超疏水材料改良黄土的宏微观抗渗机制研究

何玉琪,廖红建,倪诗雨,牛波

(西安交通大学人居环境与建筑工程学院,710049,西安)

天然黄土呈现高强度性和低压缩性,遇水之后,结构快速破坏,强度急剧下降,并发生大幅变形[1-2]。黄土因其结构特殊所具有的水力敏感性会导致以湿陷性为代表的多种地质灾害,而湿陷性的发展由黄土的渗透性直接影响[3],因此,改善黄土的抗渗性并提升其遇水后的稳定性,对防治黄土地质灾害具有重要意义。

影响土体渗透性的因素可概括为两类:一是土体的力学因素,例如粒径、形状、孔隙、几何排列等,这类因素会直接影响渗流通道的尺寸和渗流路径的曲折程度;二是土体的物理-化学因素,例如土颗粒的分散或团聚程度,这类因素会影响土体内部的微小渗流通道和主渗流通道数[4]。针对以上特点,目前国内外多采用机械加固法和添加材料改良法对土体进行抗渗处理。

常用的机械加固法为灌浆法和夯实法,灌浆使得土体内部的裂缝和大孔隙被水泥等材料填充,夯实降低了土的压缩性,提升了其密实度[5]。添加材料改良法是在土体中加入一定的物理化学材料,使土体与这些材料发生物理或化学反应,造成土体的团聚状态、孔隙分布、渗流通道等发生变化。传统添加材料有石灰、水泥、膨润土、赤泥、固化剂、化学溶液以及几种材料的混合体等[6]。研究表明,土体经过改良后,其抗渗性会得到一定程度的改善,但改良侧重点与改良程度不同,例如石灰、水泥等材料侧重于对土体强度的改良[7],对抗渗性改良能力不强,仅提升1个数量级左右。膨润土、赤泥等对抗渗性改良效果较好,但是要求掺量(本文均指质量分数)较高,一般在10%左右[8]。固化剂改良后土体的最大干密度增大,最优含水量小,相比于石灰改良土,具有更好的抗渗性[9]。在土体中加入酸性溶液后,土骨架的连接方式会发生改变,造成土体大孔隙消散,小孔隙增多,使得有效渗流孔隙减小[10]。使用混合材料,例如二灰土、聚丙烯纤维与水泥混合土、偏高岭土和石灰混合土等对土体改良时[11],对抗渗性的提升能力往往大于一种材料的改良效果。

传统添加材料对土体抗渗性的改善能力并不出众,此外,使用固化剂和化学试剂对土体改良不符合绿色发展理念。近年来,人们开始采用纳米级材料、绿色材料、微生物加固技术等对土体抗渗性进行改良。Ng等[12]选用纳米氧化铜粉末对黏土进行改良,结果表明,经改良后的黏土部分孔隙会被纳米材料堵塞,最大孔径减少20%,水力传导率降低30%左右。刘钊钊等[13]的研究证明木质素可有效改善土体的抗崩解性和持水特性,但是木质素掺量过高则会降低土体强度,并削弱水稳性[14]。微生物加固技术具有环境友好,可持续性强的特点[15],对裂隙岩体抗渗性的改良效果可达80%[16]。此外,由于含水状态可对岩土体特性产生较大影响[17-19],故也有研究利用有机硅烷等疏水性材料对土体渗透性进行改良,如将有机硅烷加入高岭土后[20-21],会使颗粒级配发生变化,粒间黏附性变强,吸水性能降低。在此基础上,Saulick等[22]首先将砂子硅烷化改变它们的表面化学性质,然后将二氧化硅粉混合黏附到砂子上改变它们的疏水性,结果表明,混合后砂土的土-水接触角可增加10%～20%。利用材料疏水性对土体进行改良的方法在金属土及粗粒土中有一定研究,但是在黄土中还鲜见应用,且其宏微观改良机制也未进行深入探讨。

针对提高黄土抗渗性的必要性和传统改良材料的不足,本文首次采用一种有机硅憎水粉末疏水材料对黄土进行改良,定量分析疏水材料对黄土抗渗性的改良效果,测定疏水材料最优配比,并从宏观表面接触特性和微观结构变化的角度揭示改良机制。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

选用的有机硅憎水粉末疏水材料为Dow Corning SHP 60+(Silicone Hydrophobic Powder 60+),以下简称为SHP。该材料成本低,耐久性强,其主要成分为硅氧烷树脂,外表为一种粒径极小可自由流动的白色粉末。相比于其他改良材料,SHP的优势在于易与土体等颗粒材料混合,绿色无污染,且具有出色的分散性和可加工性,材料中精细分散的硅基活性物质提供了良好的储存稳定性和活性成分,遇水之后可快速释放,发挥其强大的疏水能力。

本文的试验用土为陕西省延安市桃花山Q3黄土,地理位置为东经109.29°,北纬36.39°,取样深度为3 m。采用密度计法测得小于某粒径土的颗粒粒径分布特性,结果如图1所示,黄土物理性质指标见表1。

表1 黄土物理性质指标

1.2 试验方案

1.2.1 三轴渗透试验

首先将取来的黄土样碾碎烘干并过1 mm标准筛后,配置SHP掺量(本文均指质量分数)分别为0%、0.5%、1%、2%、3%的试样土,充分搅拌振动;待SHP与黄土混合均匀后,喷洒一定的水,再次充分拌合,控制土样含水率为15%左右;然后将土样用塑料膜密封,放置48 h后取出;最后利用制样器将土样分两层压制成干密度为1.50 g/cm3、高度为80 mm、直径为39.1 mm的圆柱三轴试样,并放入饱和缸中进行初步饱和。

将初步饱和好的试样放入三轴压力室中依次进行反压饱和与固结,固结完成后,开始三轴渗透试验。固结围压分别为50、100、200 kPa,渗透围压均为100 kPa。渗流持续时间为130 h,每间隔10 h采集一次数据,并依据《土工试验规程》(SL237—1999)[23]求出渗透系数。

1.2.2 土水接触角试验

进一步开展SHP改良黄土的土-水接触角试验[24],利用接触角计算改良黄土的表面自由能,从表面接触特性的角度探究SHP改良黄土抗渗性的机制。

利用光学接触角测量仪器,采用二滴法测量SHP改良黄土的土-水接触角(前进接触角),滴定液体采用极性液体水和色散液体二碘甲烷。SHP质量分数分别设为0%、1%、3%、5%、10%、15%、20%。需注意的是,SHP掺量与三轴渗透试验SHP掺量并不一致,其原因是测量接触角时水滴与试样接触部分面积极小,若依旧采用小比例SHP掺量,试验效果并不理想。试样在测量前经过压片,并保证所有试样孔隙比、含水量、干密度一致,室温控制在20 ℃,共进行3组平行试验,最终土-水接触角取其平均值。

下面说明SHP改良黄土表面能的计算方法。若考虑土体分子间色散力和极性力的作用,则土体的总表面能可以表示为

(1)

(2)

表2 20 ℃时水和二碘甲烷的表面能参数

1.2.3 SEM试验

开展扫描电镜(SEM)试验,从微观结构变化的角度研究SHP改良黄土抗渗性的机制。所用试样取自渗透试验之前以及渗透试验结束后的三轴土样,在每个三轴土样的中心位置切下1 cm×1 cm×0.5 cm的小块,表面镀金后进行电镜扫描。本文共制作了24个SEM试样,分别为:渗流前SHP掺量分别为0%和2%的SEM试样,每组制备3个平行试样,共6个试样;50 kPa和200 kPa固结围压下渗流后,SHP掺量分别为0%、2%、3%下的SEM试样,每组制备3个平行试样,共18个试样。然后对这24个试样进行不同放大倍数、不同区域位置的多次扫描观测,从中筛选观测结果较为明显、具有代表性的结果进行分析,着重分析渗流前后和改良前后土体的胶结方式、孔隙分布、渗流通道等变化情况。

2 试验结果分析

2.1 SHP改良黄土的渗透系数

2.1.1 渗透时间的影响

图2为未加SHP时黄土渗透系数与时间的关系,图中σc代表固结围压,R2为拟合曲线的决定系数。结果表明,渗透系数会随着渗透时间逐渐减小至稳定,与渗透时间符合幂函数关系。这是因为在渗透压力的作用下,试样内部的胶结团聚体不断解体,土颗粒间黏聚力不断损失,小颗粒土脱离团聚体,然后随渗流水慢慢运移,逐渐堵塞渗流通道,使得渗透系数减小。渗流初期有效渗流通道较多,小土颗粒运移频繁,可快速流入大孔隙内,造成有效渗流通道大幅度减少,故渗透系数快速衰减。渗透后期小土颗粒运移速率大大降低,有效渗流通道逐步减少至极限值,故渗透系数逐渐趋于稳定。

图3为SHP改良黄土渗透系数与时间的关系,结果表明,加入SHP后,同等级围压下土体渗透系数明显减小,但是渗透系数随时间变化的整体规律不变。根据长期渗流条件下渗透系数不断衰减的特点,结合1.50 g/cm3干密度、不同围压条件下的三轴渗透试验渗透系数随时间的变化规律,可以拟合得到渗透系数与渗透时间的关系式

k=k0t-b

(3)

式中:k为初始渗透系数;b为衰减系数,均可通过试验拟合得到;t为渗透时间。

图2和图3的高精度拟合结果表明,式(3)可以较好地反映渗透系数与渗流时间的关系,即只要确定了试样的初始渗透系数和衰减系数,便可预测不同固结围压下,任意时刻改良黄土对应的渗透系数。

2.1.2 SHP掺量的影响

采用渗透系数的平均值来定量描述SHP掺量对渗透性的影响,计算公式如下

(4)

式中:ka为平均渗透系数;n为数据点数。因每10 h记录一次数据,故共计n=13个数据点,ki代表第i×10 h所对应的渗透系数。

图4为不同固结围压下,平均渗透系数与SHP掺量的关系曲线。以50 kPa围压为例分析,未加SHP时黄土的平均渗透系数为0.12 cm/h,加入掺量为0.5%、1%、2%、3%的SHP后,平均渗透系数依次减小约73%、95%、98%、98%,具体试验数据见表3。可见SHP对黄土渗透性产生了显著影响,当SHP掺量小于1%时,随着SHP掺量的提升,土体渗透系数呈现近似线性衰减的变化趋势,但是当SHP掺量大于1%后,继续添加SHP,土体的渗透系数不再发生较大幅度减小,而是逐渐趋于稳定,说明SHP添加量存在一个最优配比1%～2%。

表3 不同SHP掺量改良黄土的平均渗透系数

2.1.3 固结围压的影响

根据试样固结后的排水量可以计算出土体在不同固结围压下的孔隙比,进而得到土体渗透系数随固结围压和孔隙比演化的三维视图,如图5所示。结果表明,随着围压的升高,试样受到的外力增大,一方面,会改变试样内部的微观结构,即土体中的弱胶结被压坏,土颗粒骨架被压缩,造成土体孔隙收缩,孔隙比减小,渗流通道数降低;另一方面,围压的升高会减小有效渗流压力,使得单位时间内通过土体的水流量减小,导致渗透系数明显降低。

2.2 SHP改良黄土的土水接触特性

图6(a)和图6(b)分别为某一组试验时,掺入SHP前后土体的土-水接触角测量结果。结果表明,未加SHP时黄土的土-水接触角为25.5°,此时水滴在黄土试样上会被土体瞬间吸收,并不会滞留在土体表面。掺入10%的SHP后,土体的土-水接触角增加至122.1°,此时水滴在土体表面后,并不会瞬间被土体吸收,而是缓慢渗入土体,说明了SHP可对土-水接触角产生显著影响。此外,根据试验现象,发现当接触角小于90°时,水渗入土体的速度相对快一些,当接触角超过90°时,水滴在土表面会滞留较长时间,入渗速率肉眼难以观测。

图7(a)和图7(b)分别为土-水接触角和土-二碘甲烷接触角随SHP掺量的整体变化曲线,其中试验点为3组数据平均值,误差棒表示±标准差。结果表明,未加SHP时,土-水接触角和土-二碘甲烷接触角最小,θw=27.6°和θd=31.8°,添加SHP后,二者均呈现出非线性增加趋势,当SHP掺量低于10%时,固-液接触角会随着SHP掺量的增加显著增大,但是当SHP掺量超过10%后,固-液接触角的增加趋势逐渐变缓,并趋于稳定,该结论与研究结果[26]一致。本研究中土-水接触角稳定在133°左右,土-二碘甲烷接触角稳定在78°左右。

图8为改良土体表面能随SHP掺量的变化曲线,由图8可知,未加SHP时,土体表面能最大,为71.8 mN/m,当SHP掺量低于10%时,土体表面能随SHP掺量的增加快速减小,当SHP掺量达到10%以上时,表面能则不再继续衰减,而是基本稳定于21 mN/m左右。图9为土体表面能随着固-液接触角变化的曲线,结果表明,土体表面能与土-水接触角和土-二碘甲烷接触角均呈现线性变化关系,随着固-液接触角的增大,土体表面的自由能逐渐减小,渗透性不断降低,疏水性能变得更加优异。

2.3 SHP改良黄土的微观结构

图10为渗流前2%SHP改良土的微观结构,此时尚未发生渗流,可以明显观测到SHP颗粒会附着到部分黄土颗粒表面,对原有的黄土颗粒进行了包裹。一方面,更为细小的SHP颗粒会落在黄土颗粒接触之间的间隙中,起到黏结作用,使得黄土中原有的一些粒间接触转变为胶结接触,并将黄土中的一些小颗粒黏聚成团;另一方面,SHP颗粒会填充到部分较大的孔隙中,导致黄土的孔隙率初步下降,渗流通道曲折度增加。

图11给出了50 kPa围压渗流后黄土的微观结构视图,其中图11(a)、图11(b)为未加入SHP时的视图,此时可以观测到多个明显小孔隙,孔隙率较大,且颗粒之间存在明显棱角,渗流通道较多,在渗流压力的作用下,水会沿此通道渗流。图11(c)、图11(d)对应为加入SHP后的视图,相比于渗透前,可观测到的SHP颗粒减少,但是土颗粒之间的排列更为紧密,说明SHP在渗流压力的作用下进一步填充到了黄土的孔隙中,与黄土颗粒紧密结合,导致孔隙率进一步减小。此外,土体颗粒的棱角变得更模糊,在其表面还可观测到一层胶结物质,说明SHP遇水后发生了一定的化学反应,会在土体表面形成一层疏水性的保护膜,对土颗粒产生更强的包裹作用,导致在同等渗透压力下,水的渗流更为困难,从而造成有效渗流通道减少,渗透系数降低。

3 改良机制探讨

结合上述土-水接触角试验和SEM试验,从SHP颗粒与土体的表面接触特性,以及黄土内部微观结构变化的角度探讨SHP对黄土抗渗性的改良机制。

3.1 表面接触特性

图12和图13分别为SHP的微观结构图和化学结构图。从物理形态来分析,SHP为微米级的棱角颗粒,加入土体后,一部分细小颗粒会附着于黄土表面,造成黄土表面凹凸不平,表面粗糙度增加,水滴到黄土表面后,有一些空气会滞留在水滴与黄土表面之间的凹槽中,形成一层空气薄膜,阻碍了水与黄土的直接接触,导致水滴大部分与空气薄膜接触,与土体表面直接接触的面积反而大大减小,从而造成土-水接触角增大,土体表面自由能减小,疏水性能变强,渗透系数减小。土-水接触示意图如图14所示。

从化学成分来分析,有机硅树脂是通过控制硅烷的水解和缩合反应生产的,其主链是一条由硅原子和氧原子集体组成的稳定骨架,侧链通过硅原子与有机R基相连。有机硅树脂中存在一定的硅氢键,遇水后硅氢键水解成硅醇基,硅醇基的化学性质十分活泼,它与天然存在于土体中,以及水解作用生成的游离羟基发生化学反应,两个分子间通过缩水作用而使化学键连接起来,使黄土的表面上形成一个具有拒水效能的烃基。同时R基为甲基、乙基等长链烷基,具有一定的憎水性,环绕在硅氧键外部,增加了膜层的厚度,有利于憎水膜中相邻烷基的聚集作用,更能充分发挥相邻烷基之间的疏水作用,使水分子向膜层内部扩散困难,从而提高其疏水性能。

3.2 内部结构特性

结合SEM试验结果可知,在黄土中加入一定量的SHP后,黄土的微观结构共发生了3种变化:①SHP成分中包含有树脂,具有一定的黏附性,与黄土混合后,许多SHP颗粒会附着于黄土表面,对黄土颗粒经行包裹,使得黄土表面的小孔隙减少;②由于SHP材料中的黏粒含量要多余黄土中的黏粒含量,故与黄土混合后,SHP中的一些细小黏粒会落在黄土颗粒与颗粒接触之间的小间隙中,并逐渐形成胶结,促使临近的黄土颗粒不断团聚,最终形成较大的团聚体;③SHP中的更小颗粒会填充于黄土较大的孔隙中,造成黄土中的大孔隙数减小,大渗流通道减少,且渗流通道曲折度增加。3种微观结构示意图如图15所示。

4 结 论

本文利用一种有机硅憎水粉末疏水材料对黄土抗渗性进行改良,从宏观表面接触特性和微观结构特性角度对其抗渗机制进行深入解释,主要研究结论如下:

(1)在黄土中掺入少量疏水材料便可显著降低黄土的渗透系数。黄土渗透系数随着疏水材料掺量的增加先快速减小,后趋于稳定,最优疏水材料掺量为1%～2%,此时饱和黄土渗透系数下降达到90%以上。

(2)疏水材料改良黄土的渗透系数随固结围压的升高而降低,此外,随渗透时间的增加,改良土的渗透系数逐渐减小至稳定,二者符合幂函数关系。

(3)疏水材料改良黄土抗渗性的宏微观机制主要包含两方面:一是宏观表面接触特性的改变,即疏水材料增加了黄土表面的粗糙度,同时在疏水基的拒水效应下,土-水接触角变大,表面自由能减小;二是微观结构的改变,疏水材料可以附着于黄土表面,并填充黄土中的大孔隙,使得黄土孔隙比降低,同时疏水材料具有增强黄土粒间胶结的作用,可以使小颗粒土团聚成块,导致黄土中大的渗流通道被堵塞,小的渗流通道曲折度增加,抗渗性得到改善。