黄原胶复合掺砂黏性土抗裂性能及其机理研究

黄兰华，赵宁宁，戴承江，梅绪哲，刘 瑾*，王 梓

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311100)

黏性土作为载体被广泛应用于人类工程地质活动中。在干旱气候条件下，黏性土体干缩失水到达一定程度后，土体表面和内部就会发育大量纵横交错的干缩裂隙[1-2]。在黏粒含量较高的膨胀土中，这种现象尤其普遍和典型[3]，极大地弱化了土体的各项工程性质，影响建筑规划。此外，土体内部的裂隙为物质运移提供了路径，具体可表现为增大水土及养分的流失，加速地下污染物的运移及扩散等[4-6]。黏性土边坡开裂之后形成流水通道，降雨时雨水入渗，坡面更容易被冲刷失稳，进而诱发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害[7-9]。在极端气候现象频繁出现的当下及未来，土体开裂失稳的现象愈发值得重视，因此应对天然的黏性土加以改良，以期减少其裂隙发育，使之更好地满足工程建设要求。现如今，以石灰、水泥等材料加固土体从而遏制开裂的技术应用较为成熟，其带来的环境问题也相对严重。相比之下，许多新兴高分子材料克服了上述不足，在土体加固领域展现出独特优势。黄原胶作为一种生物高分子聚合物，环境友好且成本低廉，近年来被作为土壤改良添加剂得到广泛研究和使用[10-12]。黄原胶能够与黏粒作用，大大提高黏性土体的整体稳定性[10]，因此能够达成限制土体干缩开裂的目的。现下学界对于黄原胶复合黏性土的研究大多集中于土体强度及其力学性能，对于复合土体的干缩开裂及其机理有待作更进一步探究。

当前，针对黏性土体开裂及其机理研究，国内外多名学者基于不同温度、边界效应、土体厚度、水分蒸发、干湿循环等诸多试验条件展开探索并取得了较大的进展[13-17]。大部分试验皆采用无砂颗粒的黏土作为研究材料，而自然界中土体粒度分布不均，含有一定质量砂的混合土体十分常见。董薇等[18]对掺砂红黏土在干湿循环作用下的收缩开裂情况进行研究，发现红黏土的收缩性随掺砂率增大而降低，干湿循环作用下，掺砂土样表面裂隙的发展受到遏制。张虎元等[19]通过室内恒温干燥试验研究膨润土-石英砂混合物的干缩开裂特征，发现掺砂率大于 30%时，石英砂颗粒逐渐相互接触，土体的收缩及开裂受到抑制。除此之外对于掺砂黏土干缩开裂的研究较少，掺砂率对土体干缩裂隙的发育及其发展形式的影响等有着更深的研究价值。现阶段学界对于黄原胶复合砂-黏混合物的相关研究有限，Ni等[20]通过无侧限压缩强度试验探究黄原胶处理砂-黏混合物的力学性能，发现土体的最佳初始含水率随掺砂率的增加而减小，并总结了不同黏土类型的混合物中最佳黄原胶含量，但关于土体干缩开裂的研究留待补充，掺砂率对复合黏土抗裂性能的改良效果及机理仍需进一步探索。

本文基于上述背景与亟待解决的问题，探索黄原胶和砂粒含量对土体裂隙发育的影响，评价复合土体的抗裂性能，进而分析抗裂机理。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

本次室内试验的黏土样采用南京江宁地区下蜀土，自然状态下的土体呈黄褐色，如图1(a)。经干燥、粉碎后过2 mm筛备用，比重为2.71，塑液限分别为22%与36.6%，塑性指数为14.6。采用的黄原胶为某品牌黄原胶，呈白色粉末状，如图1(b)。试验采用的砂为南京江宁地区的砂土，如图1(c)，其粒径分布曲线如图2，物理参数如表1。

图1 黏土、黄原胶粉末与砂Fig.1 Clay, xanthan gum powder and sand

图2 砂土的粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of sand

表1 砂土物理参数Tab.1 Physical parameters of sand

1.2 试样方案

本文采用干燥试验研究黄原胶复合黏性土抗裂性能。采用制样容器为规格16 cm×16 cm×6 cm的试样盒，并将60目的砂纸以玻璃胶粘于容器底部，模拟自然条件下土体干缩开裂受到的摩擦效应的影响，同时为减少边界摩擦力造成的误差，将凡士林均匀涂抹在容器的四壁上。设定每份土体试样为800 g的总质量，50%的初始含水率(Iw)，计算公式如下：

(1)

式中：IW为试样的初始含水率，%；MW为所添加水的质量，g；MS为干黏土的质量，g。

本次试验样品分别控制质量分数为0%、0.05%、0.10%、0.15%、0.25%的黄原胶与素土混合；控制质量分数为0%、15%、30%、50%、70%的砂分别与素土、0.05%黄原胶黏土及0.15%黄原胶黏土混合。控制试样厚度为3 cm，样品加水搅拌均匀后缓慢地倒入试样盒中，振动3 min，排除搅拌过程中样品内部产生的密闭气泡，随后用配套塑料盒盖将试样盒密封，静置24 h使试样沉积稳定。试样稳定后取下容器盖，使其表面暴露于空气中，进行自然失水干燥，并按时拍照、称重，每两次称重的读数之差小于1 g时，标志为试样干燥完全。

2 试验结果与分析

2.1 黄原胶含量对黏土裂隙发育的影响

图3为不同黄原胶含量黏土干缩开裂过程。由于土体裂隙无法超出容器边界自由延伸发育，故为了减小边界限制造成的影响，本文所示试样照片均向中心等比例截取1 cm，选择各组中的特征图片进行展示。不同黄原胶含量的黏土初始状态基本一致，其中素土达到稳定状态时绽开多条主裂隙，衍生出数条次生裂隙与之呈近似直角相交，随着黄原胶含量的增加，土体整体上开裂减少，裂隙由宽变窄。

图3 黄原胶含量对黏土试样裂隙发育的影响Fig.3 Effect of xanthan gum content on crack development of clay sample

根据试验最终开裂图片，利用裂隙图像处理与定量分析系统[21-23]进行定量分析计算，得到不同黄原胶含量黏土的各项裂隙参数，如表2所示。其中分形维数反映了复杂形体占有空间的有效性，是复杂形体不规则性的量度。在当前的应用场景下，试样表面的分形维数越大，其复杂程度与不规则性也就越高。分析表2可知，随着黏土试样中黄原胶含量的增大，试样各项裂隙参数整体上呈递减趋势，及至含量为0.25%时通通减为0。可见，较高含量的黄原胶可以有效遏制黏土的裂隙发育，提高黏土的稳定性。

表2 不同黄原胶含量黏土试样的各项裂隙参数统计表Tab.2 Statistical table of various crack parameters of clay samples with different xanthan gum contents

总体而言，掺加黄原胶的黏土裂隙发育更少，张开度更小。这是由于随着黄原胶含量的增加，细小的土体颗粒与黄原胶分子形成基质胶结，抵抗土体本身因失水产生的张拉应力，维持土体结构稳定。当黄原胶含量较高时，多余的黄原胶粉末会吸附水分，形成高度粘滞的悬浮液，填补土壤颗粒之间的孔隙[24]。由表3可知，素土试样在1.5 h左右发生开裂，黄原胶复合土样产生裂隙的时间推迟甚至不开裂。如图4(a)所示不同黄原胶含量黏土含水率随时间变化曲线，随着黄原胶含量的增加，含水率-失水时间曲线变缓，曲线趋于水平的时间推迟。如图4(b)所示不同黄原胶含量黏土蒸发速率随时间的变化曲线，试样初始蒸发速率与黄原胶含量呈负相关，蒸发速率的下降逐渐变缓。可见，黄原胶能够阻碍黏土中水分的运移，具有一定的保水性，延缓了土体开裂。

图4 黄原胶含量对黏土试样蒸发的影响Fig.4 Effect of xanthan gum content on evaporation of clay sample

表3 不同黄原胶含量下黏土试样的始裂时间Tab.3 Initial cracking time of clay samples with different xanthan gum contents

2.2 掺砂率对不同黄原胶含量黏土裂隙发育的影响

图5为不同掺砂率下黄原胶黏土最终开裂情况。可见，随着掺砂率的增大，各黄原胶含量的土样干燥收缩范围减小，裂隙向窄小化方向发展，部分表层土体边缘向上卷曲变形，出现“煎饼效应”[2]，0.15%黄原胶含量且掺砂的试样始终不开裂。结合图像分析获得的裂隙参数(表4)可知，较低黄原胶含量下，掺砂率较低(0～30%)时，砂土对试样抗裂性能改善较小；随着掺砂率的增大，土体整体上的裂隙率、裂隙平均宽度及分形维数呈现出递减趋势。以上皆表明掺砂在一定程度上能够限制土样裂隙的发育，这是因为砂粒本身不具备收缩性质，颗粒较大的砂掺入后在颗粒较小的黏土集合体间形成较大孔隙，降低了土体颗粒间的毛细效应，减小了裂隙表面的张拉应力，抑制了其张大和延伸[19]，土块收缩范围随之减小，而各试样始裂时间也随掺砂率增大而推迟(表5)。其后随着黄原胶的加入，土体试样抵抗张拉应力的能力得到提高，裂隙发育被进一步抑制，至0.15%黄原胶含量时掺砂土样皆无裂隙产生。

图5 不同掺砂率下黄原胶黏土试样最终开裂情况Fig.5 Final cracking of xanthan gum clay sample under different sand contents

表4 不同掺砂率下黄原胶黏土试样的各项裂隙参数统计表Tab.4 Statistical table of various crack parameters of xanthan gum clay samples under different sand mixing rates

表5 不同掺砂率下黄原胶黏土的始裂时间(单位：h)Tab.5 Initial cracking time of xanthan gum clay under different sand mixing rates

3 机理分析

3.1 黄原胶影响黏土抗裂性能的机理

黏土颗粒因为双电层作用，其表面往往有一层结合水化膜附着，阻隔了颗粒间的直接接触，也为土体失水收缩提供空间。干燥失水过程中，黏土表面的自由水首先蒸发，土体下层的水分在毛细作用下运移至表层并产生基质吸力，孔隙半径因此减小，进而形成张拉应力场。当土体内部某处的张拉应力逐渐增大并超过抗拉强度时，便会引发拉裂破坏，形成“V”字形裂隙[2]。

本次制样采用的黏土已经粉碎研磨且过2 mm筛，因此无黄原胶未掺砂的素土试样可视为均质土体，粒间孔隙分布较均匀，水分自下而上运移的路径较短且规律。图6为黄原胶影响土体开裂的机理示意图，其掺入土体后与细小颗粒形成基质，胶结加固土体并填充粒间孔隙，阻塞了土体下层的水分向上运移补偿表层蒸发的通道，减少并延长了水分迁移路径，如图6(a)所示。黄原胶遇水形成高黏性的凝胶，包裹在土颗粒表面增强黏性，或在非接触的土颗粒间起到桥梁作用，加强颗粒间的相互连接，如图6(b)(c)所示。由于黏土颗粒表面存在着阳离子吸附，黄原胶分子链上的羟基(-OH)和羧基(-COOH)可以与之形成离子键桥联，进而牢固地吸附在颗粒表面胶结土颗粒[12]。可见，黄原胶的掺入降低了黏土的孔隙度，阻碍了水分蒸发，减小了土体表面张拉应力，同时增强了土颗粒间的联结能力，提高了土体的完整性，增强了土体的抗拉性能。随着黄原胶含量的提升，黄原胶与黏土颗粒的结合越发紧密，土体结构越发稳定，土体抗裂性能得到增强。

3.2 砂影响不同黄原胶含量黏土抗裂性能的机理

砂颗粒粒径远大于黏土颗粒，表面能较低且不具备收缩性，掺入土体后加速了刚性颗粒在干燥过程中的相互接触，导致了区块收缩范围的减小[19]。同时，砂的掺入改变了土体的内部结构，扰乱了原有的孔隙分布，在黏土集合体间形成较大孔隙，其孔径更甚于集合体间孔隙[25]，导致水分迁移路径变更，减缓了运移速率，推迟了土体产生开裂的时间(表5)。根据非饱和土力学理论，土体毛细水效应产生的基质吸力与孔径成反比，因此随着掺砂率的提高，土颗粒间孔隙增大，基质吸力减小，进而使得土体表面颗粒所受的张拉应力降低，遏制了裂纹扩展。

图6 黄原胶影响土体开裂的机理示意图Fig.6 Schematic diagram of mechanism of xanthan gum affecting soil cracking

图7为不同掺砂率下砂颗粒与土颗粒间的关系示意图。相关研究表明，在掺砂率不足30%的条件下，砂颗粒被黏土颗粒包围，相互之间难以接触，混合土体的基本特性主要由黏土控制，砂对土体干缩开裂的抑制作用不明显；掺砂率大于30%后，砂颗粒间相互靠近，易在土体间形成大孔隙，显著阻碍了裂隙进一步发展[19]，与前文图6及表4描述相符合。结合断裂力学理论，土体产生龟裂后，裂纹尖端出现应力集中和应力无穷大的奇异性现象，而随着蒸发的持续进行，基质吸力逐步增强，土体表面张拉应力增大，裂纹的应力强度因子达到其断裂韧度，随即发生失稳扩展[26-27]。通过对黏土-砂混合试样断裂韧度的测定，可以发现其随着掺砂率的增大呈现先升高后降低的趋势，约在掺砂率30%时达到峰值[28]。因此，砂的掺入增大了颗粒间的摩擦力，大大提高了土体的抗断裂能力[29]。土体掺砂率在大于30%后，还在持续增大，导致了颗粒间的基质吸力减小，裂纹的应力强度因子减小，裂隙纵向发育困难，宏观表现为其宽度及深度的减小。

图7 不同掺砂率下砂颗粒与土颗粒间的关系示意图Fig.7 Schematic diagram of the relationship between sand particles and soil particles under different sand mixing rates

如上文所述，将黄原胶掺入混合土体后，在掺砂率不超过30%的条件下，其加固机理与纯黏土类似，黄原胶聚合物与黏土颗粒直接相互作用形成稳定结构加固土体，遏制了裂隙的产生。掺砂率超过30%后，砂颗粒之间接触增多，黄原胶聚集覆盖在砂颗粒表面，增大了粒间接触面积，也在离散的砂颗粒之间建立了连接桥梁，如图8所示。与表面带电的黏土颗粒不同，砂颗粒表面呈电中性，黄原胶胶体紧密地包裹并缠绕在砂土颗粒之间，二者没有显著的相互作用产生[10]。随着蒸发的持续进行，黄原胶胶体中的水分不断挥发，形成网状膜，将松散的砂土颗粒固结成一个较为稳定的结构。混合物中的掺砂率越大，土体的固结作用也就越发明显。在此基础上，多余的黄原胶分子与含量较少的黏土颗粒相互作用形成基质，填补粒间孔隙，降低了土体的毛细作用及渗透性能，增强了粒间联结能力，提高了土体的完整性，增大了其表面强度，显著阻碍了裂隙发育。

图8 黄原胶胶结含砂黏土微观示意图Fig.8 Microscopic diagram of xanthan gum cemented sandy clay

4 结论

1)黄原胶的掺入能够延缓水分运移，提升土体的稳定性，有效减少土体开裂。随着黄原胶含量的增加，土体裂隙率、裂隙宽度、分形维数皆呈现递减趋势，试样初始蒸发速率减小，始裂时间推迟，蒸发速率的下降变缓。当黄原胶含量达到0.25%时，无裂隙产生。

2)较高的掺砂率对土体干缩开裂具有一定抑制效果，且与黄原胶的复合改良效果明显。由于砂粒的存在导致区块收缩范围减小，当掺砂率小于30%，试样裂隙参数受影响较小；当掺砂率逐渐增大，土体裂隙率、裂隙平均宽度及分形维数降低，裂隙发育受到抑制。

3)黄原胶在土体中与水和黏土颗粒反应形成胶体和基质，令土颗粒间的联结能力增强，土体的抗拉性能得到提升，同时降低了黏土的渗透性，延缓了水分蒸发，使得土体表面张拉应力减小。随着黄原胶含量的提升，土体抗裂性能增强，裂隙向窄小化方向发展。

4)砂粒掺入黏土中后，加速了刚性颗粒的相互接触，限制了土体的干燥收缩。同时土体内部孔隙及粒间摩擦力增大，水分运移速率和基质吸力降低，土体抵抗断裂的能力增加，裂隙向表层发展。掺入黄原胶后，胶体与砂土颗粒胶结固化形成稳定结构，增强了土体抗裂能力。抑制混合物干缩开裂的最低掺砂率为 30%。