不同固化剂对花岗岩残积土抗崩解性的影响

郭云峰

(福建省地质工程勘察院/国土资源部丘陵山地地质灾害重点实验室，福建 福州 350002)

我国南方广泛分布的花岗岩基底容易形成较厚的残积土层，这种残积土层颗粒粒径和孔隙分布极不均匀，含有大量的石英及Si-Al矿物，有机质含量低，浸水后水膜斥力和吸力失衡，土层易软化崩解[1].尤其在我国南方丰沛的降雨作用下，这类土层区域极易发生大范围的崩塌、水土流失，学者称之为崩岗[2].也有部分学者认为土体中矿物的溶解也是诱发崩解的主要原因[3].由于残积土有机质含量低，保水性差，植被覆盖率较低，一旦表土层发生破坏，雨水侵蚀范围将持续发展，很难进行自我生态修复[4]，最终形成大范围的崩岗侵蚀区.

有学者提出先用无污染高分子固化剂固化表层砂土[5-6]，再结合植被生态修复的崩岗治理方法，但目前该方法尚不成熟.土体固化修复的本质是提高土体的水稳性和强度，从而达到减少或防止侵蚀破坏的目的.常用的固化剂包括聚丙烯酰胺(PAM)[7]、改性木质素[8]、粉煤灰[9]、水泥等，上述产品在沙漠固化[10]、路基固化[11]领域已经取得一定成果，但在治理崩岗区土体崩解的应用较少，该应用的固化作用机理也缺乏充分的理论支撑.

本试验选取PAM固化剂和改性木质素固化剂为主要研究对象，通过崩解试验对比上述两种固化剂对崩岗区残积土崩解性的抑制效果，并通过扫描电镜(scanningelectron micrograph, SEM)测试，进一步对二者的固化机理开展研究.旨在为固化剂治理崩岗研究提供一定的数据基础和理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 固化剂材料 试验所用的木质素固化剂和聚丙烯酰胺(PAM)固化剂材料分别是以改性木质素固化剂和聚丙烯酰胺为主剂，粉煤灰为辅剂，按3∶1比例加水调制，形成试验用固化剂(以下统称为木质素固化剂和PAM固化剂).

木质素固化剂采用的是从纸浆废液中提取的木质素磺酸盐与丙烯酸或丙烯酰胺单体在pH=3的酸性条件下接枝共聚反应得到的固化剂.改性后的木质素固化剂无毒无害，可生物降解，在一定程度上解决了纸浆废液的污染问题，是一种具有较高运用前景的土壤固化剂[12].

PAM采用的是高纯度的阴离子型聚丙烯酰胺.PAM具有提高土壤理化性质，提高土壤抗侵蚀能力的性质.低毒的PAM单体丙烯酰胺及其水解体不刺激皮肤，土壤中的PAM在各种物理化学作用下会逐渐降解， 残留较少，对环境不产生副作用[10].

1.1.2 土体材料 试验所用的土体材料采自福建省安溪县官桥镇崩岗区，为花岗岩残积砾质黏性土(残积土).以人工开挖方式采取地面1 m以下的原状砂土层样本，避免表层风化侵蚀、人工活动以及植被根系的影响.该砂土层土样是官桥花岗岩残积土中水土流失最为严重的土体，具有典型性和代表性.土体基本特征如表1所示，颗粒级配特征如图1所示.

表1 花岗岩残积土参数Table 1 Parameters of granite residual soil

1.2 试验方法

图1 试样土体颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of sample soil

1.2.1 崩解试验 崩解试验主要反映土体在浸水状态下的水稳性.良好的水稳性是土体抵抗水蚀崩解作用的基础，也是固化剂在长期水蚀作用下耐久性的体现.本试验于室内进行，每种试样进行10次试验，另设未添加固化剂的原状残积土试样和粉土作为对照组，最后对10次试验进行线性5次多项式线性拟合，获取平均崩解过程.崩解试验分为以下几步：

①通过环刀采取崩壁表层土体样本，制作成直径63.5 mm，高度80 mm的圆柱型土体试样.按试样质量1.4%的比例喷洒固化剂产品[13]，在20 ℃左右的常温下养护28 d，制成崩解试验试样.

②将4种试样分别放置于2 mm的网格筛上，再把网格筛挂于称量装置下方.将吊挂的网格筛迅速放入注满水的玻璃水槽内(图2)，立即记录其初始重量.

③试验过程中，前30 min每3 min记录一组称量装置读数，30 min后每30 min记录一次读数，5 h后每1 h记录一次数据，试验以崩解速率<0.1%·min-1为结束标准.

④崩解率无量纲参数，可按下式计算：

At=R0-RfR0×100%

(1)

图2 崩解试验装置图Fig.2 Diagram of disintegration device

式中，At表示试样在时间t时的崩解量(%)，R0表示试验开始时称量装置的稳定读数(cm)，Rt表示试样在时间t时浮筒齐水面处的刻度读数(cm).

1.2.2 微观测试及分析方法 在崩解试验试样的基础上，进行崩解前后的SEM测试分析，SEM的试样制作参考徐颖[14]的方法.为了更有效地定量化分析，孔隙率统计和分形理论分析方法如下：

孔隙率统计主要将SEM图像进行二值化处理，公式如下：

f(x,y)=1f(x,y)≥T

0f(x,y)

(2)

式中，f为图像像素点灰度值，T为二值化图像阈值.通过统计微观图像中大于阈值像素点面积占比，即可得到土体微观孔隙率.

图3 平面分维示意图Fig.3 Diagram of plan fractal dimension

采用计盒维数的方法对二值图像进行分维分析，具体步骤如下：以边长为ε的正方形将图像分割成规格为(L/ε)×(L/ε)的正交网格，统计含有孔隙(或颗粒)的网格总数为N(ε)(图3中点状闭域)；改变ε，使其在值域范围内序列变化，如ε1，ε2，…，εn，则得到相应的序列值N(ε1)，N(ε2)，…，N(εn)，将这些数组描绘于双对数坐标系中，即可直观地确定lgε-lgN(ε)的对应关系，根据式3得出平面孔隙(颗粒)分维指标Dp.根据分形理论原理，Dp值越小孔隙或土体颗粒分布越均匀，结构性降低.

Dp=-limε→0lgN(ε)lg(ε)=-k

(3)

2 结果与分析

2.1 崩解试验

根据多组崩解试验结果进行数据拟合，得出拟合的崩解量At—崩解时间t曲线(图4)，拟合成果R2值均在0.9以上，达到极显著水平，试样崩解过程较为一致，试验结果具有代表性.

图4 崩解过程对比图Fig.4 Comparison diagram of disintegrating process

从图4可以看出，天然土体入水30 min内已全部崩解，平均崩解速率约为2.5%·min-1，崩解速率最快.粉土的崩解过程较为平缓，整体崩解历经120 min，平均崩解速率为0.75%·min-1.由此可见天然崩岗区土体的抗崩解性能极差.

两种含有固化剂的土体试样反映出不同的崩解过程(图4)：入水前20 min内，含有木质素固化剂的土体的水稳定性优于残积土试样和PAM试样，崩解速率约为0.67%·min-1，接近于试验所得的粉土水稳性.但随着浸泡时间的延长，崩解量呈指数型增加，崩解速率达到1.2%·min-1，水稳性能急剧下降，完全崩解时间约为80 min，综合崩解速率为0.93%·min-1.崩解过程整体形态变化不大，表现为由表及里的逐层剥蚀(图5a).

PAM固化剂土体在入水前25 min内局部快速崩解，崩解率在(1.5%～2%)·min-1.快速崩解阶段结束后，土体的崩解速率逐渐趋于缓和，崩解速率稳定在(0.2%～0.8%)·min-1，完全崩解时间约为180 min，综合崩解速率为0.39%·min-1，整体上已超过了试验粉土的水稳性.在快速崩解阶段后，土体基本塌落，无法保持原有形态，整体呈现流塑状、絮凝状(图5b).

图5 试样崩解残留Fig.5 Residue of curing agent samples after disintegration

表2 崩解试验前后3种试样的孔隙比和分数维度Table 2 Void ratio and fractal dimension of samples before and after disingeration test

根据试验结果可得(表2)，改性木质素固化剂和PAM固化剂分别使土体完全崩解时间延长了167%和500%，崩解速率降低了62.8%和84.4%.二者均在一定程度上提高了残积土的抗崩解性能，其中PAM固化剂固化效果明显优于木质素固化剂.

2.2 固化过程及机理的微观分析

不同试样崩解前后微观结构图如图6所示，由图6a和6d可以看出，原状残积土的土体颗粒主要为片状结构的高岭石、斜长石，粒径在2～20 m.片状结构矿物颗粒表面光滑，优势结构明显，宏观强度较低.这种片状结构遇水易形成较厚水膜，使土体发生崩解破坏.对比微观图像和孔隙比数据(表2)可知，原状残积土浸水后细颗粒含量随着崩解损失而减少，孔隙增大(1.012～1.454)，颗粒级配变差.同时Dp值减少(1.771～1.367)表明残积土的原本结构特征遭到破坏，整体上趋于均一.以上变化均与宏观崩解试验结果及残积土的特性吻合.

木质素固化剂试样(图6b)的颗粒表面和孔隙内可见一层灰白色附着物，X光衍射测试发现这些物质的C、N含量明显高于天然土体，推测为木质素固化剂结晶体.以往的研究认为木质素高分子材料可以通过离子交换形式附着于颗粒表面并形成结晶[15].从SEM图像可以看出，一方面这些结晶体充填于土体颗粒间之间，降低土体孔隙比(1.012～0.929)，使土体颗粒间形成相对刚性的物理胶结；另一方面附着物提高了土体颗表面的粗糙程度，使颗粒间不易发生相对位移.宏观上则表现为土体强度提高，稳定性增强，这是崩解试验中木质素固化剂试样前期稳定的根本原因.

从木质素固化剂试样浸水前后微观对比分析可以看出(图6b和6e)，试样孔隙比增长明显(0.929～1.251)，孔隙比的增加除了来自部分溶解的固化剂外，更主要来源于土体细颗粒的减少.另外，Dp值也有所下降(1.606～1.364)，可见试样浸水后仍然出现一定程度的细颗粒损失和形态结构破坏，但总体变化量较天然土体试样略有减少，这主要是由于试样在木质素的固结下保留了一部分的原岩结构，这是木质素刚性胶结的结果，由此可见木质素固化剂起到了一定的固化效果.但由于木质素水溶性高且分子量小，随着浸水时间延长，木质素固化剂逐步溶解、扩散，附着物含量减少(图6e).随着固化剂的溶解，颗粒间粘结力逐步降低，崩解试验后期崩解量呈指数型增长.

图6 崩解试验前后3种试样的SEM微观结构图Fig.6 SEM images of samples before and after disingeration test

含有PAM固化剂试样的土体颗粒表面及孔隙间同样附着一层C、N含量较高的物质(图6c和6f)，推测为添加的PAM固化剂晶体.根据以往的研究成果[16]，PAM进入土体试样后，较长的高分子链易附着在土体颗粒表面或团聚体表面形成网状结构，包裹土体颗粒，提高了土体团聚体的整体性.另外，PAM分子也充填于颗粒间的孔隙，通过分子链上的酰胺基与不同土体颗粒表面化合物形成的氢键达到胶结土体颗粒的目的[15].基于上述两种因素，PAM固化剂提高了土体的团聚体数量，减少了土体细颗粒在浸水状态下的崩解损失.

从PAM固化剂试样浸水前后微观对比分析可以看出(图6c和6f)，PAM固化剂含量的减少不明显，可见PAM固化剂具有较高的耐久性，这主要得益于PAM大分子结构的弱迁移能力.这种较强的耐久性也是PAM固化剂试样完全崩解时间较长、总体孔隙比增加不明显的主要原因.虽然试样细颗粒在崩解过程中损失较少，但整体Dp明显降低(1.726～1.375).由此可知，PAM试样颗粒在保持完整性的同时，内部颗粒发生了较为明显的相对位移和重组过程，使得试样内部颗粒分布趋于均一，因此PAM固化剂的粘结力更接近于动态的弹性粘结[16]，宏观上呈现出絮凝状态.这种相对较弱的弹性粘结使局部试样在较大的水膜斥力作用下发生崩解破坏，表现为崩解试验中所展现的入水初期迅速局部崩解.当初期的破坏结束后，土体颗粒在PAM分子链的连接和包裹下，质量损失相对较少，并在风干后重新排列聚集(图6f)，崩解过程得到缓解.

3 结论

本研究针对木质素固化剂和PAM固化剂固化效果及机理进行分析，结论如下：

①两种固化剂均在一定程度上提高了崩岗区土体的水稳性，木质素固化剂和PAM固化剂分别使土体完全崩解时间延长了167.7%和500%.

②木质素固化剂试样的崩解过程呈现出前缓后急的趋势，由表及里逐层地剥蚀；PAM固化土试样崩解过程前急后缓，快速崩解后，整体呈现流塑状、絮凝状，具有较长的稳定时间.

③木质素固化剂附着于颗粒表面，以提高颗粒间刚性粘结和增大颗粒表面摩阻力的方式提高土体强度.但由于溶解性较高，浸水后，固结效力以指数形式递减.

④PAM固化剂以网状结构包裹土体颗粒或团聚体以提高土体团聚体的整体性.通过氢键连接土体颗粒提高土体粘结力，具有弹性粘结的特征.该特征使试样初期崩解较快，而后趋于缓和.同时PAM固化剂大分子结构弱迁移能力较弱，使其在崩解过程中能够持续较长的发挥固结效力.

⑤考虑到实际土体受雨水浸泡和冲刷时间一般在1 h以上，且残积土水土流失区域往往坡度较陡，水动力条件强，本研究认为PAM固化剂更适用于花岗岩残积土的水土流失治理.