阴离子聚丙烯酰胺改性压实黄土的力学特性研究

周 伟 洋，刘 建 坤，南 霁 云

(中山大学 土木工程学院，广东 珠海 519082)

0 引 言

湿陷性黄土遇水后易发生突然的沉陷变形，在工程中不宜直接采用，需要改良加固。湿陷性黄土的改良已开发出多种方法，如压实、注浆和化学改良等[1-3]。目前的化学改良法中，对水泥、粉煤灰、石灰等改良黄土的研究较多[4]，对高聚物改良黄土的研究则很少。高聚物因自身的分子特性，能够改变土壤的结构，具有广阔的应用前景。阴离子聚丙烯酰胺(APAM)是具有良好水溶性、吸附性和黏合性[5]的高聚物。众多研究表明，APAM能有效改良土壤，但目前相关研究基本集中在土壤结构调节和水稳性团聚体的改良[6-7]、水土保持[8-9]、土壤保肥增产[10-11]、盐渍土治理[12-13]等农业方面，对APAM改性土的工程力学性能的研究仍很少。同时，APAM常作为水泥土的外加剂，用以增强力学强度和降低脆性[14]，而水泥黄土作为最常见的湿陷性黄土改良方法之一，研究APAM对黄土力学特性的影响具有重要的意义。另外，由于路基的施工是分层压实的，改良剂与土壤混合后所产生的土壤结构的改善，经压实后会发生显著变化，而目前对化学改性土压实后的工程力学性能的研究很有限，故探究APAM改性黄土压实后的力学特性是有必要的。

由于APAM改良土壤的效果受APAM的分子量、土壤pH环境、土壤中金属离子的浓度、施用量和施用方式等因素影响[15]，同时CaCl2是APAM的常用外加剂，故选用CaCl2作为补充钙源和APAM固化土壤的促进剂。

本文对APAM改性黄土进行击实、固结、无侧限抗压强度等试验。主要研究改性黄土在压实后的力学特性，分析侧限条件下土样竖向变形随竖向荷载的变化规律，结合SEM图像对改性黄土和非改性黄土的微观形态进行了对比分析，以综合评价APAM改性黄土的工程力学性能。最终确定出相对合适的APAM掺入比，旨在为APAM改良黄土提供科学依据，也为APAM在路基改良方面的应用提供参考。

1 土样的基本物理性质

原状黄土的基本物理性质指标如表1所列。使用Malven Mastersizer 3000 激光粒度仪分析土样的粒径分布，采用湿散射法，分散剂为水，分散剂折射率1.330，散射模型为Mie，分析模型为通用模型，分析结果如图1所示。按照GB 50021-94《岩土工程勘察规范》划分粒组，其中黏粒(≤0.005 mm)占比为18.21%，粉粒(0.005～0.075 mm)占比为81.79%。

图1 黄土的粒度分布Fig.1 Grain size distribution of loess

使用扫描电镜的集成能量色散光谱(Energy dispersion spectrum，EDS)对试验黄土进行元素分析，结果如图2所示。含有金元素是由于制备试样需要喷金处理。从结果可知，试验黄土的钙成分含量很少，因此有必要补充钙源。

图2 黄土的能量色散光谱图像Fig.2 Image of EDS of loess

2 试验设计

2.1 改性土的制备

聚合物改良土壤有3种施用方式[16]。① 液施：聚合物先溶于水，再将溶液施入待改良土壤。② 混施：先将粉末状聚合物与土壤混合，再加入水。③ 表层干施：将粉末状聚合物撒于待改良土壤的表层，再加入水。表层干施时，后加入的水易使APAM首先相互积聚成团，减弱了APAM和土壤颗粒相互吸附，且仅能在土壤表层吸附，缺点明显，不采用。有研究表明[17]，采用液施的土壤其改良效果显著优于混施，能更有效控制土壤侵蚀。

原状黄土以粉粒为主，故选用300万分子量的APAM。APAM为液施，粉末状CaCl2为液施。两种添加方案为：只加APAM；同时加APAM和CaCl2(APAM+CaCl2)。试剂掺量用掺入比β表示：

(1)

式中：ma为改良剂的掺入质量，g；ms为素黄土的干质量，g。APAM的掺入比βAPAM分别为0.01%，0.03%和0.06%，对照组β=0。

2.2 试验方法

试验参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》和《土壤农业化学分析法》。

(1) 击实试验(干法)。① 根据βAPAM和目标含水率制备湿土料(含水率按规程要求的2%～3%递增)，闷料12 h；② 按照标准轻型Ⅰ-1类的要求击实土料；③ 从已击实土壤的上中下(三等分)3个位置的中心点取样测含水率，该组结果为3点的算术平均值(点间差值不超过1%)。

(2) 同一击实功下，黄土的无侧限抗压强度试验。① 根据已击实土体的实测含水率和干密度制备土料，压实制成无侧限抗压强度试样(直径39.1 mm，高80 mm)；② 在三轴压缩机中，以0.005 mm/s的恒定速率对试样单轴加荷至试样完全破坏。

(3) 固结试验。对于压实土体，用处于最优含水率状态的土体制样，比较同一击实功下APAM掺入比对压缩特性的影响；对于未压实的素黄土，采用现场取回的原状土制样。试验步骤如下：① 将固结环刀(内径60 mm，高20 mm)压入压实/原状土壤中，当环刀被完全压入后，将其上下表面小心修平；② 制得土样后，将土样置于气压固结仪中加载。试验的荷载梯度为50，100，200，400，800，1 600，3 200 kPa，判稳条件为每小时变形量不大于0.005 mm。

(4) 黄土浸出液导电率试验。水土比为5∶1，土样为100 g烘干黄土。试验步骤：① 将APAM和去离子水在烧杯中混合均匀；② 倒入土样并充分搅拌；③ 采用减压过滤法提取浸出液，在25 ℃下测定导电率。

(5) 采用韩国库塞姆(COXEM)EM-30AX扫描电子显微镜对不同改良剂和不同掺入比的压实黄土进行微观图像信息采集。

除了SEM观测，其余试验均设置3组平行试验(击实、无侧限抗压强度和固结试验的组间差值分别不超过1%，15%，1%)，最终结果为3组的算术平均值。

3 试验结果与分析

3.1 击实特性

图3为不同APAM掺入比下改性土的击实试验结果。对比对照组(DI)，改性土的ρdmax均有增长，增幅为2.19%～3.77%。随着掺入比从0%增加到0.06%，ρdmax在0.01%～0.03%范围内递增，在0.03%～0.06%范围内递减。这表明，在βAPAM=0.03%时较对照组的压实效果最好，APAM改良黄土击实特性存在施用阈值。研究认为，在湿陷性黄土中，APAM对土颗粒的吸附作用使土颗粒胶结在一起，是ρdmax增大的主要原因。ρdmax不随APAM掺量的增大而一直增大，原因是掺入量过大时，APAM分子链有部分自身缠绕成团，并在土粒表面形成“双层”吸附层[16]，从而不利于土体的压密。从图3还可观察出，改性土的击实曲线较DI组更加急陡，说明APAM改性土对含水率的敏感性有所提高。实际工程施工时，为达到设计要求的密实度，应严格控制预改性土的含水量。

图3 APAM掺入量对黄土击实特性的影响Fig.3 Effect of APAM contents on the compaction characteristics of loess

图4为黄土浸出液电导率随APAM掺入比的变化。浸出液的电导率随掺入比的增大而先减小后增大，在βAPAM=0.03%时达到最小值。导致试验结果可能原因是，溶于水后的APAM吸附了浸出液中的金属离子，使金属离子浓度降低，从而降低了溶液的含盐量，使电导率降低。谷晓岩等[18]推测APAM能降低土壤电导率的原因可能与氢键和配位基交换有关，并证实通过减少土壤溶液的含盐量来降低电导率是APAM对土壤电导率的作用机理。

由于土壤胶结是指土壤中的物质通过表面电荷和功能团的分子引力、静电引力、阳离子桥、氢键和化学键等方式联结起来，故APAM吸附土壤颗粒包含且主要是胶结作用，即APAM能增强土壤的胶结。导电率试验结果表明，湿陷性黄土中，βAPAM=0.03%时APAM对阳离子的吸附效果最好，即此时APAM增强土壤胶结的程度最大，这再次表明APAM的掺量不是越大越好。

图4 APAM掺入比对土样浸出液电导率的影响Fig.4 Effect of APAM incorporation ratio on the conductivity of loess sample leaching solution

3.2 无侧限抗压强度

压实功相同的条件下，试样的无侧限抗压强度(qu)如表2所列。经相同的压实功压实后，试样的掺入比和含水率是强度最主要的影响因素。图5为同一压实功下，APAM改性黄土含水率与无侧限抗压强度的关系曲线。由图可知，试样的含水率与qu呈近似抛物线关系[19]，则有：

qu=a+bw+cw2

(2)

式中：qu为土样的无侧限抗压强度，kPa；w为含水率，%；a、b、c为拟合参数。其中，a表示含水率为零条件下的qu值，c表示qu随含水率的变化速率，其绝对值越大说明qu增大或衰减越快。

试验结果表明：在最优含水率的干侧，土样的qu随含水率增加而缓慢增长，在最优含水率的湿侧则快速衰减。这是因为，在同一压实功下，当含水率较大且处于湿侧时，试样的干密度大幅降低，其刚度相应降低，且过多的水分会起到减小颗粒间摩擦、溶解胶结物质的作用，减小了试样的内聚力，故无侧限抗压强度快速减小。而在干侧，尽管土体的干密度不大，但土体的抗压强度不仅与干密度有关，还显著受到基质吸力的影响。有研究表明[20]：土体具有较高基质吸力时，其刚度和强度也较大。同一压实功下，在干侧的土体含水率低，但其基质吸力大，故强度大。

对比处于最优含水率的土样，与DI组相比，掺入0.01%，0.03%，0.06%的APAM后，土体qu的增幅分别达43.34%，61.17%，36.56%，均有较大的增长，改良效果良好。但也需要注意，掺入APAM后黄土对水的敏感性反而有所提高。

表2 同一压实功下土样的无侧限抗压强度试验结果Tab.2 Unconfined compressive strength test results of loess samples under the same compaction work

图5 APAM改性黄土无侧限抗压强度与含水率的关系Fig.5 Relationship between unconfined compressive strength and water content of loess modified with APAM

图6为3，8，13，18号试样的轴向应力-轴向应变曲线对比图。能看到，各试样破坏时的变形量差别不大，说明改性土的脆性基本一致。18号试样的含水率比其他试样都低，而破坏变形量比其他都高，说明APAM是有助于提升压实黄土的塑性，但由于掺入比不高，改变效果不明显。从击实特性和无侧限抗压强度两方面分析，0.03%是一个相对合适的掺入比。

图6 最优含水率状态下不同APAM掺入比黄土的 应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of loess with different incorporation ratios of APAM under optimal water content

3.3 同时添加APAM和CaCl2

前期测定了单掺CaCl2的改性压实黄土的相关力学特性。单掺APAM与单掺CaCl2的击实试验结果[21]对比如图7所示。同一击实功下，CaCl2改性黄土的ρdmax均大于APAM改性黄土，说明由CaCl2引起的土体额外胶结要强于APAM所引起的。在最优含水率上，APAM改性黄土总体上大于CaCl2改性黄土，只有βCaCl2=2%的最优含水率稍大于βAPAM=0.03%的最优含水率。

图7 两类改性黄土的击实效果对比Fig.7 Comparison on compaction effect of two types of modified loess

根据单掺CaCl2的研究结果[21]，βCaCl2在2%～10%范围内，改性黄土的qu随βCaCl2的增大而减小，且在βCaCl2=2%时，qu=82.87 kPa，低于对照组。即尽管CaCl2增强了土体的胶结，但对qu却是削弱的。因此，CaCl2的掺入量不宜过多。基于力学强度考量，βCaCl2=2%是3个CaCl2掺入比中改良效果相对较好的。试验结果表明：在压实程度上，CaCl2改性黄土表现优于APAM改性黄土；在力学强度方面则相反。

由于APAM对土壤的改良主要是通过土壤与聚合物的相互吸附来实现，而APAM与土颗粒表面的电荷相同，本应与土颗粒相斥，但它能通过阳离子桥的作用与土壤相结合。土壤中的二价阳离子(如Ca2+)可以分别结合土壤颗粒表面和APAM分子的负相，形成阳离子桥，即APAM-Ca2+-土壤颗粒，从而增强土颗粒与APAM的相互吸附[22]。所以可考虑同时添加APAM和CaCl2，掺入比分别为0.03%和2%。

图8为三类改性黄土的击实曲线对比。表3为不同掺入比的改性黄土的最优含水率和最大干密度。结果显示：同时掺入APAM和CaCl2比只加一种试剂时具有更大的最大干密度，表明具有更好的吸附和胶结效果；其击实曲线没有只加一种试剂时那么急陡，说明改性黄土对水的敏感性有所降低。

图8 三类改性黄土击实曲线对比Fig.8 Comparison of compaction curves of three types of modified loess

对2% CaCl2，0.03% APAM，2% CaCl2+0.03% APAM这三类改性黄土，取处于最优含水率状态的压实土(压实功相同)进行无侧限抗压强度试验，结果如表4所列。试验结果显示：CaCl2+APAM改性的黄土的qu比只加一种改良剂的都要高，较DI组的增幅达到85.33%，力学强度增长显著。表明同时掺入CaCl2和APAM既能弥补单掺CaCl2时力学强度的不足，也能进一步提高土体的最大干密度，最优含水率也有一定程度的减小，改良效果达到预期。由CaCl2胶结形成的土团聚体具有较大的胶结强度，土体比较致密，但力学强度一般。由APAM胶结形成的土团聚体有较好的稳定性且力学强度有较大程度的提高，但孔隙较大。两者同时掺入，既能很好地发挥各自的优点，也能一定程度上弥补单一改良剂的不足，且能通过桥键作用进一步增强土体的胶结作用。

表3 不同掺比的改性黄土的最优含水率和最大干密度Tab.3 Optimal water content and maximum dry density of modified loess with different incorporation ratios

表4 三类改性黄土的无侧限抗压强度对比Tab.4 Comparison on unconfined compressive strength of three types of modified loess

3.4 固结和修正压缩比

图9(a)为未压实素黄土(原状土)和压实黄土的压缩曲线。图9(b)为(a)的局部放大图。可知，相比未压实土体，压实土体的孔隙比和压缩性均大幅度减小，都随初始干密度的增大而降低。压实土的孔隙比随竖向应力的变化呈现明显的非线性，而未压实土孔隙比的变化则非常接近线性。这表明，压实后土骨架在竖向应力下的稳定性和抗压缩性均有显著提升。试样DI，0.01%APAM，0.03%APAM，0.06%APAM，0.03% APAM+2% CaCl2在固结前后的孔隙比变化量分别为0.116 9，0.086 9，0.070 8，0.073 0，0.067 8，由于试样是经同一击实功压实的，而孔隙比变化量越小说明土骨架在竖向应力下的稳定性越强，这就再次证明改良剂的掺入增强了土体的胶结作用，提升了土体结构的抗压缩稳定性。

图9 压缩曲线Fig.9 Compression curves

定义修正压缩比为

(3)

式中：Rm为修正压缩比，Ht和H0分别是压实土样和没击压素黄土在竖向应力作用下的稳定总变形量。竖向应力的范围为50～3 200 kPa。

图10为相同击实功下，处于最优含水率状态的改性压实黄土的修正压缩比。修正压缩比是为了比较在一定的竖向应力下，改性压实黄土相较于未压实素黄土的应变水平，用以表征改性压实黄土在竖向应力作用下的土骨架稳定程度。在βAPAM=0.01%时，土样的修正压缩比变化量最大；在掺入0.03%APAM+2%CaCl2时，土样的修正压缩比变化量最小，说明此掺入比下土体对竖向应力的敏感程度较低，土骨架稳定性较高。βAPAM=0.01%时，修正压缩比的偏离程度最大，原因是APAM在改性黄土中首先且主要起吸附土壤颗粒的作用，而APAM的掺入量过小，只有很少的APAM用于填充改性土的孔隙，宏观表现为具有较高的压缩性。建议今后在更多不同的APAM掺入比条件下进行试验，以更加系统地研究APAM改性下修正压缩比与竖向应力之间的关系。通过数据集拟合的趋势线的公式为

Rm=0.21268(1-σ-0.28591)

(4)

式中：σ为竖向应力，kPa。该式可用于预测在一定竖向应力下APAM改性压实黄土的修正压缩比。虽然拟合关系中存在偏离较大的散点，但随着竖向应力的增大，修正压缩比总体上呈收敛趋势。

图10 改性黄土的修正压缩比Fig.10 Modified compression ratio of modified loess

3.5 微观分析

图11是经同一击实功压实后，处于最优含水率下的压实土放大500倍的微观图片。图11(a)中的土团聚体直径较小且零碎，具有明显的边界和棱角，团聚体之间基本没有相互连结，存在超大孔隙，故其最大干密度较小。有研究表明[23]，土团粒间形成的超过100 μm的超大孔隙稳定性较差，因此压实素黄土宏观表现为强度较低，力学性能一般。

通过图11(b)，(c)与(a)的对比可知，添加0.01%APAM后，土体微观形态变化显著，出现了较多黏性的小土团粒。但由于此时掺入量小，土团粒之间大部分仍是无黏结接触，或者是黏结接触但黏结力很小，宏观表现为力学强度有一定程度提升。随着APAM掺入量的增大，能观察到土团粒之间的孔隙明显变小，土团粒相互被黏结起来积聚成大的土团聚体，土团聚体排列逐渐紧密，土体结构逐渐紧凑。同时，土团聚体之间的有效接触面积增加，接触方式由以点为主变成以面为主，且APAM也具有一定的孔隙填充作用，最后形成较为致密、稳定的土体结构，使土体的无侧限抗压强度有较大程度的提高。

图11 不同掺入比改性黄土的500倍扫描电镜图Fig.11 500 times SEM images of modified loess with different incorporation ratios

对比图11(b)，(c)和(d)可看到，随着APAM掺入量的增大，土体变成了类似黏性土的层片状堆叠形态，土团粒间是明显的胶结状态，但由于高APAM掺量不利于土体压密，因此图11(d)的孔隙总体上比图11(c)大。另外，图11(b)，(c)和(d)在土团聚体直径、孔隙大小、团聚体之间的紧密程度上均比较接近，宏观表现为3个掺入比下土体的最大干密度和力学强度比较接近。图11(e)中，因Ca2+能促进土颗粒和APAM的相互吸附，所以同时加入CaCl2和APAM之后，土体的微观结构相对素黄土和只加APAM的土体而言更加密实，土团聚体直径更大，孔隙更小，宏观表现出更好的力学性能。

4 结 论

(1) 随着APAM掺入量的增大，改性黄土的最大干密度和无侧限抗压强度先增大后减小，最优含水率先减小后增大。APAM改性黄土的无侧限抗压强度一般随含水率的增大而减小。

(2) 在一定的掺入量范围内，APAM能增强黄土的胶结作用。从击实和无侧限抗压强度的试验结果可看出，APAM对湿陷性黄土的改良效果存在阈值，0.03%是一个比较合适的掺入比。

(3) 同时掺入APAM和CaCl2的土体比只添加其中一种的具有更高的最大干密度和无侧限抗压强度，同时最优含水率更小，对含水率的敏感程度有所降低。黄土中的CaCl2能够促进APAM和土颗粒的相互吸附，进一步增强土体的胶结作用。黄土中同时掺入APAM和CaCl2的改良效果优于单独掺入APAM或CaCl2。

(4) APAM处理后，最大干密度较大的土体，其修正压缩比较低，对竖向应力的敏感性较低。对改性黄土建立了竖向应力与修正压缩比之间的关系，修正压缩比一般随竖向应力的增大而趋于某一界限值。