生物聚合物对高含水量淤泥压缩渗透特性的影响

邬文昊,孙宏磊,翁振奇

(1.浙江大学 建筑工程学院,杭州 310058;2.浙江工业大学 土木工程学院,杭州 310014)

滨海地区存在大量淤泥质土,存在含水量高、强度低等特点[1]。目前,常用水泥、石灰等改善高含水量淤泥的工程特性[2-3],但是在水泥生产以及淤泥处理过程中存在环境污染、资源消耗大等诸多问题[4-5]。因此,有学者尝试采用绿色环保的新型材料来改良高含水量淤泥[6-9]。

生物聚合物是由生物体如藻类、真菌或细菌产生的可降解多糖聚合物[10]。近年来,一些研究者对生物聚合物在岩土工程领域的应用进行了探究。Dehghan等[11]用黄原胶和瓜尔胶处理含水量为14%的湿陷性土,结果表明,生物聚合物改善了力学性能并降低了湿陷性土的最大干密度和渗透性。Soldo等[12]研究了黄原胶、β-1,3/1,6葡聚糖、瓜尔胶、壳聚糖和海藻酸盐5种生物聚合物对含水量为16.5%的粉土强度的影响,研究表明,生物聚合物处理过的粉土具有更高的强度,并且在大气条件下具有更强的干湿耐久性。Latifi等[13]用黄原胶处理了含水量为38%的膨润土和19.5%的高岭石,并以强度和压缩性为标准得到其最优掺量分别为1%和1.5%。Chang等[14]通过室内试验研究了结冷胶对含水量低于65%的砂质黏土的加固性能的影响,发现结冷胶强化土体力学性能的原因主要是引起细颗粒的聚集以及细颗粒与粗颗粒的连接。Bozyigit等[15]用黄原胶和瓜尔胶处理含水量40%以下的高岭土,结果表明,在含水量为25%、掺量为2%时土样无侧限抗压强度最大。与纯黏土相比,添加黄原胶的土样强度提高了5.23倍,添加瓜尔胶的土样强度提高了8.53倍。上述研究表明,生物聚合物作为一种环境友好型材料可以有效改善土体的力学性质。为了评估生物聚合物改性淤泥在实际工程中的应用前景,需要对生物聚合物对高含水量淤泥压缩性和渗透性影响做深入研究,且目前国内外关于这方面的研究较少。

鉴于此,采用一维固结渗透试验研究了黄原胶、海藻酸钠和阳离子瓜尔胶处理的高含水量淤泥压缩指数、结构屈服应力、渗透系数等参数随掺量的变化规律,采用扫描电镜(SEM)试验和压汞(MIP)试验分析了改性淤泥微观孔隙特征与孔隙分布规律,并从生物聚合物和黏土颗粒间相互作用的角度,揭示生物聚合物对高含水量淤泥压缩特性和渗透特性影响的内在机制。

1 试 验

1.1 试验材料

黄原胶是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸组成的多糖类高分子化合物[16]。海藻酸钠是由1,4聚-β-D-甘露糖醛酸和α-L-古罗糖醛酸组成的一种线型聚合物[17]。阳离子瓜尔胶是对瓜尔胶进行氨基化阳离子改性得到的一种水溶性高分子,其化学名称为瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵[18]。

试验淤泥取自浙江省台州市某软土地基处理现场,取样位置为海平面高度以下2.40 m的吹填淤泥层。土样的基本物理性质如表1所示。土体比重采用比重瓶法进行测定,土体液塑限采用液塑限联合测定仪进行测量。通过密度计法获得的颗粒级配如图1所示,土中黏粒(<5 μm)、粉粒(5～75 μm)和砂粒(>75 μm～2 mm)的质量分数分别为13.1%、55.6%和31.3%,根据美国材料试验协会ASTMD2487-17标准,判断该土样属于低塑性粉质黏土。

1.2 试验方案与方法

试验用土样初始含水量设计为80%,即两倍液限。结合已有研究[19],采用0.5%、1%、1.5% (质量分数)3种掺量,掺量定义为生物聚合物的质量与干土质量之比。

试验开始前先将淤泥烘干,再用碎土机粉碎并过孔径为2 mm的筛子。称取一定质量的干土,根据设计掺量将生物聚合物与干土拌合均匀,加入去离子水并搅拌使其充分混合。混合后的土样在(20±2) ℃的恒温条件下养护24 h,此时胶结反应已基本充分[20]。将养护完成的土样装入直径61.8 mm、高度40 mm的环刀内,作为固结渗透试验的试样。

标准固结装置设计的初始压力一般为12.5 kPa。试验所用高含水量淤泥强度低,难以承受如此高的初始压力,因此,本试验采用Hong等[21]提出的超低压一维渗透固结仪,如图2所示。固结试验的加载等级为1、2、3、4、6、8、10、12.5、25、50、100、200、300、400和800 kPa共15个荷载水平。稳定标准为每级荷载下固结24 h或试样每小时变形量不大于0.01 mm[22]。在每一级加载完成后进行渗透试验。考虑到在竖向有效应力很小(1～4 kPa)时试样所能承受的渗透压力过小,当竖向有效应力达到6 kPa后再进行渗透试验。为了避免渗透压力过小而导致的试验误差,渗透试验在不同的荷载水平下采用了不同的初始水头。当竖向有效应力小于12.5 kPa时,采用0.5 m的渗透水头;竖向有效应力在12.5～200 kPa时,采用1.0 m的渗透水头;竖向有效应力大于200 kPa时,采用2.0 m的渗透水头[23]。完成固结渗透试验后选取代表性土样进行SEM和MIP试验。

2 试验结果与分析

2.1 一维固结渗透试验结果

采用Butterfield[24]提出的双对数法,通过土体孔隙比与竖向荷载p之间的关系(ln(1+e)-logp)确定改性淤泥的结构屈服应力,结果见表2。图3为不同掺量下生物聚合物改性淤泥双对数压缩曲线。从图3及表2可以看出,生物聚合物的掺入提高了高含水量淤泥的结构屈服应力。当掺量为1.5%时,黄原胶改性淤泥、海藻酸钠改性淤泥和阳离子瓜尔胶改性淤泥的结构屈服应力分别达到了11.20、6.31和6.89 kPa,相比重塑淤泥的2.01 kPa提高了457%、214%和243%。同时,随着掺量的增加,生物聚合物改性淤泥的液限提高,含水比降低,结构屈服应力也逐渐增大。当聚合物掺量从0.5%提高到1.5%时,黄原胶改性淤泥、海藻酸钠改性淤泥和阳离子瓜尔胶改性淤泥的结构屈服应力分别提高了113%(由5.30 kPa提高至11.20 kPa)、129%(由2.76 kPa提高至6.31 kPa)和213%(由2.20 kPa提高至6.89 kPa)。综上可知,生物聚合物的掺入可以增强高含水量淤泥的结构性,3种聚合物中黄原胶的效果最显著。

图3 生物聚合物改性淤泥双对数压缩曲线

表2 生物聚合物改性淤泥结构屈服应力

图4为不同生物聚合物及其掺量对改性淤泥压缩指数的影响。Cs和Cc分别表示竖向有效应力小于结构屈服应力和竖向有效应力大于结构屈服应力时改性淤泥的压缩指数。可以看出,各组改性淤泥的Cs均小于重塑淤泥,且随着掺量的增加,各组Cs均呈减小的趋势。重塑淤泥的Cs为0.306,而1.5%掺量黄原胶改性淤泥、海藻酸钠改性淤泥和阳离子瓜尔胶改性淤泥的Cs分别为0.126、0.134和0.137,降低了59%、56%和55%。3种生物聚合物都能减小改性淤泥的压缩性,其中黄原胶的降低效果最明显。

图4 生物聚合物改性淤泥压缩指数

当竖向有效应力高于结构屈服应力后,土样压缩性显著增大。各掺量下黄原胶改性淤泥Cc都大于重塑淤泥的Cc,且黄原胶改性淤泥的Cc随着黄原胶掺量的提高而增加。0.5%海藻酸钠改性淤泥和0.5%阳离子瓜尔胶改性淤泥的Cc都比重塑淤泥小,当掺量进一步增加达到1%和1.5%时,两者的Cc都有明显增加,且都高于重塑淤泥。综上,当竖向有效应力高于结构屈服应力后,高掺量的生物聚合物会导致改性淤泥的压缩性提高。

图5为生物聚合物改性淤泥e-logk渗透曲线。可以看出,重塑淤泥和生物聚合物改性淤泥的孔隙比与渗透系数均大致呈线性关系,且土样的渗透系数随孔隙比的增大而增大。在相同孔隙比的情况下,生物聚合物改性淤泥的渗透性明显低于重塑淤泥。随着掺量的提高,生物聚合物改性淤泥的渗透性进一步降低。3种改性淤泥中黄原胶改性淤泥的渗透性降低幅度最大,在1.5%掺量时与重塑淤泥相比降低了两个数量级。海藻酸钠改性淤泥和阳离子瓜尔胶改性淤泥的渗透系数降低幅度接近,在1.5%掺量时与重塑淤泥相比降低了1个数量级。

2.2 微观试验

图6、7分别为生物聚合物改性淤泥的累计进汞曲线和孔隙密度分布曲线。图7纵坐标V(mL/g)代表孔容,D(μm)代表直径。图8为重塑淤泥以及掺量为1.5%时生物聚合物改性淤泥在放大倍数为5 000时的SEM图像。由图7可知,生物聚合物改性淤泥孔隙密度分布曲线呈单峰与主峰+次峰两种形式,主要孔径分布范围为0.01 ～1 μm。

图6 生物聚合物改性淤泥累计进汞曲线

图7 生物聚合物改性淤泥孔隙密度分布曲线

图8 生物聚合物改性淤泥SEM图像

由图6(a)可知,随着黄原胶掺量的提高,改性淤泥内部总孔隙体积降低。掺量为0.5%、1%和1.5%时对应的总累计进汞量分别为0.175、0.166和0.157 mL/g,相比重塑淤泥的0.217 mL/g降低了19.4%、23.5%和27.6%。由图7(a)可知,重塑淤泥孔隙密度分布曲线呈单峰形式,对应孔径为0.435 μm。在黄原胶掺量为0.5%时的孔隙密度分布曲线呈主峰+次峰形式,主峰对应孔径为0.192 μm,次峰对应孔径为0.104 μm。当掺量提高到1%和1.5%时,孔隙密度分布曲线呈现单峰形式,其对应孔径分别为0.107和0.096 μm。随着黄原胶掺量的提高,改性淤泥内部孔隙直径减小。结合图8(a)、(b)可知,加入黄原胶后,已经基本没有松散的片状黏土颗粒,取而代之的是黄原胶凝胶与黏土颗粒通过包裹和胶结作用形成的黄原胶-黏土基质。这种凝胶产物使得颗粒与颗粒间连接紧密形成整体,并填充了颗粒间的大孔隙,使得大孔隙数量逐渐减少,小孔隙数量逐渐增多。黄原胶-黏土基质降低了改性淤泥的总孔隙体积,导致改性淤泥渗透性降低。

由图6(b)、(c)可知,海藻酸钠和阳离子瓜尔胶的掺入使得改性淤泥总孔隙体积降低。1.5%掺量对应的海藻酸钠改性淤泥和阳离子瓜尔胶改性淤泥总累计进汞量分别为0.200和0.196 mL/g,相比重塑淤泥降低了7.8%和9.7%。由图7(b)、(c)可知,海藻酸钠改性淤泥的孔隙密度分布曲线均呈单峰形式,掺量为0.5%、1%和1.5%时曲线峰值对应的孔径分别为0.284、0.240和0.181 μm,即随着掺量的增加,孔隙密度分布曲线峰值对应的孔径逐渐减小。由图8(c)可知,当加入海藻酸钠后,部分细小片状的黏土颗粒仍依稀可见,较大的黏土颗粒表面包裹有较厚的水凝胶,并且能观察到大块的黏聚体。由此可知,前述孔隙变化是因为海藻酸钠水凝胶让黏土颗粒形成凝块,进而造成孔隙直径减小、总孔隙体积降低。0.5%和1%掺量的阳离子瓜尔胶的孔隙密度分布曲线呈单峰+次峰形式,主峰峰值对应孔径分别为0.434和0.433 μm,次峰峰值对应孔径分别为0.276和0.185 μm。1.5%掺量时曲线为单峰形式,峰值对应孔径为0.184 μm。对比可知,随着掺量的提高,阳离子瓜尔胶改性淤泥内部小孔隙数量增加,大孔隙数量减少,导致改性淤泥总孔隙体积的降低。观察图8(d)阳离子瓜尔胶改性淤泥可知,原本分散的细小片状黏土颗粒胶结在了一起,较大的黏土颗粒外的水凝胶包裹层明显。阳离子瓜尔胶使细小的片状黏土颗粒形成了聚集体填充大孔隙,减小了总孔隙体积。

2.3 机制分析

当在淤泥中加入生物聚合物后,黄原胶、海藻酸钠和阳离子瓜尔胶会附着在黏土颗粒上,与黏土颗粒表面之间形成氢键[25]。Podsiadlo等[26]研究表明,有机聚合物和黏土颗粒之间的氢键可以形成黏土-聚合物网络,提高整个系统的刚度。因此,改性淤泥的压缩性降低。然而竖向有效应力大于结构屈服应力后,黏土-聚合物网络被逐渐破坏,其对土体刚度的提高作用逐渐减弱。随着掺量的增加,大量水凝胶包裹土颗粒,使得土颗粒与土颗粒之间的接触变为土颗粒与凝胶、凝胶与凝胶之间的接触。水凝胶对土样孔隙刚度的贡献微乎其微,这导致了当竖向有效应力大于结构屈服应力后生物聚合物改性淤泥压缩指数显著提高,Cc随着掺量的提高而进一步增大。此外,SEM试验结果表明,相同掺量下黄原胶水化产生的水凝胶量高于海藻酸钠和阳离子瓜尔胶,这使得在0.5%掺量时黄原胶改性淤泥的压缩性就已经大于重塑淤泥。

生物聚合物能够增强淤泥的结构性,一方面是由于黏性水凝胶的胶结作用,另一方面是通过离子键或氢键引起了颗粒聚集[27]。黄原胶分子链上的羟基和羧基水解使其带有较多的负电荷,且黄原胶水凝胶的黏性是3种生物聚合物中最高的,这使得黄原胶改性淤泥同样掺量下表现出更强的结构性。海藻酸钠具有的羟基和羧基水解产生的负电荷较少,且其水溶胶在浓度低时黏度较低,因此,在0.5%掺量时海藻酸钠改性淤泥的结构屈服应力提高不明显。阳离子瓜尔胶带有水解产生正电荷的氨基,与海藻酸钠改性淤泥类似,在浓度较低时通过离子键只有有限的颗粒聚集,结构性不明显。当掺量提高时两种聚合物水溶胶黏度增加,同时引起更多的颗粒聚集,使得改性淤泥的结构屈服应力随着掺量的提高而快速增大。

生物聚合物改性淤泥渗透系数的降低可以归因于生物聚合物的堵塞作用。根据Kozeny-Carman及其修正方程,多孔介质的渗透系数与土体平均孔径呈正相关,与土颗粒比表面积和孔隙流体黏滞系数呈负相关[28]。图9为改性淤泥渗透系数与平均孔径、比表面积的关系。可以看出,生物聚合物使改性淤泥的平均孔径减小,比表面积增大。以黄原胶为例,平均孔径降低了50%,而比表面积仅提高了约25%,同时,Cabalar等[29]的研究表明,生物聚合物的掺入对孔隙流体的黏滞系数影响不大。因此,平均孔径的变化是影响生物聚合物改性淤泥渗透系数变化的主要因素,比表面积的变化则是次要因素。生物聚合物与水结合形成黏性水凝胶包裹土颗粒,水凝胶在黏土颗粒间交联形成胶结聚合物,土中的孔隙被填充导致土样渗透性变差。相比另外两种生物聚合物,黄原胶具有较高的黏性,有助于颗粒的结合聚集。同时,在相同掺量下能产生更多的水凝胶以及黄原胶-黏土基质填充堵塞孔隙。由压汞试验的结果可知,相同掺量下黄原胶改性淤泥的总孔隙体积以及孔隙密度分布曲线峰值对应的孔径均明显低于其他两种改性淤泥,供水通过的连通孔隙是3种改性淤泥中最少的,因此,可以更大程度地降低改性淤泥的渗透系数。鉴于此,生物聚合物改性淤泥在浅层边坡稳定、堤岸防护等工程中有较大的应用潜力。

图9 改性淤泥渗透系数与平均孔径、比表面积的关系

3 结 论

1)生物聚合物与黏土颗粒之间形成的黏土-聚合物网络结构降低了淤泥的压缩性,试验所用聚合物中黄原胶的效果最显著。随着掺量的增加,生物聚合物改性淤泥的结构屈服应力增大,压缩性降低。

2)当竖向有效应力大于结构屈服应力后,改性淤泥的压缩指数明显增大。随着掺量的增加改性淤泥Cc进一步变大,当掺量超过一定阈值(黄原胶0.5%,海藻酸钠和阳离子瓜尔胶1%)后改性淤泥Cc高于重塑淤泥。

3)生物聚合物对土体孔隙的堵塞作用导致淤泥的渗透性明显降低。改性淤泥的渗透系数随着生物聚合物掺量的提高而降低,其中,黄原胶对土体渗透性降低效果最明显,在1.5%掺量时达到两个数量级。

4)生物聚合物改性淤泥主要孔径分布为0.01～1 μm。相比重塑淤泥,改性淤泥的孔隙直径变小,总孔隙体积减小,且随着掺量的提高进一步降低。