EICP与木质素联合改性粉土边坡抗雨蚀试验研究

张建伟,钱思羽,王小锯,边汉亮,韩智光,石 磊

(河南大学土木建筑学院,河南 开封 475004)

粉土的性质特殊,黏颗粒含量少,难以压实,具有水稳性差、遇水强度低等特点,降雨作用下常造成不均匀沉降等病害,需处理方可用作路基填料[1],如何改善粉土作为路基填料是值得研究的课题。

近年来,以生物反应为基础过程的改性技术得到了国内外学者的广泛关注[2-5],而以微生物诱导碳酸盐沉淀(microbially induced carbonate precipitation,MICP)或植物源脲酶诱导碳酸盐沉淀(enzyme induced carbonate precipitation,EICP)是目前研究的热点,Qabany等[6-9]对MICP技术的研究表明,对MICP技术进行不同方式的改进或在MICP的作用过程中加以某种控制,处理后的土体抗剪强度和抗侵蚀能力均有所提升。EICP技术方面,目前对土体加固的研究[10-12]较多,对土体雨蚀耐久性研究还较少,Cuccurullo等[13-15]的研究表明,经EICP处理可使土体的力学性能提升,并证明了利用EICP稳定土壤抗侵蚀的可行性。MICP技术中微生物尺寸较大,会限制该技术在细颗粒土体中的应用[16],但脲酶尺寸小,因此利用EICP技术改性粉土不易发生生物堵塞,但EICP技术存在生成的碳酸钙缺乏成核位点和对土体改性后强度不足的问题。Yuan等[17-18]在 EICP 过程中添加有机材料或碳酸钙“种子”,为碳酸钙提供成核位点,调节碳酸钙晶型,进而改善土体性能。木质素作为转化生物质能源的原材料,具有填充和胶结等性能,近年来也被用于土体改性[19-21]。

本文采用模拟降雨试验,探讨EICP与木质素联合改性粉土对提高粉土边坡抗侵蚀性的效果,通过分析改性后粉土边坡的表面侵蚀状况、冲蚀量、表面强度和碳酸钙含量来评价抗雨蚀效果,以期为类似工程提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试样制备

以开封市黄泛区粉土作为研究土体,其物理性质如下:最大干密度1.67g/cm3,液限26.5%,塑限16.8%,天然含水率14.8%,最优含水率15.6/%,不同粒径(<2mm、<1mm、<0.5mm、<0.25mm、<0.074mm)颗粒质量占比分别为99.1%、98.0%、97.4%、95.6%和56.8%。

试验所用脲酶溶液是从大豆中提取的,脲酶溶液的提取过程如图1所示。用破碎机将大豆粉碎,把粉碎后的大豆粉末与去离子水混合,质量浓度为100g/L,然后用磁力搅拌器搅拌30min获均匀悬浮液,将均匀悬浮液放入离心管,在转速为3500r/min的高速离心机内离心15min,取离心后的上层清液即可得到大豆脲酶溶液。试验所用的木质素为一种棕黄色粉末,有特殊芳香气味,是造纸厂制浆的废液经过干燥制成的,其成分在土体中会发生氧化或与其他化学成分化合,结构发生变化后生成的螯合物在一定程度上会发生变色现象。所用反应液为体积比1∶1的尿素-氯化钙溶液,浓度为0.75mol/L。

图1 大豆脲酶溶液提取过程Fig.1 Extraction process of soybean urease solution

1.2 试验装置

试验采用的降雨模拟装置如图2所示,主要由储水箱、土体样本托盘、雾化喷嘴、坡度调节装置、流土收集槽等部分组成,如图2(a)所示。雾化喷嘴连接导管和隔膜泵,隔膜泵可调节不同降雨强度;集土槽内铺设透水纸以收集冲刷的泥土;将烘干后的粉土和一定量木质素拌和均匀,把配制好的大豆脲酶溶液和0.75mol/L的反应液1∶1混合配成EICP溶液,基于木质素最优掺量5%[22]将9.3%的EICP溶液加入到混合均匀的粉土和木质素中,闷料24h后分3层装入土体样本托盘中。土体样本托盘的长度为40cm,宽度为20cm,深度为5cm(图2(b)),本文采用小尺寸模型,易于操作,便于初步研究与方案筛选。

图2 降雨模拟装置Fig.2 Rainfall simulation device

为找到最优的粉土边坡抗雨蚀处理方式,利用EICP技术与木质素联合对粉土边坡进行处理,通过设置不同试样处理方式,来对比模拟降雨后的雨蚀现象。

1.3 试验方法

在控制粉土干密度和含水率相同的情况下,通过相同的击实方法制样,保证各组试样初始状态相同。为研究不同边坡处理方式对抵抗雨蚀的效果,试验共设置A1、B1、C1、D1、C2和D2共6组试样,采用如表1所示的6种试样处理方式进行降雨试验。①试样A1为木质素(5%掺量)改性粉土,将木质素与粉土拌和均匀,配至最优含水率,均匀压实装填于试样盆中;②试样B1为仅用EICP技术改性的粉土,在粉土中添加相应质量的EICP溶液,全部拌和均匀后装填于试样盆中;③试样C1为EICP与木质素(5%掺量)联合改性粉土,将木质素和粉土拌和均匀后添加相应的EICP溶液,再拌和均匀得到;④试样D1为脲酶溶液和反应液反应3d后的EICP溶液与木质素联合改性粉土,用于研究不同碳酸钙生成方式对试验结果的影响,以此对比边坡的抗雨蚀效果;⑤C2是在C1的基础上,养护28d后再在试样表面均匀喷洒EICP溶液,将处理后的试样放置在室内温度25℃、湿度44%条件下反应3d得到的试样;⑥D2是在D1的基础上养护28d后,再在试样表面均匀喷洒EICP溶液,将处理后的试样放置在室内温度25℃、湿度44%条件下反应3d得到。

表1 试样处理方式Table 1 Treatment schemes of specimens

a.表面侵蚀状态观测。目测观察边坡表面的侵蚀状态是最简单直观的方法,即观察不同时间段各试样表面的侵蚀状态。为研究不同试样处理方式对边坡抗雨蚀的影响,在模拟降雨试验的过程中每隔20min对边坡表面进行拍照记录,对比不同处理方式下边坡的侵蚀状态。

b.土体冲蚀量测定。边坡在降雨下的质量损失是指在一定时间内,边坡表面经降雨冲刷后土体的损失质量,该指标可以定量反映出不同处理方式下土体边坡抵抗降雨冲刷侵蚀的能力。试验中每隔10min收集冲刷的泥水并烘干称重。

c.表面强度测定。降雨试验结束后使用艾德堡推拉力计测定试样表面强度。如图3所示,将试样分为9个区域进行测量,匀速转动手柄使推拉力计探头匀速缓慢地贯入这9个区域表面,读取最大贯入力(F)数据,推拉力计探头的面积(S)为28.07mm2,表面强度计算公式为P=F/S。

图3 表面强度的测量Fig.3 Measurement of surface strength

d.碳酸钙含量测定。采用酸洗称重法测定不同试样中碳酸钙的含量。取试验后各区域的土体烘干称重,得到质量m1,然后浸泡于1mol/L的盐酸中,直至溶液中没有气泡产生,此时试样中的碳酸钙已完全溶解,排除溶液并用去离子水冲洗,烘干后称重得到质量m2,生成的碳酸钙含量计算公式为C=(m1-m2)/m2。对每个区域进行3次平行试验,得到的平均值为该区域表面的碳酸钙含量。

2 试验结果与分析

2.1 降雨作用下表面侵蚀状况变化

试验粉土来自开封市黄泛区,河南省年平均气温为12.7～16.20℃,年降水量为477.08～1167.30mm,年内变化较大,而且主要集中在5—8月[23],设降雨强度为30mm/h(较大雨量),坡口角度为20°,降雨时间为60min,图4为不同时间6组试样表面侵蚀状况。

图4 不同时间粉土边坡表面侵蚀状况Fig.4 Surface erosion condition at different time

从图4可以看出,随着时间的变化,不同处理方式的试样破坏程度都随着时间的增长而增大,试样A1、B1、C1、D1在雨水冲刷20min后,呈现出蜂窝麻面状破坏且伴随土体剥落的现象,试样C2仅出现片蚀现象,试样D2片蚀、沟蚀伴随;40min后试样A1、B1、C1和D1已呈现不同程度坍塌趋势,A1坍塌面积变大,C2、D2呈现出片状侵蚀,而试样C2的边坡表面变化很小,仅有部分溅蚀破坏;当降雨60min后自然风干,可以看到试样A1局部已完全剥落,B1呈蜂窝状破坏且土体松散,试样C1、D1表面均已剥落一层,试样C2、D2表层并未完全剥落。相对于各试样的坍塌和土体剥落表现,试样C2的边坡表面相对完整,呈局部脱落状,坡面侵蚀以面蚀为主,没有影响其抗雨蚀性能。在降雨作用下,边坡破坏最初呈溅蚀,其原因是降雨对边坡表面的撞击作用,导致边坡表面的土体剥离。降雨作用下在边坡坡面雨水充分入渗,导致边坡土体强度减小,引起非饱和土中基质吸力丧失或减小,再次降雨极易引起边坡滑坡[24]。当降水量大于土壤表层入渗量时,雨水会在坡面汇聚形成薄层面流,进而形成坡面径流。试验中EICP与木质素联合改性会提高试样抗剪强度[22],因试样A1、B1不是联合改性,故其抗剪强度低,坡面直接侵蚀较快。试样A1、B1、C1、D1并未在表面喷洒EICP溶液进行加固,表面没有形成硬壳层,所以降雨的击溅作用直接导致土体剥落;而试样C2、D2溅蚀作用不明显。

2.2 土体冲蚀量变化对比

在雨水冲刷边坡的过程中,每隔10min收集冲刷下的泥水,然后烘干称重,得到该边坡质量累计损失随时间变化情况如图5所示。

图5 边坡质量累计损失随时间变化曲线Fig.5 Variation of cumulative loss of slope mass with time

从图5可以看出,试样A1、B1和C1的质量损失较大。其中B1在30min后质量损失突然增大,因为B1是只用EICP技术处理过的试样,并没有对边坡内部进行加固,所以边坡的内部强度较低,土体剥落多,质量损失较大。相对于A1、B1在60min后的质量累计损失,试样C1的土体侵蚀量分别降低44.8%和18.81%。试样C2和D2前期抵抗径流冲刷的能力高于其他试样,没有出现大量土体剥落和坍塌的现象,因为试样C2和D2表面喷洒了EICP溶液,表面加固效果较好。试样D2喷洒的EICP溶液为反应3d后的,因为EICP溶液的作用是在土中生成碳酸钙,填充土体孔隙,相比试样D1直接将EICP溶液拌于粉土中产生的碳酸钙可能要少,故土体在降雨作用20min之前质量损失速率较大,且在10～20min期间边坡冲刷后试样D2表面的部分沟蚀和片蚀扩大,由于表面具有一定的胶结性,会有块状土体掉落,导致在此期间的质量损失速率最大。降雨20min后,粉土边坡的稳定性较好。在60min后试样C2相对于试样C1的土体侵蚀量降低了70.5%,比其他试样的平均值降低了75.0%。总体来说,试样C2的边坡因为ECIP溶液在土体中反应充分,且木质素在土体中具有一定的黏结作用,EICP与木质素联合改性使碳酸钙有序排列,进一步增强了土壤颗粒之间的胶结作用,故质量损失最小,抗雨蚀效果最好。

2.3 降雨后平均表面强度对比

试样的表面强度是评价试样加固和抗雨蚀能力的一项指标,表面强度越高,表明生成的硬壳层越硬,抗雨蚀的能力越强。将经过雨蚀的试样自然风干3d后放置60℃烘箱中烘干,如图3所示检测每个区域的表面强度。去掉每个试样不同区域的表面强度最大值和最小值,求和取平均值代表每个试样的表面强度,结果如表2所示。

表2 各试样不同区域表面强度Table 2 Surface strength in different areas of each sample

从表2可以看出,采用6种方式处理后,试样表面强度都有提高,相比试样A1、B1,经EICP与木质素联合改性的试样C1表面强度分别提高了32.2%和26.4%,试样D1、C2、D2相比试样C1表面强度分别降低了2.2%和提高了22.8%、6.0%。试样C2、D2平均强度降低是由于碳酸钙在土中反应程度不同引起的。试样D2的平均表面强度相比试样C1、D1有不同程度的提升,是由于在表面喷洒EICP溶液所致。添加木质素后碳酸钙晶型仅为方解石[22],方解石热力学性质稳定且机械强度高,对比可知,试样C2比其他试样表面强度的平均值提高了33.8%,表面形成的硬壳层也会提供部分强度,表面强度越高,固结效果越好,抗雨蚀能力越强。

2.4 降雨后碳酸钙含量与表面强度变化规律

表3是不同处理方式下边坡经过雨蚀后每个区域内的表面碳酸钙含量,从对比碳酸钙含量的角度来探究碳酸钙含量对粉土边坡抗雨蚀的影响。从表3可以看出每个区域的碳酸钙含量并不完全相同,这是因为对边坡进行表面喷洒时是人为喷洒,每个区域的喷洒量不能保证完全一致,且喷洒量过多时EICP溶液无法下渗,会随着坡面往下流失,下部可能会出现碳酸钙堆积现象,所以分析EICP溶液处理粉土边坡表面的次数也极为重要。

表3 各试样不同区域碳酸钙含量Table 3 Calcium carbonate content in different areas of each sample

从表3可以看出,碳酸钙含量小的区域在降雨作用下表面侵蚀程度相对较高,表面侵蚀严重,表明试样的胶结效果整体较弱。部分试样表面生成了碳酸钙,边坡表面的整体加固效果更好,故其抗雨蚀的能力也越好。表4为不同试样平均表面强度和平均碳酸钙含量变化情况。

表4 各试样平均表面强度和碳酸钙含量Table 4 Average surface strength and calcium carbonate content of each sample

从表4可知,试样C2比其他试样碳酸钙含量的平均值提高了235.2%,相对于试样C1,试样C2和D2的碳酸钙含量分别提高了146.8%和58.9%,试样D1的碳酸钙含量降低了21.9%,说明反应3d的EICP溶液并不能提高土体中的碳酸钙含量,在表面喷洒EICP溶液,使得边坡表面生成了碳酸钙的硬壳层,碳酸钙含量升高;木质素可为碳酸钙提供成核位点[22],同样,试样C1相对于试样B1的碳酸钙含量提高了220.8%,亦可说明添加木质素可改善EICP技术缺乏成核位点的问题,使得碳酸钙富集从而提高黏聚力,增强土颗粒间胶结能力,表面强度随之提高,抗雨蚀的能力也随之增强,也说明碳酸钙含量和表面强度的变化呈正相关关系。

3 结 论

a.经不同改性方式处理的粉土边坡具有不同的抗雨蚀能力,EICP与木质素联合改性试样再喷洒EICP溶液的方式抗雨蚀效果最优(试样C2)。对比各试样的侵蚀状况,发现表面强度和碳酸钙含量对边坡的抗雨蚀效果影响最为明显,且边坡的表面强度与碳酸钙含量呈正相关关系。

b.试样C2表面侵蚀最小,表面完整度最高;试样C1侵蚀量比试样A1、B1分别降低44.8%和18.81%,表明EICP与木质素联合改性的方式具有较好的抵抗土体流失能力;试样C2比试样C1土体侵蚀量降低70.5%,表明在坡面喷洒一定的EICP溶液后抵抗土体流失能力进一步增强。

c.表面喷洒EICP溶液会在边坡表层形成碳酸钙硬壳层,有效减弱雨蚀作用,提高边坡强度及碳酸钙含量,保持边坡良好的完整性。

d.添加木质素改性,可调节EICP碳酸钙晶型并为碳酸钙提供成核位点,使碳酸钙附着在木质素上,更好地填充颗粒间空隙,降低其孔隙度,增强颗粒间胶结能力,使粉土边坡具有更佳的抗雨蚀能力,亦验证了坡面碳酸钙含量与表面强度呈正相关关系。