聚乙烯醇改良高原黏土水稳定性实验研究

李中尧， 李文炜， 史海平， 赵哲苇， 王保田， 王培清*

(1.西藏农牧学院水利土木工程学院， 林芝 860000； 2.河海大学， 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 3.河海大学， 江苏省岩土工程技术工程研究中心， 南京 210098)

土体改良技术已广泛应用于中国道路工程、水利工程、边坡治理工程等领域，掺加改良剂可以有效改善土体的工程性质，但目前常采用水泥石灰等传统胶结材料进行土体灌浆加固[1-3]，此类材料会破坏当地生态条件，越来越多的研究人员开始研究环保型高分子聚合物改良土体的可能性。陈青生等[4]认为高聚物主要通过影响黏聚力来改变抗剪强度，对内摩擦角的影响十分有限，高聚物主要包裹在颗粒表面或填充于颗粒之间，使土体的抗剪强度明显增长。陈志昊等[5]使用聚氨酯型固化剂加聚丙烯纤维改良砂土，认为高分子固化剂与水反应形成固化膜包裹砂土颗粒以及纤维，形成一种稳定的空间网络膜结构，提高改良土的强度。刘瑾等[6-7]使用聚氨酯型固化剂改良砂土，得出结论改良砂土的黏聚力随固化剂含量和干密度的增大而增加。王银梅等[8-9]采用兰州大学研制的改性聚乙烯醇和水泥分别对黄土进行加固，得出高分子材料的性能更为优越。胡乾亮等[10]认为固化剂SH掺入后，黄土的液塑限、塑限指数均明显增大，但液限、塑性指数随掺量的增加先增后减,固化黄土持水特性强，水稳定性高。谌文武等[11]发现经SH渗透加固后的遗址土抗崩解能力大大提高，SH能够抑制水分向土体上部迁移。Kukal等[12]研究了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)浓度对天然土壤团聚体水稳定性的影响，认为PVA的水稳定性随着PVA用量的增加而提高，0.1%的PVA施用量即可以提高侵蚀地土壤的水稳定性。田晖等[13]采用扫描电镜分别对干湿和冻融循环后的试样进行检测，结果表明：干湿和冻融循环对土的微观结构有较大影响。叶万军等[14]认为干湿循环可使土体孔隙结构增大导致土体结构松散产生裂缝，颗粒间摩擦力及承载力降低。吴燕开等[15]认为干湿循环对于土体的劣化主要集中在前期，其中第一次干湿循环可使无侧限抗压强度下降50%。力乙鹏等[16]分析了无机类、离子类、有机类和生物酶类四种不同类别土壤固化剂的固化机理，认为有机类高分子固化剂具有良好应用前景。高分子聚合物固化土壤后，土壤的矿物成分未发生改变，聚合物有效填充了土颗粒间的孔隙，在土壤中形成了弹性立体丝网，使土体强度增加。陈学军等[17]、张涛等[18]认为生物质改良材料能够提高土体的整体结构性。王绪民等[19]认为改良材料沉积在颗粒接触处或填充在孔隙中形成“胶结桥”，产生胶结效果而增强试样的力学性能。

近年来，随着全球气候变暖的不断加剧，世界范围内恶劣天气尤其是暴雨天气频发。西藏地区林芝、波密、墨脱等地公路发生了多次由于强降雨天气引发的自然灾害，强降雨不仅侵蚀边坡浅层土体，同时也会抬升藏东南地区雅鲁藏布江、尼洋河、帕隆藏布江等多条河流的水位，加速河流对边坡土体的侵蚀，导致土壤失稳[20-21],严重影响了当地的交通情况和旅游发展，现以高分子聚合物改良剂聚乙烯醇为研究对象，通过干湿循环、浸水试验和无侧限抗压强度试验，研究聚乙烯醇掺量对黏土的改良效果以及在干湿循环及浸水试验下的水稳定性，利用扫描电镜研究聚乙烯醇改良黏土的固化机理。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验用土[图1(a)]取自西藏林芝市尼洋河畔比日神山，取土深度1.0～1.5 m，经过风干、粉碎、过筛后根据《土工试验方法标准》进行击实试验、颗粒分析、液塑限试验，其结果汇总于图2、表1。根据《土工试验方法标准》GB/T 50123—2019中对细粒土的分类，属于低液限黏土。

表1 黏土基本性质

图1 试验材料

图2 粒径曲线

采用聚乙烯醇(PVA)[图1(b)]作为低液限黏土的改良剂，该改良剂无毒且生态环保，对环境不会造成灾难性影响，可作为高原黏土改良固化的添加材料。聚乙烯醇为皖维PVA-20-99(H)，产品为白色絮状物，黏度34.0～42.0 mPa·s，醇解度98.5%～100%，挥发分5%，灰分0.5%，pH=5～7，不溶于冷水，溶于沸水，溶液黏度高，可与水稀释，脱水干燥后依旧不溶于冷水。

1.2 试验方案

1.2.1 试样制作

待取样土体风干后，过2 mm直径筛，依据击实试验所得素土最优含水率掺入聚乙烯醇溶液，试验方案见表2，掺加聚乙烯醇干物质为0.42%、0.83%、1.25%、1.67%，制样直径50 mm，高度100 mm。每种配比制备29个试样，每个试样设置1个平行试样，避免试验误差。试样制备完成后静置1 d，待含水率均匀后放入恒温恒湿养护箱进行养护7 d。养护龄期结束后取出试样，进行干湿循环试验、浸水试验和同龄期养护，每种配比取一个试样保留，用于后续的扫描电镜实验(scanning electron microscope，SEM)，其余试样使用图3所示三轴试验机进行无侧限压缩试验，加载速率为1 mm/min。

表2 试验方案

图3 试验用三轴试验机

1.2.2 干湿循环与浸水试验

干湿循环由饱和及风干两个过程构成，试样的饱和过程如下。

(1)在容器底部放置透水石后向容器加水至水面与透水石等高，将养护完成的试样置于透水石上。

(2)逐步加水至试样完全淹没在水中，在试样顶部放置透水石。

(3)每隔2 h向容器中添加一定量的水，保持容器中水位不变。

(4)饱和12 h后将试样取出进行称重。

风干过程如下。

(1)将浸水饱和后的试样放置于烘箱中，烘箱设置为40 ℃。

(2)风干过程中每隔4 h对试样进行称重，以确保含水率能够达到试验要求。

(3)当含水率与干湿循环前一致后，停止风干。

浸水试验不进行失水过程，浸水3、5、7、10 d后风干，以模拟比干湿循环更久浸水过程，风干后进行无侧限抗压强度试验。

2 结果分析

2.1 聚乙烯醇对无侧限抗压强度的影响

无侧限抗压强度如图4所示，其中素土7 d仅为160 kPa，随着聚乙烯醇掺加量从0增加至1.67%，改良土的无侧限抗压强度从160 kPa上升至1 003.31 kPa，这主要是因为聚乙烯醇的加入增加了黏聚力，聚乙烯醇形成的弹性立体丝网具有很高的抗拉强度，使改良土的无侧限抗压强度具有很大提高。当聚乙烯醇掺量为0.4%时，7 d无侧限抗压强度仅为254.65 kPa，提升不明显，是因为聚乙烯醇掺量少，无法形成完整的弹性立体丝网发挥强度，土样中水的润滑作用与土样自身性质为主要控制因素，随着聚乙烯醇加入量的上升，聚乙烯醇形成的网状结构逐渐完整，聚乙烯醇发挥的作用也越发明显，当掺加量从0.42%提高至0.83%时，试样7 d无侧限抗压强度为662.08 kPa，提升最明显，此时聚乙烯醇形成的网状结构已经开始起主要作用，而之后随着聚乙烯醇掺量的增加试样无侧限抗压强度增加量下降如图5所示。

图4 不同PVA掺量下应力应变曲线

图5 不同PVA掺量峰值强度

2.2 干湿循环对聚乙烯醇改良黏土的影响

在降雨频繁地区，路基边坡与山体边坡都会受到降雨的反复冲刷，经历多次干湿循环过程，干湿循环过程会带走土体中部分颗粒，改变土体稳定性，使土体出现失稳，试验中素土试样浸水即崩解。

不同PVA掺量下无侧限抗压强度随干湿循环次数变化如图6所示，可以看出，改良土在干湿循环中强度下降主要集中在第1次干湿循环，7 d养护后试样浸水12 h至饱和，而后经历40 h风干后，试样表面出现干缩裂缝，如图7(a)所示，在加载过程中沿细微裂缝出现明显破坏裂缝，如图7(b)所示，无侧限抗压强度出现明显降低，干缩裂缝是因为聚乙烯醇凝胶在干燥的过程中失水会导致体积的收缩，并且在收缩的过程中会紧贴于土颗粒表面，使土颗粒排列更紧密，这个过程中会使试样整体体积出现收缩，进而出现干缩裂缝，干缩裂缝的出现是试样无侧限抗压强度降低的主要原因，而第一次干湿循环后试样中土颗粒排列已经接近致密，干燥后的聚乙烯醇不会再次溶于水，会阻止干湿循环对土体的进一步劣化，土体因干湿循环造成的劣化进一步发展的趋势会变缓。

图6 干湿循环次数-无侧限抗压强度

图7 试验典型图片

2.3 干湿循环与浸水试验

1次干湿循环结束后，随着干湿循环次数的增加，改良土的无侧限抗压强度降低不明显，未改良素土试样浸水后崩解，而0.83%聚乙烯醇改良后浸水3个月不发生崩解，可以看出聚乙烯醇改良有效地抑制了浸水对改良土抗压强度的劣化作用，即聚乙烯醇改良黏土具有良好的水稳性。浸水试样的无侧限抗压强度如图8略低于干湿循环试样，由于养护7 d后试样中部分聚乙烯醇没有干燥发挥强度，仍然以凝胶的形式存在于试样中，浸水后以凝胶状态存在的聚乙烯醇仍然会吸水，导致试样重量持续增加，聚乙烯醇凝胶会通过孔隙溶于水，而干湿循环组试样经历第1次干湿循环后表层含水率很低，聚乙烯醇已经脱水形成包裹于土颗粒上的固化膜，会阻止水分进入土样内部，并且脱水形成的立体丝网结构会提供强度，导致干湿循环组试样比同时长的浸水组试样风干后强度高。

图8 浸水天数-无侧限抗压强度

2.4 水稳系数

采用相同试验条件下聚乙烯醇改良黏土干湿循环试件无侧限抗压强度与同龄期养护试件无侧限抗压强度的比值定义为水稳系数评价改良土水稳定性。

定义η=qt/qf为水稳定系数。其中，qt为聚乙烯醇改良土干湿循环试件无侧限抗压强度。qf为同龄期养护条件下不浸水试件无侧限抗压强度。

随着干湿循环的进行，聚乙烯醇改良土的水稳系数逐步下降如图9所示，原因有两点：一是干湿循环使土壤出现劣化使无侧限抗压强度下降，二是同龄期养护的试样强度仍有部分上升，使比值降低。干湿循环十次后水稳系数仍然有0.63左右，0.83%掺量的改良土无侧限抗压强度为490.08 kPa。

图9 PVA掺量0.83%下水稳系数

2.5 加固机理分析

为探究PVA改良后土体结构的变化，本文中选取素土和7 d龄期、PVA掺量0.83%下的试样，使用扫描电子显微镜对其进行微结构变化特征测试分析，如图10所示。从图10(a)中可以看出，未经PVA改良的素土试样土颗粒分明，颗粒之间具有明显的边界。图10(b)中PVA改良土中可以明显看出PVA形成的胶结作用填充了颗粒之间的缝隙并互相联接，图10(c)中可以看出单个颗粒表面有絮状物质包裹，PVA形成的网状结果均匀地分布于土颗粒之间且互相联接，限制土颗粒的移动，使土体形成稳定结构。

图10 SEM照片

3 结论

(1)聚乙烯醇可以有效提高黏土的无侧限抗压强度，随着掺加量的增加，改良土无侧限抗压强度越大，但无侧限抗压强度的增长趋势变缓，考虑经济因素，最佳掺量为强度增长最明显的0.83%，此时试样7 d无侧限抗压强度为662.08 kPa，为素土160 kPa的4倍以上。

(2)改良土具有良好的水稳性，在最优掺加量0.83%下，经历10次干湿循环，无侧限抗压强度为490.08 kPa，仍有7 d强度的74%，同龄期养护强度的63%，且经历1次干湿循环之后，后续的干湿循环对强度的影响不明显，试样重量也没有明显降低。

(3)若聚乙烯醇在土样中没有完全脱水干燥，没干燥的部分聚乙烯醇凝胶仍然会吸水溶解，导致试样强度降低。

(4)聚乙烯醇可以有效填充土颗粒之间的孔隙，形成不溶于水的网状结构，与土颗粒互相联接限制土颗粒的位移，以此增强土体的稳定性。