疏水材料改性黏土渗透性能试验研究

游 阳 肖衡林 谭 燕

（湖北工业大学 土木建筑与环境学院,武汉 430068）

河道治理是一项系统工程,包含蓄水、防洪、改善生态环境等功能.治理不当容易引发渗漏,导致工程效率降低、水土流失、对下游居民生命财产造成威胁等问题[1].为了改善河道渗漏情况发生,国内外学者对防渗材料做了相关研究.孙开畅等[2]使用高压喷射灌浆防渗技术对三峡工程一期土石围堰进行防渗处理,研究表明该技术在三峡全风化花岗岩中具有可行性,防渗效果可以得到保证.王丽红[3]运用帷幕灌浆的方法处理坝基渗漏问题,发现该方法能有效解决坝基渗漏问题,可为水电站安全运行提供技术指导.BARDET J P等[4]使 用 蜡、CHANGHO L 等[5]使 用有机硅烷和SUBEDI S等[6]使用其他疏水剂人工制造拒水土壤,因其具有均相的拒水性,且拒水程度易于控制,近年来受到了关注.一种通过添加疏水材料到黏土中的处理方法已被证明可降低膨胀黏土的渗透性,并降低膨胀和收缩的发生[7].利用有机硅烷对黏土进行疏水改性,并研究改性黏土疏水性和渗流特性,发现改性黏土具有提高传统拒水屏障的潜力[8-9].硅氧烷改性高岭土是一种应用于垃圾填埋场,诱导疏水性能,提高垃圾填埋场防渗垫抗渗性能的解决办法,显示出良好的工程性能.干湿循环后,仍表现出良好的拒水性能.

疏水改性土壤显示出了优良的抗渗效果,但疏水改性对土壤渗透性影响的机理不是很清楚.本研究通过核磁共振技术（NMR）,揭示SHOIP掺量对改性黏土孔隙分布特征的影响,结合渗透试验结果,研究土壤孔隙分布对渗透系数影响的微观机理.核磁共振技术是一种快捷、无损的土壤孔隙分布测量技术,通过测量土样中水分分布情况,间接测量饱和土样中孔隙分布特性[10].GAO H 等[11]运用核磁共振技术,对低渗透砂岩试样进行了测试,发现该技术可以较准确地对土样孔隙分布特征进行定量描述.程福周等[12]研究了黄淮海平原一种具有明显胀缩特性的天然土,利用核磁共振（NMR）弛豫法可以观察孔隙大小分布在脱水和土壤收缩过程中的变化.

本研究分为宏观试验和微观试验,宏观试验研究改性黏土接触角和渗透系数随SHOIP 掺量变化的规律,微观试验研究改性黏土孔隙分布随SHOIP 掺量变化的规律.以此为基础,从黏土微观孔隙的角度阐释SHOIP对改性黏土渗透系数影响的内在机制,对土体防水工程具有重要参考意义.

1 材料与试验方法

1.1 材料制备

试验使用土壤为黏土,改性材料为疏水材料（全称超级疏水高分子聚合物,简称SHOIP）.黏土取自湖北武汉,利用激光粒度分析仪分析了黏土的粒径分布,如图1所示.黏土基本理化性质见表1.

图1 土颗粒分布曲线

表1 黏土的物理参数

SHOIP主要成分是富钠蒙脱石黏土和Zr O2,粒径小于2～20μm 的白色粉末.SHOIP粒子形态特征如图2所示,可以清楚看到表面凹凸不平.

图2 SHOIP粒子形态特征

SHOIP粉末的土壤-水接触角如图3（b）所示,SHOIP粉末的土壤-水接触角测量值为132°,李毅等[13]研究表明,土壤-水接触角大于90°时,土壤为疏水土壤,即SHOIP 粉末具有较好的疏水性能.黏土经过风干、碾碎后过1 mm 筛,剔除植物根系及其他杂物;将过筛的土样放在（105±1）℃的恒温烘箱烘干,待冷却后,按照SHOIP与黏土比例制成4种不同SHOIP掺量的改性黏土试样,其掺入比分别是0%、3%、6%、9%,编号为N0、N3、N6、N9.

1.2 土壤-水接触角试验

改性黏土的疏水程度由无柄滴入技术（简称SDT）进行测量.该技术对接触角较大的土壤比较适用.接触角越大,土壤的疏水性越强[14-15].将等质量的供试样品加入到环刀中,使其略高出环刀表面,用500 g砝码压住试样,持续1 min,制作成标准试样;用微量移液枪从约5 mm[16]的高度向土壤表面滴5滴去离子水;体积为（30±1）μL;使用高分辨率摄像机捕捉水滴和土壤接触点的侧视图像如图3（a）所示;然后使用图像分析软件imageJ测量水滴接触角,如图3（b）、3（c）所示.

图3 土壤-水接触拍摄图及水滴接触角

取图像左右两侧接触角平均值作为该水滴的接触角测量值,取5滴水滴接触角平均值作为最后的测量结果.试验设置5组试样,N0、N3、N6、N9和SHOIP材料.利用接触角结果,通过公式（1）计算出土壤表面自由能[17].

式中:γs表示土壤表面自由能;θ表示土壤-水接触角.

1.3 渗透试验

黏土的渗透系数采用GDS全自动环境岩土渗透仪进行测定.将供试土壤按最优含水率进行配比,拌合均匀后,将等质量土样装入内径70 mm、高20 mm的不锈钢环刀,用千斤顶压制试样;试样使用叠式饱和器固定好后放入真空饱和缸内,进行抽真空饱和,抽气时间为5 h以上,待真空压力表读数接近一个大气压力值,关闭真空泵,将水管插入纯水,使纯水慢慢流入饱和缸直到淹没试样,并置于水中浸泡24 h以上,保证试样饱和度达98%以上;取出饱和好的试样,放置在渗透仓中,渗透仓围压设置为35 k Pa.上水头压力设置两组不同压力值（30 k Pa和60 k Pa）,下水头压力15 k Pa,待压力稳定后进行渗透试验,试验温度控制在20℃.试验设置4组试样,N0、N3、N6、N9.KN0、KN3、KN6和KN9分别表示SHOIP掺量为0%、3%、6%、9%的改性黏土渗透系数.每组试样制作3个平行试样,试验结果取3个平行试样渗透系数的平均值.

1.4 核磁共振试验

核磁共振试验采用的是PQ-001Mini型 NMR 核磁共振仪,通过测试氢原子的信号来计算试样中的水分含量,得到试样的横向弛豫时间（后文简称弛豫时间）T2分布数据,并拟合出T2分布曲线,其对应的是某一孔径的含水量,由于水存在于试样空隙中,T2分布曲线可以反映土样的孔隙分布.

按照黏土最优含水率,往处理好的土样中加入适量的水,搅拌均匀,将等质量的土样装入内径18 mm、高30 mm 的聚四氟乙烯环刀,并压实;将制备好的试样进行真空饱和,步骤同渗透试验一致;随后用核磁共振仪对试样进行分析.试验设置4组试样,N0、N3、N6、N9.每组试样制作3 个平行试样,试验结果取3个平行试样结果的平均值.

2 试验结果及分析

2.1 土壤-水接触角变化规律

以SHOIP掺量为横坐标,土壤-水接触角、土壤表面自由能为纵坐标,建立SHOIP掺量与土壤-水接触角、土壤表面自由能的关系,如图4所示.

图4 SHOIP掺量与土壤-水接触角、土壤表面自由能的关系

由图4可知,改性黏土表面自由能和接触角与SHOIP掺量的关系正好相反,随着SHOIP掺量的增加,接触角逐渐增大,自由能逐渐降低.N0、N3、N6、N9和SHOIP 的接触角分别为60°、113°、120°、123°和132°,自由能分别为112.5、18.56、12.5、10.37和5.47 MN·m－1.分别比较改性黏土接触角和自由能变化量与SHOIP掺量变化量的关系发现,SHOIP掺量变化范围为0%～3%、3%～6%和6%～9%时,接触角变化量分别为53°、7°、3°,自由能变化量分别为93.94、6.06和2.13 MN·m－1,改性黏土接触角和自由能变化量随SHOIP 掺量增加逐渐减小,即随着SHOIP掺量增加,接触角增大趋势减缓,自由能减小趋势减缓.从图3（c）可看到,SHOIP 的土壤-水接触角为132°,SHOIP表面的自由能为5.47 MN·m－1,当低自由能的SHOIP粉末充分覆盖在黏粒表面时,快速降低黏土表面自由能,随着黏土中SHOIP 添加量的增加,抑制黏粒可湿性,改性黏土与水的接触角明显增加.

2.2 渗透系数变化规律

GDS全自动环境岩土渗透仪适合测定渗透系数较小的黏性土,其渗透装置主要由3套数字式压力控制器、渗透压力室和数据采集分析软件组成.3套数字式压力控制器分别控制上水头、下水头和三轴围压,可以实现不同围压和水头下的渗透系数测定.以SHOIP掺量为横坐标,渗透系数为纵坐标,建立不同上水头压力下SHOIP掺量与渗透系数的关系,如图5所示.

图5 不同入渗压力下SHOIP掺量与渗透系数的关系

由图5可知,对SHOIP 掺量和渗透系数的关系进行拟合,发现变化趋势符合幂函数变化规律.上水头压力为30 k Pa时,SHOIP掺量与渗透系数的关系可以描述为:

上水头压力为60 k Pa时,SHOIP掺量与渗透系数的关系可以描述为:

随着SHOIP掺量增加,改性黏土渗透系数逐渐减小,减小幅度逐渐减缓.当渗透仓上水头压力为30 k Pa时,随SHOIP 掺量增加,渗透系数从KN0＝1.4×10－6cm·s－1降低至KN9＝1.5×10－8cm·s－1.渗透仓上水头压力增大到60 k Pa时,随SHOIP掺量增加,渗透系数从KN0＝7×10－6cm·s－1降低至KN9＝2.1×10－8cm·s－1.分别比较同一土样不同上水头压力下的变化量,可以发现,上水头压力从30 kPa上升到60 k Pa的过程中,N0、N3、N6和N9渗透系数变化量分别为5.6×10－6、8.8×10－8、1.8×10－8和6×10－9cm·s－1,SHOIP 掺量越高,渗透系数变化量越小,即SHOIP 掺量越高,上水头压力对渗透系数的影响越小.

2.3 孔隙分布变化规律

以弛豫时间为横坐标,幅度为纵坐标,建立T2分布曲线.如图6所示.

图6 N0、N3改性黏土弛豫时间T2 分布曲线

由图6可知,N0、N3都呈现出明显的三峰分布,其中第1 峰波峰在T2＝1 ms左右,第2 峰波峰在T2＝25 ms左右,T2＝10 000 ms左右出现第3峰波峰.有研究表明弛豫时间与孔径成正比,所以3个波峰分别对应土样中的小孔、中孔和大孔,并且峰面积对应相关孔隙的体积.根据T2分布曲线规律可知,改性黏土主要孔隙为小孔和中孔,大孔所占比例较少.随着SHOIP掺入黏土,土样的小孔、中孔和大孔均有不同程度减少.相比于N0,N3的小孔和中孔体积减少明显,大孔略微减少.上述规律表明:在SHOIP掺量较低时,SHOIP 优先堵塞小孔和中孔,对大孔少部分堵塞.

图7描述了N6和N9的弛豫时间T2分布曲线.由图可知,N6和N9呈现出明显的两峰分布,第三峰均消失.随着SHOIP 掺量增加,土样的中孔和小孔均有不同程度减少,且以小孔减少为主.值得注意的是,N6和N9的大孔均消失,此现象说明:SHOIP 掺量较大时,小孔体积明显减少,中孔体积略微减少,大孔体积减少为零.

图7 N6、N9改性黏土弛豫时间T2 分布曲线

图8给出了4组土样弛豫时间T2分布曲线图.从整体来看,SHOIP掺量较低的试样（N0和N3）T2分布曲线图呈现三峰分布,SHOIP 掺量较高的试样（N6和N9）T2分布曲线图呈现两峰分布,三峰面积均随SHOIP 掺量增加出现不同程度减少.不同的是,SHOIP掺量较低时,SHOIP 掺量的增加主要减少小孔和中孔体积,略微减少大孔体积.SHOIP掺量较高时,大孔体积降为零,SHOIP掺量的增加主要减少小孔体积,略微减少中孔体积.

图8 不同SHOIP掺量的改性黏土弛豫时间T2 分布曲线

3 SHOIP对黏土渗透性影响的微观机理

由第2.3节对T2分布曲线的介绍可知,T2分布曲线可以反映土样孔隙的孔径分布特性,峰面积与对应孔隙体积成正比.由图8可知,4种土样的弛豫时间T2分布曲线主要由3个峰构成,所对应的波峰面积和总面积见表2.由表中三峰面积变化趋势建立SHOIP掺量和三峰面积的关系,如图9所示.

表2 不同SHOIP掺量的改性黏土弛豫时间T2 分布曲线的峰面积和总面积

图9 三峰面积随SHOIP掺量的变化

由图9可知,SHOIP掺量较少（N0和N3）时,小孔和中孔体积减少明显,大孔体积略微减少,但土样大孔体积基本消失,这说明SHOIP 掺量较少时,优先堵塞小孔和中孔,对大孔堵塞比较有限.SHOIP掺量较多（N6和N9）时,小孔和中孔有不同程度减少,且小孔体积减少明显,大孔降为零,这说明SHOIP掺量较多时,优先堵塞小孔和中孔,对大孔堵塞较少,但此时大孔已减少为零.从整体来看,SHOIP掺入黏土后,主要减少小孔和中孔体积,对大孔体积减少有限,由于黏土大孔体积较少,改性黏土大孔体积很容易降为零.

陶高梁等[18]研究发现:水分在土体中渗流时,大孔隙对渗透性的影响远大于小孔隙和中孔隙.因此,在进行渗透试验过程中,对渗透系数取决定作用的是土样中大孔隙.N0大孔体积是4组土样中最大的,故KN0最大,随着SHOIP掺量增加,土样中大孔体积明显减少,N3的大孔体积接近为零,相比于KN0,KN3减少明显.随着SHOIP 掺量继续增加,N6和N9大孔体积降为零,此时水分在土样中的渗流路径主要是小孔和中孔,而小孔和中孔对渗透系数的影响比大孔小得多,故KN6与KN9比较接近,此时改性黏土渗透系数随SHOIP掺量的增加呈现出缓慢减小的趋势.

随着SHOIP 掺量增加,改性黏土的疏水性增强,渗透系数降低,这主要是SHOIP 影响土壤表面自由能和孔隙分布造成的.黏土的疏水性由土壤表面自由能决定,黏土中添加SHOIP 后,土壤表面自由能降低,接触角大幅增加,由于土壤表面可湿性面积小于60% 时,接触角趋于稳定[19],故继续增加SHOIP掺量,土壤-水接触角增加幅度减缓;黏土的渗透系数主要由大孔隙决定,黏土中添加SHOIP后,大孔隙逐渐减少,KN3大幅减小,继续增加SHOIP掺量,大孔体积降为零,此时中孔对渗透系数取决定作用,而中孔对渗透系数的影响较小,故此时改性黏土渗透系数随SHOIP 掺量的增加呈现出缓慢减小的趋势.在使用SHOIP 提升黏土抗渗性能时,并不是越多越好,当土壤大孔降为零时,继续增加SHOIP掺量,只会小幅提升黏土抗渗性能.故使用疏水材料提升土壤抗渗性的过程中,需要根据实际工程情况,添加适量的疏水材料.

4 结论

本研究控制SHOIP掺量,得到4种不同疏水性的土样.分别进行了土壤-水接触角试验、渗透试验和核磁共振试验.得到以下结论:

1）随SHOIP掺量的增加,土壤-水接触角逐渐增大,且增加幅度逐渐降低,SHOIP 掺量从0%增加到9%时,改性黏土接触角从60°增加到123°.

2）随SHOIP掺量的增加,改性黏土渗透系数逐渐减小,且减小幅度逐渐降低,SHOIP 掺量从0%增加到9%过程中,上水头压力为30 kPa时,改性黏土渗透系数从1.4×10－6cm·s－1减小至1.5×10－8cm·s－1,上水头压力为60 k Pa时,改性黏土渗透系数从7×10－6cm·s－1减小至2.1×10－8cm·s－1.SHOIP掺量超过3%时,渗透系数减小幅度逐渐降低.

3）SHOIP掺量为0%和3%的改性黏土孔隙分布曲线图呈现三峰分布,即小孔、中孔和大孔的分布都有峰值,随SHOIP掺量的增加三孔均出现不同程度减小,当SHOIP 掺量大于6%时,大孔体积降为零,改性黏土中只存在小孔和中孔.

4）SHOIP掺量为3%时,大孔体积接近为零,这是导致改性黏土渗透系数骤减的内在原因;SHOIP掺量为6%和9%时,大孔体积降为零,大孔体积减少有限,小孔和中孔有不同程度减少,而小孔和中孔对渗透系数影响相对较小,这是改性黏土渗透系数随SHOIP掺量增加而缓慢减小的内在机理.