EICP與木質素聯合改性粉土邊坡抗雨蝕試驗研究

張建偉,錢思羽,王小鋸,邊漢亮,韓智光,石 磊

(河南大學土木建筑學院,河南 開封 475004)

粉土的性質特殊,黏顆粒含量少,難以壓實,具有水穩性差、遇水強度低等特點,降雨作用下常造成不均勻沉降等病害,需處理方可用作路基填料[1],如何改善粉土作為路基填料是值得研究的課題。

近年來,以生物反應為基礎過程的改性技術得到了國內外學者的廣泛關注[2-5],而以微生物誘導碳酸鹽沉淀(microbially induced carbonate precipitation,MICP)或植物源脲酶誘導碳酸鹽沉淀(enzyme induced carbonate precipitation,EICP)是目前研究的熱點,Qabany等[6-9]對MICP技術的研究表明,對MICP技術進行不同方式的改進或在MICP的作用過程中加以某種控制,處理后的土體抗剪強度和抗侵蝕能力均有所提升。EICP技術方面,目前對土體加固的研究[10-12]較多,對土體雨蝕耐久性研究還較少,Cuccurullo等[13-15]的研究表明,經EICP處理可使土體的力學性能提升,并證明了利用EICP穩定土壤抗侵蝕的可行性。MICP技術中微生物尺寸較大,會限制該技術在細顆粒土體中的應用[16],但脲酶尺寸小,因此利用EICP技術改性粉土不易發生生物堵塞,但EICP技術存在生成的碳酸鈣缺乏成核位點和對土體改性后強度不足的問題。Yuan等[17-18]在 EICP 過程中添加有機材料或碳酸鈣“種子”,為碳酸鈣提供成核位點,調節碳酸鈣晶型,進而改善土體性能。木質素作為轉化生物質能源的原材料,具有填充和膠結等性能,近年來也被用于土體改性[19-21]。

本文采用模擬降雨試驗,探討EICP與木質素聯合改性粉土對提高粉土邊坡抗侵蝕性的效果,通過分析改性后粉土邊坡的表面侵蝕狀況、沖蝕量、表面強度和碳酸鈣含量來評價抗雨蝕效果,以期為類似工程提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣制備

以開封市黃泛區粉土作為研究土體,其物理性質如下:最大干密度1.67g/cm3,液限26.5%,塑限16.8%,天然含水率14.8%,最優含水率15.6/%,不同粒徑(<2mm、<1mm、<0.5mm、<0.25mm、<0.074mm)顆粒質量占比分別為99.1%、98.0%、97.4%、95.6%和56.8%。

試驗所用脲酶溶液是從大豆中提取的,脲酶溶液的提取過程如圖1所示。用破碎機將大豆粉碎,把粉碎后的大豆粉末與去離子水混合,質量濃度為100g/L,然后用磁力攪拌器攪拌30min獲均勻懸浮液,將均勻懸浮液放入離心管,在轉速為3500r/min的高速離心機內離心15min,取離心后的上層清液即可得到大豆脲酶溶液。試驗所用的木質素為一種棕黃色粉末,有特殊芳香氣味,是造紙廠制漿的廢液經過干燥制成的,其成分在土體中會發生氧化或與其他化學成分化合,結構發生變化后生成的螯合物在一定程度上會發生變色現象。所用反應液為體積比1∶1的尿素-氯化鈣溶液,濃度為0.75mol/L。

圖1 大豆脲酶溶液提取過程Fig.1 Extraction process of soybean urease solution

1.2 試驗裝置

試驗采用的降雨模擬裝置如圖2所示,主要由儲水箱、土體樣本托盤、霧化噴嘴、坡度調節裝置、流土收集槽等部分組成,如圖2(a)所示。霧化噴嘴連接導管和隔膜泵,隔膜泵可調節不同降雨強度;集土槽內鋪設透水紙以收集沖刷的泥土;將烘干后的粉土和一定量木質素拌和均勻,把配制好的大豆脲酶溶液和0.75mol/L的反應液1∶1混合配成EICP溶液,基于木質素最優摻量5%[22]將9.3%的EICP溶液加入到混合均勻的粉土和木質素中,悶料24h后分3層裝入土體樣本托盤中。土體樣本托盤的長度為40cm,寬度為20cm,深度為5cm(圖2(b)),本文采用小尺寸模型,易于操作,便于初步研究與方案篩選。

圖2 降雨模擬裝置Fig.2 Rainfall simulation device

為找到最優的粉土邊坡抗雨蝕處理方式,利用EICP技術與木質素聯合對粉土邊坡進行處理,通過設置不同試樣處理方式,來對比模擬降雨后的雨蝕現象。

1.3 試驗方法

在控制粉土干密度和含水率相同的情況下,通過相同的擊實方法制樣,保證各組試樣初始狀態相同。為研究不同邊坡處理方式對抵抗雨蝕的效果,試驗共設置A1、B1、C1、D1、C2和D2共6組試樣,采用如表1所示的6種試樣處理方式進行降雨試驗。①試樣A1為木質素(5%摻量)改性粉土,將木質素與粉土拌和均勻,配至最優含水率,均勻壓實裝填于試樣盆中;②試樣B1為僅用EICP技術改性的粉土,在粉土中添加相應質量的EICP溶液,全部拌和均勻后裝填于試樣盆中;③試樣C1為EICP與木質素(5%摻量)聯合改性粉土,將木質素和粉土拌和均勻后添加相應的EICP溶液,再拌和均勻得到;④試樣D1為脲酶溶液和反應液反應3d后的EICP溶液與木質素聯合改性粉土,用于研究不同碳酸鈣生成方式對試驗結果的影響,以此對比邊坡的抗雨蝕效果;⑤C2是在C1的基礎上,養護28d后再在試樣表面均勻噴灑EICP溶液,將處理后的試樣放置在室內溫度25℃、濕度44%條件下反應3d得到的試樣;⑥D2是在D1的基礎上養護28d后,再在試樣表面均勻噴灑EICP溶液,將處理后的試樣放置在室內溫度25℃、濕度44%條件下反應3d得到。

表1 試樣處理方式Table 1 Treatment schemes of specimens

a.表面侵蝕狀態觀測。目測觀察邊坡表面的侵蝕狀態是最簡單直觀的方法,即觀察不同時間段各試樣表面的侵蝕狀態。為研究不同試樣處理方式對邊坡抗雨蝕的影響,在模擬降雨試驗的過程中每隔20min對邊坡表面進行拍照記錄,對比不同處理方式下邊坡的侵蝕狀態。

b.土體沖蝕量測定。邊坡在降雨下的質量損失是指在一定時間內,邊坡表面經降雨沖刷后土體的損失質量,該指標可以定量反映出不同處理方式下土體邊坡抵抗降雨沖刷侵蝕的能力。試驗中每隔10min收集沖刷的泥水并烘干稱重。

c.表面強度測定。降雨試驗結束后使用艾德堡推拉力計測定試樣表面強度。如圖3所示,將試樣分為9個區域進行測量,勻速轉動手柄使推拉力計探頭勻速緩慢地貫入這9個區域表面,讀取最大貫入力(F)數據,推拉力計探頭的面積(S)為28.07mm2,表面強度計算公式為P=F/S。

圖3 表面強度的測量Fig.3 Measurement of surface strength

d.碳酸鈣含量測定。采用酸洗稱重法測定不同試樣中碳酸鈣的含量。取試驗后各區域的土體烘干稱重,得到質量m1,然后浸泡于1mol/L的鹽酸中,直至溶液中沒有氣泡產生,此時試樣中的碳酸鈣已完全溶解,排除溶液并用去離子水沖洗,烘干后稱重得到質量m2,生成的碳酸鈣含量計算公式為C=(m1-m2)/m2。對每個區域進行3次平行試驗,得到的平均值為該區域表面的碳酸鈣含量。

2 試驗結果與分析

2.1 降雨作用下表面侵蝕狀況變化

試驗粉土來自開封市黃泛區,河南省年平均氣溫為12.7～16.20℃,年降水量為477.08～1167.30mm,年內變化較大,而且主要集中在5—8月[23],設降雨強度為30mm/h(較大雨量),坡口角度為20°,降雨時間為60min,圖4為不同時間6組試樣表面侵蝕狀況。

圖4 不同時間粉土邊坡表面侵蝕狀況Fig.4 Surface erosion condition at different time

從圖4可以看出,隨著時間的變化,不同處理方式的試樣破壞程度都隨著時間的增長而增大,試樣A1、B1、C1、D1在雨水沖刷20min后,呈現出蜂窩麻面狀破壞且伴隨土體剝落的現象,試樣C2僅出現片蝕現象,試樣D2片蝕、溝蝕伴隨;40min后試樣A1、B1、C1和D1已呈現不同程度坍塌趨勢,A1坍塌面積變大,C2、D2呈現出片狀侵蝕,而試樣C2的邊坡表面變化很小,僅有部分濺蝕破壞;當降雨60min后自然風干,可以看到試樣A1局部已完全剝落,B1呈蜂窩狀破壞且土體松散,試樣C1、D1表面均已剝落一層,試樣C2、D2表層并未完全剝落。相對于各試樣的坍塌和土體剝落表現,試樣C2的邊坡表面相對完整,呈局部脫落狀,坡面侵蝕以面蝕為主,沒有影響其抗雨蝕性能。在降雨作用下,邊坡破壞最初呈濺蝕,其原因是降雨對邊坡表面的撞擊作用,導致邊坡表面的土體剝離。降雨作用下在邊坡坡面雨水充分入滲,導致邊坡土體強度減小,引起非飽和土中基質吸力喪失或減小,再次降雨極易引起邊坡滑坡[24]。當降水量大于土壤表層入滲量時,雨水會在坡面匯聚形成薄層面流,進而形成坡面徑流。試驗中EICP與木質素聯合改性會提高試樣抗剪強度[22],因試樣A1、B1不是聯合改性,故其抗剪強度低,坡面直接侵蝕較快。試樣A1、B1、C1、D1并未在表面噴灑EICP溶液進行加固,表面沒有形成硬殼層,所以降雨的擊濺作用直接導致土體剝落;而試樣C2、D2濺蝕作用不明顯。

2.2 土體沖蝕量變化對比

在雨水沖刷邊坡的過程中,每隔10min收集沖刷下的泥水,然后烘干稱重,得到該邊坡質量累計損失隨時間變化情況如圖5所示。

圖5 邊坡質量累計損失隨時間變化曲線Fig.5 Variation of cumulative loss of slope mass with time

從圖5可以看出,試樣A1、B1和C1的質量損失較大。其中B1在30min后質量損失突然增大,因為B1是只用EICP技術處理過的試樣,并沒有對邊坡內部進行加固,所以邊坡的內部強度較低,土體剝落多,質量損失較大。相對于A1、B1在60min后的質量累計損失,試樣C1的土體侵蝕量分別降低44.8%和18.81%。試樣C2和D2前期抵抗徑流沖刷的能力高于其他試樣,沒有出現大量土體剝落和坍塌的現象,因為試樣C2和D2表面噴灑了EICP溶液,表面加固效果較好。試樣D2噴灑的EICP溶液為反應3d后的,因為EICP溶液的作用是在土中生成碳酸鈣,填充土體孔隙,相比試樣D1直接將EICP溶液拌于粉土中產生的碳酸鈣可能要少,故土體在降雨作用20min之前質量損失速率較大,且在10～20min期間邊坡沖刷后試樣D2表面的部分溝蝕和片蝕擴大,由于表面具有一定的膠結性,會有塊狀土體掉落,導致在此期間的質量損失速率最大。降雨20min后,粉土邊坡的穩定性較好。在60min后試樣C2相對于試樣C1的土體侵蝕量降低了70.5%,比其他試樣的平均值降低了75.0%?？傮w來說,試樣C2的邊坡因為ECIP溶液在土體中反應充分,且木質素在土體中具有一定的黏結作用,EICP與木質素聯合改性使碳酸鈣有序排列,進一步增強了土壤顆粒之間的膠結作用,故質量損失最小,抗雨蝕效果最好。

2.3 降雨后平均表面強度對比

試樣的表面強度是評價試樣加固和抗雨蝕能力的一項指標,表面強度越高,表明生成的硬殼層越硬,抗雨蝕的能力越強。將經過雨蝕的試樣自然風干3d后放置60℃烘箱中烘干,如圖3所示檢測每個區域的表面強度。去掉每個試樣不同區域的表面強度最大值和最小值,求和取平均值代表每個試樣的表面強度,結果如表2所示。

表2 各試樣不同區域表面強度Table 2 Surface strength in different areas of each sample

從表2可以看出,采用6種方式處理后,試樣表面強度都有提高,相比試樣A1、B1,經EICP與木質素聯合改性的試樣C1表面強度分別提高了32.2%和26.4%,試樣D1、C2、D2相比試樣C1表面強度分別降低了2.2%和提高了22.8%、6.0%。試樣C2、D2平均強度降低是由于碳酸鈣在土中反應程度不同引起的。試樣D2的平均表面強度相比試樣C1、D1有不同程度的提升,是由于在表面噴灑EICP溶液所致。添加木質素后碳酸鈣晶型僅為方解石[22],方解石熱力學性質穩定且機械強度高,對比可知,試樣C2比其他試樣表面強度的平均值提高了33.8%,表面形成的硬殼層也會提供部分強度,表面強度越高,固結效果越好,抗雨蝕能力越強。

2.4 降雨后碳酸鈣含量與表面強度變化規律

表3是不同處理方式下邊坡經過雨蝕后每個區域內的表面碳酸鈣含量,從對比碳酸鈣含量的角度來探究碳酸鈣含量對粉土邊坡抗雨蝕的影響。從表3可以看出每個區域的碳酸鈣含量并不完全相同,這是因為對邊坡進行表面噴灑時是人為噴灑,每個區域的噴灑量不能保證完全一致,且噴灑量過多時EICP溶液無法下滲,會隨著坡面往下流失,下部可能會出現碳酸鈣堆積現象,所以分析EICP溶液處理粉土邊坡表面的次數也極為重要。

表3 各試樣不同區域碳酸鈣含量Table 3 Calcium carbonate content in different areas of each sample

從表3可以看出,碳酸鈣含量小的區域在降雨作用下表面侵蝕程度相對較高,表面侵蝕嚴重,表明試樣的膠結效果整體較弱。部分試樣表面生成了碳酸鈣,邊坡表面的整體加固效果更好,故其抗雨蝕的能力也越好。表4為不同試樣平均表面強度和平均碳酸鈣含量變化情況。

表4 各試樣平均表面強度和碳酸鈣含量Table 4 Average surface strength and calcium carbonate content of each sample

從表4可知,試樣C2比其他試樣碳酸鈣含量的平均值提高了235.2%,相對于試樣C1,試樣C2和D2的碳酸鈣含量分別提高了146.8%和58.9%,試樣D1的碳酸鈣含量降低了21.9%,說明反應3d的EICP溶液并不能提高土體中的碳酸鈣含量,在表面噴灑EICP溶液,使得邊坡表面生成了碳酸鈣的硬殼層,碳酸鈣含量升高;木質素可為碳酸鈣提供成核位點[22],同樣,試樣C1相對于試樣B1的碳酸鈣含量提高了220.8%,亦可說明添加木質素可改善EICP技術缺乏成核位點的問題,使得碳酸鈣富集從而提高黏聚力,增強土顆粒間膠結能力,表面強度隨之提高,抗雨蝕的能力也隨之增強,也說明碳酸鈣含量和表面強度的變化呈正相關關系。

3 結 論

a.經不同改性方式處理的粉土邊坡具有不同的抗雨蝕能力,EICP與木質素聯合改性試樣再噴灑EICP溶液的方式抗雨蝕效果最優(試樣C2)。對比各試樣的侵蝕狀況,發現表面強度和碳酸鈣含量對邊坡的抗雨蝕效果影響最為明顯,且邊坡的表面強度與碳酸鈣含量呈正相關關系。

b.試樣C2表面侵蝕最小,表面完整度最高;試樣C1侵蝕量比試樣A1、B1分別降低44.8%和18.81%,表明EICP與木質素聯合改性的方式具有較好的抵抗土體流失能力;試樣C2比試樣C1土體侵蝕量降低70.5%,表明在坡面噴灑一定的EICP溶液后抵抗土體流失能力進一步增強。

c.表面噴灑EICP溶液會在邊坡表層形成碳酸鈣硬殼層,有效減弱雨蝕作用,提高邊坡強度及碳酸鈣含量,保持邊坡良好的完整性。

d.添加木質素改性,可調節EICP碳酸鈣晶型并為碳酸鈣提供成核位點,使碳酸鈣附著在木質素上,更好地填充顆粒間空隙,降低其孔隙度,增強顆粒間膠結能力,使粉土邊坡具有更佳的抗雨蝕能力,亦驗證了坡面碳酸鈣含量與表面強度呈正相關關系。