双聚材料改良黄土持水性及生态效应研究

朱利君，裴向军，张晓超，任 童，杨晴雯

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，四川 成都 610059)

黄土在我国西北及华北等地区占地面积约6.4×105km2，其中湿陷性黄土占地面积达3.1×105km2，约占该地域黄土面积的50%。黄土脱敏一直是西北地区地基和建筑处理的重点和难点。黄土中有大量孔隙，这是其区别于其他土类的主要特征之一[1]。由于过去大面积使用无机胶凝材料加固黄土，引发土体结构性破坏和当地环境污染，导致后期处理成本高昂。为此，环境友好型固化剂成为研究热点。目前新型化学加固材料的研究和应用有很多，杨博瀚等[2-3]通过改性聚丙烯纤维和水泥对黄土进行改良，并探究了其对加固土力学性能的影响。唐朝生等[4]对聚丙烯纤维加固软土进行了力学性能研究。刘瑾等[5]以丙烯酸单体为主体合成了一种新型高分子材料，并对其加固机理进行了探讨。谌文武等[6-7]、王银梅等[8-10]、周瑾等[11]自主研发了新型高分子材料SH，并将其应用于改良黄土，对其加固黄土的力学性能、渗透性等工程性质以及采用物理模拟实验对加固土抗冲蚀性进行了研究。裴向军等[12-17]研发出新型高分子材料，将其应用于沙土、碎石土和黄土加固中，对其水稳性、渗透性及抗压抗剪强度等进行了研究；同时该材料已经用于土质边坡现场加固工程实践中，如我国西藏雅江边坡水土流失、若尔盖草原生态受损和延安革命老区边坡剥蚀等。但目前关于双聚材料的研究多集中在物理力学性能以及边坡土壤侵蚀变形特征上，较少讨论其持水性能与生态效应以及其与微观结构的响应关系。

本文主要针对本课题组自主研发的新型高分子材料(双聚材料)应用于加固重塑黄土，采用静水崩解试验、变水头渗透试验、土水特征曲线试验以及植物生长生理指标测试等对加固土的持水性及生态效应进行探讨。结合XRD矿物成分分析、扫描电镜试验、压汞试验等微观分析，探讨加固黄土持水性、生态效应以及微观特征的响应关系，探求材料加固黄土的内在机制。

1 改良黄土的试验设计

1.1 加固材料

加固材料由两种高分子材料和两种无机助剂交联聚合而成，其中A、D是无机助剂，B、C是高分子材料，其物理性质和聚合物交联方式见表1和图1。

表1 试验用材料性质

图1 聚合物交联方式示意图Fig.1 Schematic diagram showing polymer cross-linking

1.2 试样制备

图2 颗粒分析曲线Fig.2 particle analysis curve

土样取自延安安塞南沟，颗分曲线见图2，其黏粒含量小于20%，以粉粒为主，属于粉质黏土(代号N)。土样的其他性质见表2。首先将取回的土样风干碾碎，过2 mm筛，筛去大块砾石以及其他杂质。而后将浓度为0%、0.10%、0.22%和0.34%的双聚材料溶液分别与土按1∶5的比例拌和，混合后密封24 h，以1.45 g/cm3(试样的密度和含水率均是参照双聚材料加固土的最大干密度的90%和最优含水率设计)按规定的方法填充到标准模具中，采用千斤顶静压法一次静压成型，削平试验两端并脱模。崩解性试验和土水特征曲线试验采用的是直径61.9 mm、高20 mm的试样，渗透性测试试样直径61.9 mm、高40 mm。

表2 黄土的物理力学指标

1.3 试验和数据分析方法

湿化崩解试验是将土样放在特质的镂空网篮内，网篮悬挂在水中，上部吊有弹簧测力计。通过计算弹簧测力计的变化值探讨48 h内不同掺量固化土随时间变化的吸水和崩解特性。48 h后将篮中残余的土体取出，采用100 ℃烘箱烘干，称取质量为m1，同时考虑土样的吸水性或崩解性，提出计算公式：

Nt=(at-87)/87

(1)

Nk=m1/87

(2)

式中：N——双聚材料加固土吸水或崩解率，当N>0时表示吸水，N<0时表示崩解；

Nk——耐吸水或崩解系数，当Nk>0时表示吸水，Nk<0时表示崩解。

渗透试验和直剪试验成型试样自然风干后按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[18]进行。

土水特征曲线试验采用地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的压力板仪进行。将成型试样自然风干后抽真空饱和，将饱和试样安置于密封容器中，下置陶土板，分级加压，每级压力下样品排水恒定后加下一级，测算每一级压力下试样排水量。直至最后一级压力，稳定后取出试样，测定样品含水量和干质量，以此类推，得到土壤特征曲线。

生态效应测试主要是将不同掺量的材料进行植草养护，于24 ℃恒温、60%湿度人工培养室培养，至一定时间后对其生长指标和生理指标进行测试。

XRD试验采用理学DMAX-3C衍射仪进行。取加固前后成型试样自然风干样品50 g，过0.15 mm筛后研磨成粉末(320 目粒度)，然后把样品粉末制成有平整平面试片进行观测。

SEM微观结构测试采用成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室的扫描电镜设备进行。将成型试样掰成小块，用吸球把表面的扰动颗粒除去，获得新鲜完整且保持原状结构的天然断口，自然风干后研磨成10 mm×10 mm×3 mm的方块，在试样表面喷镀导电金属薄膜后进行镜下观察。

压汞实验采用的是micrometritics AutoPore Ⅳ 9500 V 1.09号仪器。将成型的样品放入仪器，通过不同压力将汞压入土体孔隙中，根据不同压力和进汞量绘制孔隙含量与孔隙直径的关系曲线。

2 试验结果与分析

2.1 静水崩解试验

天然粉质黏土重塑试样放入水中后不久完全崩解，呈散沙状，并且由于粉粒和黏粒在水中分散，杯中水变得浑浊(图3a)。而双聚材料加固土随着浓度的增加，其崩解破坏程度减弱，水中悬浮粒骤减，土样从在水中大面积开裂(图3b)发展为少面积开裂(图3c)最终向不崩解(图3d)发展。

图3 崩解测试土样Fig.3 Schematic diagram showing the disintegration test soil sample

根据式(1)～(2)计算得出的结果，在双聚材料掺量为0%、0.10%、0.16%、0.22%、0.28%和0.34%时加固土的耐崩解系数分别为0，0，0，0.089，0.603和0.905，试样的耐崩解能力随着双聚材料掺量的增加而增加。结合图4的崩解过程曲线，在静水崩解试验过程中，随双聚材料掺量的增加土样吸水的时间和达到同等崩解状态下的时间都得到延长，并且随着材料掺量的增加吸水能力逐渐增强。重塑黄土随着材料的掺加耐崩解性和吸水性明显提高。

图4 不同材料掺量崩解率测试Fig.4 Disintegration rate test of different materials注：y轴数值大于0表示吸水率，小于0表示崩解率。

2.2 变水头渗透系数

影响土渗透系数的因素可分为两方面，土骨架和流体性质，双聚材料对黄土系数的影响主要是对土骨架的影响。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[18]中的计算方法，计算不同材料掺量下土样的变水头渗透系数结果，见表3。

表3 不同材料掺量下的渗透系数

由表3可知，随着材料掺量的增加，土样的渗透系数逐级递减，但都在10-5这个量级内。将渗透试验后的双聚材料改良重塑样(0.34%)取出，并切开，式样内部含水率差异出现颜色分区，深色表示含水率高，浅色反之。结果表明双聚材料能够极大减缓水分渗入，同等条件下吸力会增加，孔隙水压力减小，水稳定性提高。

2.3 土水特征曲线分析

土水特征曲线的实质是土骨架的亲水性。其决定因素为土颗粒组成和土骨架的密实程度。采用Van Genuchten模型作拟合曲线对比图(图5)，从土与水的相互作用方面考量，将两种土样的脱湿曲线分为3部分，三个区段分别表征重力、毛细力和热力驱动下运动的重力水、毛细水和结合水。

达到进气值之前，土体处于饱和状态，受重力驱动下的自由水排出(图5中区域①)，由曲线可知，较小的含水率变化就能使基质吸力快速增加，这是土体从饱和状态向非饱和状态的转变。这个阶段两条曲线基本一致，但固化黄土的饱和含水率高于未固化黄土，说明材料的掺加对土中水分的影响主要是毛细水和结合水。达到进气值后，随着吸力的增大，重力作用被抵消，毛细力代替重力作用抵抗外力，降湿率能表征土体内部毛细力抵抗外力的重要指标，加固土的降湿率为-0.31，未加固土的降湿率为-0.74，加固土的降湿率明显大于未加固土，即斜率明显更小(图5中区域②)。随着吸力的增加，固化土中的毛细水更难排出，毛细力作用更强。最后随着基质吸力的增加，曲线进入第三阶段，体积含水率随基质吸力变化较小，这一部分的水分主要是与土颗粒结合更加紧密的结合水(图5中区域③)，需要其它力如热力驱动才能流失，而加固土的残余含水率远大于未加固土。

图5 Van Genuchten模型拟合曲线对比图[19-21]Fig.5 Comparison of the Van Genuchten model fitting curves[19-21]注：图中①区域表示重力水失水区；②区域表示毛细水失水区；③区域表示结合水失水区。

经双聚材料固化后的黄土具有更强的持水性能，表征为水稳性增强，饱和含水率增大，渗透系数减小等。

2.4 盆栽试验结果分析

采用西北地区较为常见的紫花苜蓿研究材料应用于土壤的生态效应。由于植物生长速率较慢，以下指标测试及分析均是播种30 d后开始。

2.4.1生长指标对比分析

观测从播种之日起算，0～30 d花盆中植物的株高、叶宽和分叶数都相近，图6是培育至第30 天几种不同材料掺量下植株情况对比，相比非固化土，加固黄土培养的植被更加茂密，但材料掺量导致的植株长势差异并不明显。

在植被培育至30 d时，对其生长指标如根冠比及根长等进行分析。

由表4和图6可知，随着材料掺量的增加，根长和根冠比都呈增长趋势，其中0.34 %的根长最长，为12.47 cm。根的长度和数量被认为是抗旱的一个重要特征[22]，说明材料的掺加能有效提高植株的抗旱能力，由生理指标测试进行进一步论证。

2.4.2生理指标对比分析

SOD是细胞膜系统的重要保护酶之一，它具有消除自由基、降低膜脂过氧化及维持细胞稳定性的功能。其值越低越说明植株具有更好的抗干旱能力[23]。

表4 生长指标数据统计

图6 植株根茎生长情况图Fig.6 Diagram showing plant roots growth

由图7可知，随着干旱天数的增加，所有材料掺量固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值都呈增长势。干旱胁迫前，SOD值随材料掺量增量增大，但差异不大，其中空白对照组为335.83 U/(g·FW)，掺量为0.34%的固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值为362.76 U/(g·FW)。

图7 SOD活性变化曲线图Fig.7 SOD activity curve

随着时间的推移，材料掺量的差异引起的SOD值受干旱胁迫影响的差异逐渐拉大。至第13天，空白对照组的SOD值为638.44 U/(g·FW)，材料掺量为0.34%的固化土培育出的紫花苜蓿植株的SOD值为498.85 U/(g·FW)，其他两个掺量在两者之间。

研究表明材料的掺加能有效抑制干旱胁迫对植株活性酶的影响，植物在干旱胁迫时受到较小的伤害，具有更好的抗逆性。

3 机理研究

3.1 矿物成分分析

根据XRD矿物能谱分析结果可知，双聚材料加固前后其XRD衍射曲线基本吻合(图8)，加固土的衍射曲线没有新峰产生，说明没有产生新物相，主要成分为石英、长石和方解石等。双聚材料与土颗粒间没有发生化学反应生成新的化合物。

图8 矿物能谱分析图Fig.8 Analysis of mineral energy spectrum

从土壤和双聚材料的化学结构上分析，黄土的主要组成石英(SiO2)是一种表面粗糙的极性分子，水分子与其因相似的电子云结构容易产生耦合，在少量含水率情况下能成型并且具有较高的强度。但是随着含水率的增加，黄土结构内部的黏聚力不足，粉粒和黏粒分界，土骨架分散。土体在水中强度的产生和消失都与毛细力的产生和消失有关。一方面，双聚材料组分C中含有大量的亲水基团羧基(—COOH)和羟基(—OH),这些基团能够吸附于颗粒表面形成一层保护膜，减缓了土颗粒与水分子直接接触破坏颗粒结构，进而增强其耐崩解性。另一方面，组分B中含有大量的长链分子，侧链上聚集大量极性活性集团酰胺基(—CONH2)，基团通过氢键、范德华力、静电引力等方式作用于土颗粒表面，在颗粒与颗粒之间形成架桥作用。这是加固黄土在水中能保持试样完整以及水面清澈的化学机理。

3.2 加固土孔隙分布分析

从不同材料掺量土样的压汞实验曲线以及孔隙结构特征可以发现：重塑黄土在加入不同掺量的双聚材料后，孔隙率和孔隙体积不同程度的减小，最可几孔径(指的是孔分布曲线中峰最高处所对应的孔径，即孔出现概率最大的孔)减小；D50(总进汞量50%时对应的入孔孔径)减小，表征随着材料掺量增加，小孔隙占比增大；分形维数减小，表面孔隙内部结构形态变的更为简单，形成一个整体，粗糙程度更低，颗粒间黏成一个整体，不利于摩擦力的发挥。

孔隙分类采用的是雷祥义[1]的分类方法。由图9和表5可知，随着材料掺量的增加，土壤内部孔隙分布发生了变化，总体表现为大于32 μm范围内的大孔隙在一定程度上数量增加，8～32 μm范围内的中孔隙数量减少。说明在有机材料作用下，土颗粒的粒度成分、颗粒形状、结构排列发生改变。推测是由于原来土体中的小颗粒胶结在一起组成较大的颗粒，导致细小颗粒间的中孔隙一部分转化为大孔隙，一部分转化为小孔隙和微孔隙。

表5 土样孔结构特征值

图9 不同材料掺量孔隙累计曲线和分布曲线Fig.9 Cumulative curve and distribution curve of pore volurne of different materials

图10 电镜扫描对比图Fig.10 SEM scan comparison

3.3 加固土微观结构分析

为了进一步论证压汞实验的推论，对加固前后土样的微观结构进行分析。从孔隙分布的角度分析，可以发现放大至250倍的非加固土样孔隙结构分布较为均匀，几乎不见大颗粒存在(图10a)，相比未加固土，可发现加固土土样内部孔隙分布不均匀，大孔隙和小孔隙都明显增多，颗粒有明显的团聚现象(图10b)。与压汞实验获取结果一致。

从结构的角度分析，将范围缩小，放大至1 000倍，可以发现非加固土颗粒界线明晰，分布均匀，连通性较差(图10c)。加固土颗粒表面附着大量胶结物质，包裹在颗粒表面，形成团聚粒。团聚粒与团聚粒之间，团聚粒与大颗粒之间又能形成架桥连结，使得团聚粒发展成结构更稳定、粒径更大的团聚体(图10d)。

3.4 加固土机理分析

在微观上，天然重塑黄土颗粒较为分散，粒间边界明细，能见明显棱角(图10a、c)，但是双聚材料加固土在同等放大条件下大量团聚，有颗粒与颗粒之间团聚，有团聚粒与团聚粒之间桥接，颗粒界线模糊，表面类似有大量包裹和胶结存在(图10b、d)。这就导致原本中孔隙较多的天然重塑黄土中的中等颗粒一方面向小孔隙转换，另一方面向大孔隙转化。这主要是由于双聚材料C组分中大量富含的羧基和羟基，在土壤表面阻隔了颗粒与水分子的直接接触，将黏粒、粉粒等锁入团聚粒中，增强其耐崩解能力。另一方面，B组分侧链中大量富集活性酰胺基与土颗粒通过氢键、范德华力和静电引力等方式吸附颗粒，使得粒间界线愈加模糊。

在宏观上，当材料浓度较高(不低于0.34%)时，改良土黏聚性显著增强，进而提高土壤耐水崩解能力，在水中浸泡48 d仍能保持试样完整，显著提高抗侵蚀性能；渗透试验中表征为渗透系数减小，切开土样发现土样内部颜色不均，外圈层湿度远大于内圈层，由于阻水分子羧基和羟基大量附着土颗粒表面，水分难以直接接触土壤，层层阻隔使得直接渗透难以实现；土水特征曲线试验中，材料对土样的影响主要体现在毛细水排出更困难，这是阻隔水分子进入孔隙分散颗粒的结果。

因此将双聚材料与土颗粒作用关系归为3种：(1)材料对颗粒外部包裹作用；(2)土颗粒与土颗粒间桥接作用；(3)团聚粒与团聚粒间吸附与包裹作用。基于此，参照Volikov等[24]，杨晴雯等[25]提出的土壤团聚胶结模型，在此提出了双聚材料改良重塑黄土的结构模型，见图11。

图11 双聚加固机理示意图Fig.11 Schematic diagram of the double-polymerization reinforcement

4 结论

本文采用双聚材料对黄土进行改良，开展了崩解试验、常水头渗透试验、土水特征曲线试验和植物生长生理指标测试，并结合微观分析深入探讨改良机理，得出结论如下：

(1)少量双聚材料的掺加就能大大改善黄土遇水崩解问题，在掺量达到0.28%时基本不崩解。

(2)经双聚材料固化后的黄土具有更强的持水性能，表现为渗透系数减小、饱和含水率增大、毛细水更难排出。

(3)结合植被培育生长和生理指标测试，表明双聚材料的增加对植物根冠和根系生长有促进作用，有效提高了植物抗旱能力。

(4)双聚材料中富集大量的极性活性基团酰胺基(—CONH2)吸附架桥使得土颗粒团聚，而羧基(—OH)和羧基(—COOH)附着于表面形成保护膜，由团聚粒发展至团聚体层层包裹促进土体稳定。

由于少量的材料掺量就能引起改良土的性质产生转变，掺量只做到了0.34 %，为了进一步研究其作用规律，后续研究可考虑增大浓度变化梯度，对总体规律作进一步把控。