承受的荷载。交联生物聚合物包裹在土体颗粒外表面,大大减小了土颗粒的比表面积,土体在整体结构更为致密。此外,土颗粒间通过网状结构连接在一起,网状结构能有效胶结两端土颗粒,限制其在受力情况下发生相对运动。γ-PGA-β-G形成的固体空间网状结构比γ-聚谷氨酸和β-葡聚糖形成的树状结构更加稳定,层次更加分明,土体致密性显著提高,所以交联生物聚合物改良粉土效果优于单种聚合物。图11(b)为养护28 d1.5% γ-PGA-β-G改良粉土SEM图像,在增加掺量后,加剧了γ-PGA-β-G与土颗粒之间作用,形成了相较于0.5%掺量时更厚更紧密的网状结构,土体被包裹得紧。由此也验证了改良粉土强度随γ-PGA-β-G掺量增加而增大。3种聚合物与粉土颗粒间相互作用示意图如图12所示。
3 结论
本文采用γ-聚谷氨酸、β-葡聚糖和γ-PGA-β-G交联生物聚合物3种改良材料,通过傅里叶红外光谱试验、无侧限抗压强度试验、直剪试验、渗透试验和扫描电镜试验,研究了生物聚合物种类、聚合物掺量、养护龄期对粉土强度影响,结果表明:
(1)γ-聚谷氨酸和β-葡聚糖可增强粉土强度。随着掺量增加,改良土无侧限抗压强度先增大后减小。1% β-葡聚糖、γ-聚谷氨酸改良粉土试样28 d无侧限抗压强度分别为29.99、26.21 kPa,较素粉土的19.34 kPa,强度提高了54.60%、35.52%。β-葡聚糖和γ-聚谷氨酸主要通过提高粉土黏聚力来改善粉土抗剪强度。经1%β-葡聚糖、1%γ-聚谷氨酸处理后的粉土黏聚力为32.14、24.59 kPa,较素粉土分别提高了23.63、16.06 kPa。
(2)交联生物聚合物改良粉土效果优于单种生物聚合物。在同掺量和同养护龄期下,γ-PGA-β-G交联物试样无侧限抗压强度均大于γ-聚谷氨酸、β-葡聚糖试样。1.5%为γ-PGA-β-G改良粉土无侧限抗压强度最佳配比。1.5%γ-PGA-β-G交联物改良粉土28 d无侧限抗压强度为47.07 kPa,较素粉土增长了1.43倍。γ-PGA-β-G交联物从黏聚力、内摩擦角两个指标改良粉土抗剪强度,且抗剪强度与其掺量呈正相关。
(3)γ-聚谷氨酸和β-葡聚糖加固粉土机理相似,γ-聚谷氨酸和β-葡聚糖通过氢键和离子键附着在土颗粒上,形成纤维束状和链状聚合物;土颗粒间孔隙被γ-聚谷氨酸凝胶和β-葡聚糖凝胶填充,粉土变得更加紧密。γ-PGA-β-G交联物形成交联生物聚合物以疏水长链形式存在,形成三维网状薄膜,包裹在土体颗粒外表面,大大减小土颗粒的比表面积,改变原有土颗粒排列特性,限制土颗粒相对运动。交联生物聚合物形成的三维网状结构本身具有更好的稳定性和更强的力学性能,能有效胶结粉土颗粒,所以改良效果优于单种聚合物。