有机硅改性路基土体渗透性变化及微观结构分析

董庆杰,尹国宏,赵 健,李玉玲,宗云翠,韩春鹏

(1. 东北林业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040; 2. 黑龙江省公路建设中心,黑龙江 哈尔滨 150090;3. 黑龙江省公路勘察设计院,黑龙江 哈尔滨 150090; 4. 黑龙江省弘正建设工程有限公司,黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

地下水的毛细作用对公路路基有严重的危害。水分的不断侵蚀会逐渐改变路基的干湿类型,最终导致路基土体强度变弱,承载力下降,尤其对于季冻区公路路基,由于四季温差较大,地下水的迁移会使得路基土体冻胀情况加剧,最终造成翻浆、融沉等公路路基病害[1-5],因此对于公路路基的隔水处理十分重要。目前工程上主要路基隔水处理方法分为2种:一是外加材料改性土质,例如石灰、粉煤灰和水泥改性土等[6-9],另一种是增加粒料隔离层、增加路基填高、铺设土工格栅及换填等物理措施[10-12],但是这些处理措施存在着不同程度的缺点,例如施工工艺繁琐,增加整体工程量,对缺乏粒料类材料地区较难实现,增加粒料、土质等自然资源的使用等。而有机硅疏水材料作为一种新兴疏水处理材料,具有价格较低、防水、防冻等契合路基隔水层特质的优点,采用有机硅疏水材料作为制备路基隔水层的材料可以在一定程度上减少工程量、降低工程预算、节约传统材料,同时由于其无污染的特性,符合国家公路建设的绿色、环保、低碳理念。其在公路路基边坡集水、历史文物遗址防潮处理、混凝土材料防水等各方面均起到了重要的作用[13-15]。

为验证疏水材料作用后的土体能够满足路基隔水层的隔水需求,首先针对喷洒疏水材料的路基土的渗透特性展开研究:以不同疏水材料单位面积用量和不同喷洒层数组合进行渗透试验,探究在上述2种因素的影响下有机硅疏水材料对路基土体隔水性能的提升。然后采用接触角试验加以验证,研究土体表面疏水性的变化。

同时越来越多的研究表明,土体的微观结构改变与其宏观性能之间有重要的关联[16-19]。土体颗粒和孔隙的分布、数量、排列方式、具体尺寸等都对路基土体的渗透性具有重要影响,因此从微观结构变化的角度去分析土体宏观渗透性的变化是十分必要的[20-22]。本文采用Image-Pro Plus 6.0对土体的微观图像进行处理,分析路基土体的孔隙面积、数量等微观结构的变化与其渗透性能之间的关联。

1 试验材料与方法

1.1 试验土体

依据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》对试验土进行基本物理性质指标测定可得:土体液塑限分别为22.9%、34.5%,塑性指数为11.6,最佳含水率16.25%,最大干密度1.78 g/cm3,土体级配曲线如图1所示。结合图1及相关文献[23]可知,该土体为粉质黏土,Cu为26.4、Cc为1.1,其级配较良好,同时液塑限符合规范要求,适合用作路基填土[24]。

图1 土体级配曲线

1.2 有机硅疏水材料

有机硅疏水材料基本指标如表1所示。

表1 有机硅疏水材料基本指标

1.3 试验仪器与方案

1.3.1 试验仪器

室内变水头渗透试验采用TST-55型渗透仪,主要由渗透容器、压力水头玻璃管及供水器组成,环刀直径61.8 mm,高40 mm;接触角试验采用型号OCA20视频光学接触角测量仪;对于扫描电镜试验,采用型号JSM-7500F的扫描电子显微镜。

1.3.2 试验方案

首先将有机硅疏水材料与水拌和均匀形成溶液,然后将其喷洒在压实成型的土体表面,疏水材料单位面积用量分别为0、23.8、45.5、65.2、83.3、100 g/m2,对应外掺法制备溶液的浓度为0%、5%、10%、15%、20%、25%,溶液制备流程如图2所示。

图2 有机硅疏水材料溶液制备过程

根据前期预试验及相关研究结果选定作用时间为24 h,喷洒层数为单层及双层。对于单层喷洒试样,首先在最佳含水率及最大干密度条件下使用φ61.8 mm×40 mm环刀静压成型,压实度为96%,然后在成型试件的表面喷洒有机硅疏水材料溶液。该溶液会自然入渗土样,入渗深度平均为5 mm,即对于试验试样来说,自上而下5 mm深度范围为有机硅疏水材料改性土体,其下方35 mm范围内土体均为普通土体。

对于双层喷洒试样,首先根据最佳含水率及最大干密度确定土体质量,然后将其均分成2份,使用2个φ61.8 mm×20 mm环刀分别静压成型,压实度均为96%。最后在2个试样的表面分别喷涂疏水材料溶液,达到作用时间后令疏水材料作用面向上将2个试样叠放入φ61.8 mm×40 mm的环刀中。试验方案如表2所示。

表2 室内变水头渗透试验方案

选择单层喷洒试样进行接触角试验,采用静态滴落法,滴定溶液为蒸馏水。每个试件选择5个不同的点位测试,以其平均值作为该情况下试样的接触角大小。通过预试验发现疏水材料溶液可以渗入土体5 mm左右深度,因此对于扫描电镜试验,观测断面为垂直疏水材料作用面自上而下5 mm范围。

2 有机硅对土体渗透性影响结果分析

2.1 影响因素分析

1)疏水材料单位面积用量

单层及双层喷洒时土体渗透系数随有机硅疏水材料单位面积用量的变化曲线如图3所示,经测定素土试件的渗透系数为1.34×10-6cm/s。由图3(a)分析可知,在单层喷洒条件下土体的渗透系数随疏水材料单位面积用量的提高而逐渐降低,近似线性关系。相较素土试件,单层喷洒条件下土体渗透系数均有十分显著的降低,疏水材料单位面积用量为23.8 g/m2时,土体渗透系数为8.230×10-7cm/s,较素土降低幅度为38.58%;当疏水材料单位面积用量为100 g/m2时,土体渗透系数最低为3.042×10-7cm/s,较素土降低幅度为77.30%。图3(b)双层喷洒条件下土体渗透系数随着有机硅疏水材料单位面积用量变化的趋势与单层喷洒时相似,均近似线性变化。其中疏水材料单位面积用量为23.8 g/m2时土体渗透系数为1.521×10-7cm/s,较素土降低幅度为88.65%;疏水材料单位面积用量为100 g/m2时土体渗透系数最低,较素土降低幅度为95.43%。

图3 单层及双层喷洒条件下土体渗透系数变化

2)喷洒层数

由图4分析可知,双层喷洒时土体的渗透系数相较于单层喷洒时降低的更为明显。并且在相同疏水材料单位用量情况下,双层喷洒时渗透系数相较于单层喷洒的降幅至少在79.85%以上,说明双层布置可以起到“1+1>2”的效果。但同一用量条件下,双层喷洒与单层喷洒对应的渗透系数的差值会随着疏水材料单位面积用量的增加而逐渐下降,单位面积用量为23.8 g/m2时其差值最大,为6.709×10-7cm/s,占素土渗透系数的50.07%;当单位面积用量为100 g/m2时其差值最小,为2.429×10-7cm/s,占素土渗透系数的18.13%。这是由于随着有机硅疏水材料单位面积用量的增加,即使是单层喷洒,土体渗透系数也已经大幅度下降,因此其差值会逐渐变小。双层及单层喷洒条件下室内变水头渗透试验试件在水头压力作用下水分迁移图示如图5所示。

图4 不同喷洒层数条件下土体渗透系数对比图

图5 水头压力下水分在试件内部迁移图示

2.2 接触角试验结果分析

由图6可知无法测得素土的接触角数值,蒸馏水会在接触素土表面的瞬间迅速浸入素土试件,这说明素土具有极强的亲水性。图7为放大1000倍的素土SEM图片,其颗粒联结较弱,整体呈现蜂窝结构,孔隙较为明显。

图6 素土接触角实验结果

图7 素土放大1000倍的SEM图

由表3分析可知,喷洒有机硅疏水材料后土体表面接触角发生了明显变化,均大于105°,这说明有机硅疏水材料可以使原本亲水的土体获得很强的疏水性能。同时在疏水材料单位面积用量为23.8～83.3 g/m2时,土体表面接触角会随着单位面积用量的增加而逐渐减小,这可能是由于喷涂疏水材料溶液后土体表面的粗糙度发生了变化,当单位面积用量较低时疏水材料与土体反应后不足以完全附着土体颗粒表面,从而使得试件表面在获得疏水性的同时仍较为粗糙,凹凸不平,当蒸馏水水滴与其接触时被托举,因此接触角较大。而随着单位面积用量的增加,土体表面逐渐变得平滑,接触角有减小的趋势。

表3 室内变水头渗透试验方案

2.3 微观结构分析

土体的微观结构能够较好地反映其宏观物理性能的变化,尤其是土体颗粒与孔隙的分布、数量、尺寸等对其渗透性能具有重要的影响。土体在有机硅疏水材料不同单位面积用量下的微观形态变化如图8所示,可以发现随着疏水材料单位面积用量的增加,土体颗粒表面越来越光滑,疏水材料与土体很好地反应结合在一起,这也与接触角随着疏水材料用量的增加而逐渐降低的情况所吻合。

图8 不同单位面积疏水材料用量下土体微观结构

在疏水材料不同单位面积用量条件下,通过对土体的孔隙数量、面积等指标的测量研究土体喷洒疏水材料后其微观结构与渗透性能的变化联系。SEM试验共拍摄了100倍、500倍、1000倍、3000倍的电镜图像,结合已有关于粉质黏土的电镜图像定量分析最终确定以1000倍放大倍数图像展开研究[25],不同疏水材料用量的土体均拍摄10张图像。

1)图像处理

图像处理共分为3个阶段,分别是图像的二值化处理、二值化图像的降噪处理和经过上述2项处理过程后图像中土体孔隙面积、数量等相关信息的提取。其中二值化处理的目的是有效区分图像中的孔隙和土体颗粒,将其采用黑白两色分别表示,而采用二值化处理时最关键的就是阈值的选取。图像上的每个点都有着一定的灰度值,其值介于0和255之间,选取一个灰度值作为标准,将大于其值的全都定为255(白色),而将小于其值的全都定为0(黑色),由黑白两色形成的2个部分就分别代表着土体颗粒和孔隙,而该灰度值即为阈值[26-27]。本试验中将素土试件的理论孔隙度作为评判阈值选取是否合理的标准,经计算可知素土试件的理论孔隙度为33.8%。采用MATLAB软件对图像进行处理,阈值的选择采用人工确定的方法,首先令3个人对素土的10张图像进行人工的阈值判定,从而得到30个不同的阈值,然后按照3倍标准差的方法将异常值剔除,余下的数值取平均值作为最终的阈值。本试验中最终阈值为115.4,将素土试件的10张图像按照阈值为115.4进行二值化处理,然后将其孔隙度取平均值,结果其与理论孔隙度相差不到15%,说明阈值选取合理。图9所示为二值化处理前后的图像,其中图9(b)中白色代表土体颗粒,黑色代表孔隙。

图9 图像二值化处理

图像经过二值化处理后其上会出现不同程度的杂点,干扰孔隙与土体颗粒相关信息的提取,本文使用MATLAB对二值化处理后的图像降噪。然后通过Image-Pro Plus 6.0图像分析软件进行相关数据的提取[28]:①图像尺寸的标定。将1000倍图像采用10 μm标准长度进行标定从而确定土颗粒及孔隙准确尺寸;②分析对象的选择。本试验中将孔隙的相关信息作为主要分析对象;③测量项目的选择。依据土体微观孔隙的特征最终选定孔隙面积、单孔最大直径、单孔平均直径、孔隙数量作为主要的测量对象。

2)结果分析

有机硅疏水材料的掺入对于土体微观孔隙面积的变化具有十分重要的影响,由图10可知,土体孔隙面积总体上随着疏水材料单位面积用量的增加而减小。其中孔隙减小最明显的阶段为素土到疏水材料单位面积用量为23.8 g/m2时土体的变化,其孔隙面积由6539.51 μm2减小为3156.51 μm2,降幅达到51.73%,而同时该阶段土体渗透系数的下降也是最明显的。在疏水材料单位面积用量为23.8～100 g/m2的阶段,土体孔隙的总面积会随着疏水材料单位面积用量的增加而持续降低,但降幅较缓。当疏水材料单位面积用量为83.3 g/m2时,土体孔隙面积为2569.25 μm2,相较于素土降幅达到60.71%。而随着疏水材料用量的继续增加,在单位面积用量为100 g/m2时其孔隙面积与单位面积用量为83.3 g/m2时基本持平,说明此时疏水材料作用量对于土体孔隙的影响减小。

图10 孔隙总面积与有机硅疏水材料单位面积用量关系图

由图11可知,总体上单孔最大直径会随着有机硅疏水材料用量的增加而逐渐变小。喷洒有机硅疏水材料后土体的单孔最大直径明显小于素土的,其单孔最大直径相较于素土的降幅至少为36.89%。随着疏水材料单位面积用量的增加,土体的单孔最大直径下降趋势变缓。疏水材料单位面积用量为100 g/m2时其单孔最大直径为57.54 μm,相较于单位面积用量为23.8 g/m2时降幅为22.37%。上述分析说明,有机硅疏水材料可以有效减少土体内大直径孔隙,从而在一定程度上提高主体的抗渗性能。

图11 单孔最大直径与疏水材料单位面积用量关系图

土体孔隙数量及孔隙平均直径随着有机硅疏水材料用量的变化趋势如图12所示。孔隙数量整体上会随着疏水材料单位面积用量的增加而增加,喷洒疏水材料的土体其孔隙数量相较于素土来说增幅至少为22.32%,最大增幅可达45.03%。当疏水材料单位面积用量为23.8～65.2 g/m2时,孔隙数量在550左右波动,而当疏水材料单位面积用量为83.3～100 g/m2时孔隙数量可增加到700～750之间。同时由图12可知,孔隙的平均直径随着疏水材料单位面积用量的增加呈现波动下降的趋势,这说明有机硅疏水材料用量的增加不会导致孔隙平均直径必然地减小。但是在总体上孔隙的平均直径仍然是会随着有机硅疏水材料用量的增加而逐渐减小,原因如下:由图10可知,随着疏水材料单位面积用量的增加土体孔隙的面积逐渐减小,而由图12可知,此时孔隙的数量却一直在上升,因此孔隙平均直径有所降低,这说明越来越多的大孔隙被分割为小孔隙。大孔隙被分为小孔隙从而使得土体的抗渗性能逐步提高,这也解释了为什么图10中疏水材料单位面积用量为83.3～100 g/m2的土体其孔隙总面积与疏水材料单位面积用量为65.2 g/m2的相近,而在图3中却表现出随着有机硅疏水材料用量的增加,土体的渗透系数越来越低。

图12 孔隙数量及孔隙平均直径变化图示

3 结论

采用有机硅疏水材料制备新型路基隔水层,选用符合路基填土规范要求的粉质黏土为试验对象,研究喷洒有机硅疏水材料后土体渗透性能的变化,同时开展土体微观结构研究,将土体孔隙结构改变与土体渗透性变化相联系,研究结果如下:

1)喷洒有机硅疏水材料后,路基土体渗透性能显著降低。土体渗透系数会随着有机硅疏水材料单位面积用量的增加而逐渐减小,当单层喷洒、疏水材料单位面积用量为100 g/m2时,渗透系数降幅可达77.30%,并且双层喷洒时疏水性能更加明显,单位面积用量为100 g/m2时,渗透系数降幅可达95.43%。

2)路基土体喷洒有机硅疏水材料后,表面接触角均大于105°,土体表面具有很强的疏水性能。

3)路基土体喷洒有机硅疏水材料后,其微观孔隙结构发生重要改变,孔隙面积较素土降幅在51.73%以上,单孔最大直径相较素土降幅在36.89%以上。同时孔隙数量的增加以及孔隙平均直径的减小说明土体内部随着有机硅疏水材料用量的增加,大孔隙逐渐被分为小孔隙,这也是土体抗渗性增加的主要原因。