趙珊珊，劉鎮(zhèn)，楊旭，周翠英

(1. 中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州，510275；2. 中山大學(xué)巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣東 廣州，510275)

雨量充沛的南方地區(qū)存在大量的粘性土邊坡。在降雨作用下，粘性土邊坡的表層土由于結(jié)構(gòu)松散、力學(xué)強(qiáng)度低極易遭受沖刷，造成邊坡水土流失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起坡體失穩(wěn)，威脅邊坡附近建筑結(jié)構(gòu)或工程體的安全。傳統(tǒng)的邊坡防護(hù)技術(shù)主要以客土噴播結(jié)合掛網(wǎng)植草的方式，常存在植物生長(zhǎng)不穩(wěn)定、長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)效果不明顯、施工材料環(huán)保性能不佳以及工程造價(jià)高等缺點(diǎn)[1]。采用無(wú)機(jī)或有機(jī)材料通過(guò)改良土壤[2-3]，能夠有效提高邊坡防護(hù)效果。無(wú)機(jī)加固材料如水泥、粉煤灰等[4-6]能有效提高土的力學(xué)強(qiáng)度，但改良土具有強(qiáng)度大、剛度大、滲透性差、土體中殘余無(wú)機(jī)材料多，不利于土壤的生態(tài)發(fā)展，較多用于加固地基、路堤等。

隨著有機(jī)高分子材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，有機(jī)高分子聚合物作為土壤改良劑廣受國(guó)際學(xué)者的關(guān)注[7-11]。在土的工程性質(zhì)改良方面，許多學(xué)者做了深入的研究，并取得了一定的成果[12-14]。施斌[15]研發(fā)的STW型有機(jī)土壤穩(wěn)定劑能明顯提高土壤的強(qiáng)度，并改良其水理性質(zhì)；賀智強(qiáng)等[16]采用天然材料木質(zhì)素加固黃土，改善了黃土的強(qiáng)度及崩解性；廖曉蘭等[17]采用聚丙烯酰胺改良鹽漬土的力學(xué)性能與耐水性能；Kukal等[18]研究了PVA改良土壤的抗雨滴侵蝕性能；陳峰軍等[19]進(jìn)行了生態(tài)土壤穩(wěn)定劑改良土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的模擬分析。以上研究表明，有機(jī)高分子聚合物能夠提高土的強(qiáng)度、改善土的水穩(wěn)定性，可以用于邊坡的表層土防護(hù)。為了科學(xué)指導(dǎo)工程應(yīng)用，有機(jī)高分子聚合物的作用機(jī)理成為研究的重點(diǎn)，劉瑾[20]選取丙烯酸等乙烯基單體為主體反應(yīng)合成出一種新型土固化劑，并采用化學(xué)方法分析了其固化機(jī)理； Diacono[21]研究了有機(jī)高分子物質(zhì)對(duì)土壤長(zhǎng)期肥力狀況的影響；Liu[22]提出了有機(jī)高分子聚合物加固邊坡表層土體的機(jī)理；Rahmat[23]研究了高聚物對(duì)粘土的長(zhǎng)期加固效果，以及相關(guān)機(jī)理；Marto[24]研究了非傳統(tǒng)添加劑對(duì)紅土特性和微觀結(jié)構(gòu)的改良；李建法[25]總結(jié)了高分子土壤結(jié)構(gòu)改良材料的主要種類及其作用機(jī)理。但，目前針對(duì)有機(jī)高分子聚合物的生態(tài)性能及改良土的生態(tài)應(yīng)用效果方面的研究較少。Latifi等[26]的研究證明了黃原膠是一種環(huán)保型穩(wěn)定劑，可提高膨脹粘土的工程性能。因此，尋求新型環(huán)保有機(jī)高分子材料并應(yīng)用于邊坡防護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)邊坡水土保持和生態(tài)修復(fù)是目前綠色邊坡防護(hù)的重點(diǎn)。

納米水性粘合劑是一種有機(jī)高分子酯類材料，具有分子量大、粘度高、粒徑小、乳液穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。同時(shí)，其不影響植被生長(zhǎng)、降解產(chǎn)物為CO2和H2O，是一種生態(tài)土壤改良材料[27]。本文采用納米水性粘合劑改良廣東地區(qū)粉質(zhì)粘土，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)、粒徑分析和壓汞試驗(yàn)，探究了不同加量納米水性粘合劑的改良效果及其規(guī)律，并探討其可能的作用機(jī)理，對(duì)納米水性粘合劑在生態(tài)護(hù)坡工程中的應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自廣東省廣州市天河區(qū)，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 粉質(zhì)粘土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of silty clay

本文所用納米水性粘合劑，是一種耐水解改性聚酯，常溫下呈白色粘稠乳液狀，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，可與水按照一定配比制成均勻分散液使用。納米水性粘合劑的有效高分子物質(zhì)在水分散液中以乳膠粒的形式存在，并具有強(qiáng)烈的粘附性。室溫條件下，納米水性粘合劑具有良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，在自然干燥條件下具有成膜性，且形成的膜富有彈性和韌性。納米水性粘合劑的基本性質(zhì)如表2所示。

表2 納米水性粘合劑的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of ADNB

圖1 納米水性粘合劑(左)和均勻水分散液(右)Fig.1 Aqua-Dispersing-Nano-Binder (left) and homogeneous water dispersion solution (right)

1.2 樣品制備及試驗(yàn)方法

將粉質(zhì)粘土烘干、碾碎，過(guò)2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。根據(jù)納米水性粘合劑的設(shè)計(jì)加量與設(shè)計(jì)用水量(試樣的設(shè)計(jì)含水率為17%)，配制納米水性粘合劑均勻水分散液，然后將納米水性粘合劑水分散液噴灑在干土上，并攪拌均勻(對(duì)于參照樣，則噴灑相同加量的水)。參照各試驗(yàn)方法及試樣規(guī)格，將攪拌均勻的土立即制樣，然后將試樣置于恒溫養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定為25℃, 到達(dá)預(yù)定齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。表3中列出了各試驗(yàn)中納米水性粘合劑的加量及試樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)和滲透試驗(yàn)的試樣制備參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)，采用靜力壓樣法，使試樣達(dá)到設(shè)計(jì)干密度1.7 g/cm3。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸為內(nèi)徑39.1 mm、高度80 mm，直接剪切試驗(yàn)的試樣尺寸為內(nèi)徑61.8 mm、高度20 mm，滲透試驗(yàn)的試樣尺寸為內(nèi)徑61.8 mm、高度40 mm。試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)變速率為2.0 mm/min；直接剪切試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ輕便型應(yīng)變控制式直剪儀，試驗(yàn)時(shí)施加的四級(jí)荷載分別為50 KPa、100 KPa、200 KPa和300 KPa，采用快剪法，應(yīng)變速率為0.8 mm/min；滲透試驗(yàn)采用南土TST-55型滲透儀。

粒徑分析采用篩分法與Mastersizer 2000激光粒度分析儀聯(lián)合測(cè)定。試驗(yàn)采用均勻拌合未壓實(shí)且達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的散土進(jìn)行測(cè)試。

參照滲透試驗(yàn)結(jié)果，取滲透試驗(yàn)后有代表性的試樣，用鋒利小刀從試樣內(nèi)部切取2 cm×2 cm×2 cm立方塊體，并冷凍干燥，用于壓汞試驗(yàn)。壓汞試驗(yàn)采用美國(guó)麥克高性能全自動(dòng)壓汞儀AutoPore IV9 500，其可測(cè)量孔徑范圍為0.003 μm到1 100 μm。

表3 納米水性粘合劑加量及試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間Table 3 The dosage of ADNB and curing time of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響 不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下納米水性粘合劑對(duì)改良土強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖2～圖3。圖2表明：隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所增大。不同粘合劑加量改良土的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律呈兩種狀態(tài)：對(duì)于0.5%及1.0%改良樣，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨緩，養(yǎng)護(hù)3 d后強(qiáng)度無(wú)較大增長(zhǎng)；同時(shí)，各加量間的強(qiáng)度值差別較小。其中，養(yǎng)護(hù)7天時(shí)1.0%改良樣、0.5%改良樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為664 KPa和603 KPa；對(duì)于2.0%、3.0%及5.0%改良樣，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍有較大幅度增長(zhǎng)。其中，5.0%改良樣養(yǎng)護(hù)3天、養(yǎng)護(hù)7天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為796 KPa和1 135 KPa。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化Fig.2 Curve of variation of unconfined compressive strength with curing time

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化Fig.3 Diagram of the increment of unconfined compressive strength with curing time

圖3為不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量圖。圖3表明：隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。其中，參照樣(CK)養(yǎng)護(hù)至5 d及7 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增量分別為354.5 KPa和359.5 KPa，幾乎無(wú)變化；2%改良樣養(yǎng)護(hù)至5 d及7 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增量分別為617.9 KPa和670.3 KPa，僅相差52.4 KPa。此外，當(dāng)養(yǎng)護(hù)超過(guò)3 d后，改良樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量明顯大于參照樣(CK)。其中，2%改良樣養(yǎng)護(hù)3 d后強(qiáng)度增量為454.2 KPa，為參照樣(CK)強(qiáng)度增量(277.6 KPa)的1.6倍；5 d后強(qiáng)度增量為617.9 KPa，為參照樣(CK)強(qiáng)度增量(354.5 KPa)的1.7倍。這說(shuō)明納米水性粘合劑對(duì)土改良的過(guò)程就是與土顆粒相互作用的過(guò)程，當(dāng)改良土養(yǎng)護(hù)至3 d后，納米水性粘合劑發(fā)揮作用較為充分。

2.1.2 粘合劑加量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響 粘合劑加量對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律見圖4。圖4表明：隨粘合劑加量的增加，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所增大(見圖4(a))。隨粘合劑加量的變化，不同養(yǎng)護(hù)齡期改良土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈兩種狀態(tài)：對(duì)于養(yǎng)護(hù)0 d的試樣，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粘合劑加量的增加雖有一定程度的增大，但增加幅度較小(見圖4(b))。其中，1.0%改良樣、5.0%改良樣的抗壓強(qiáng)度增量分別為7.2 KPa和15.0 KPa；養(yǎng)護(hù)超過(guò)1 d后，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且隨粘合劑加量的增加，強(qiáng)度增量不斷增大，并趨于穩(wěn)定(見圖4(b))。以養(yǎng)護(hù)3 d的改良樣為例，當(dāng)粘合劑加量小于1.0%時(shí)，改良樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量較小，分別為21.4 KPa和49.2 KPa；但當(dāng)粘合劑加量大于2.0%時(shí)，改良樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量急劇升高，2%改良樣、3%改良樣、5%改良樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增量分別為189.1 KPa、266.3 KPa、318.4 KPa。這說(shuō)明，在納米水性粘合劑作用發(fā)揮較充分的條件下，2%納米水性粘合劑加量是能有效提高強(qiáng)度的較優(yōu)加量。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粘合劑加量的變化Fig.4 The regularity of unconfined compressive strength with ADNB dosage

2.2 直接剪切試驗(yàn)

納米水性粘合劑改良粉質(zhì)粘土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)如表4所示。從表4的粘聚力可以看出：養(yǎng)護(hù)0 d試樣的粘聚力隨粘合劑加量的增加有小幅增大，5%改良樣的粘聚力較參照樣(CK)的增幅僅為20.4 KPa；養(yǎng)護(hù)3 d后，試樣的粘聚力較養(yǎng)護(hù)0 d試樣的粘聚力有較大提高，且隨粘合劑加量的增加，粘聚力不斷增大。其中，2%改良樣的粘聚力為170.8 KPa，為養(yǎng)護(hù)0 d條件下2%改良樣粘聚力的7.2倍；5%改良樣內(nèi)聚力為206.3 KPa，為養(yǎng)護(hù)0 d條件下5%改良樣粘聚力的6.2倍。同時(shí)，當(dāng)粘合劑加量超過(guò)2%時(shí)，其粘聚力增長(zhǎng)趨緩。

從表4的內(nèi)摩擦角可以看出：養(yǎng)護(hù)0 d試樣的內(nèi)摩擦角隨粘合劑加量的增加幾乎不變；養(yǎng)護(hù)3 d后，試樣的內(nèi)摩擦角較養(yǎng)護(hù)0 d試樣的內(nèi)摩擦角有較大幅度提高，其提高幅度在91%～120%之間，但對(duì)于養(yǎng)護(hù)3 d的改良土試樣，隨粘合劑加量的變化，其內(nèi)摩擦角幾乎不變。

表4 粘聚力和內(nèi)摩擦角Table 4 The cohesion force and the internal friction angle

2.3 滲透性

土的滲透性是其穩(wěn)定性和孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同作用的結(jié)果。納米水性粘合劑改良粉質(zhì)粘土的滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5表明，隨粘合劑加量的增加，改良樣的滲透系數(shù)呈先增大后降低的規(guī)律。當(dāng)粘合劑加量為2.0%時(shí)，試樣的滲透系數(shù)最大(1.044×10-4cm/s)，為參照樣滲透系數(shù)的2.7倍；當(dāng)粘合劑加量超過(guò)2.0%時(shí)，試樣的滲透系數(shù)隨粘合劑加量的增加而減小，但滲透系數(shù)仍較參照樣有較大提升：3.0%改良樣的滲透系數(shù)為參照樣滲透系數(shù)的2.3倍；5.0%改良樣的滲透系數(shù)為參照樣滲透系數(shù)的1.8倍。

圖5 粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)隨粘合劑加量的變化Fig.5 Curve of permeability coefficient of silty clay with ADNB dosage

當(dāng)粘合劑加量小于2.0%時(shí)，隨粘合劑加量的增加，滲透性提高。這是因?yàn)楫?dāng)粘合劑加量較少時(shí)，土粒間的粘結(jié)效果未達(dá)到最佳，仍有部分細(xì)顆粒被水流帶走填充土中的微孔隙，影響其滲透性。當(dāng)粘合劑加量大于2.0%時(shí)，隨粘合劑加量的增加，粒間孔隙部分或全部被粘合劑形成的網(wǎng)狀膜填充，這在一定程度上削弱了流動(dòng)水裹挾細(xì)顆粒的能力；另一方面，較完整的網(wǎng)狀膜使得土體的整體性和穩(wěn)定性提高，當(dāng)水完全浸潤(rùn)網(wǎng)狀膜后，仍可以順暢地通過(guò)。因此，隨粘合劑加量的增加，其改良土的滲透性仍較未改良土的大。

2.4 粒徑尺寸及分布

土壤學(xué)[28]中一般把直徑大于0.25 mm的土壤團(tuán)粒體稱為大團(tuán)粒體，而直徑小于0.25 mm的土壤團(tuán)粒體稱為微團(tuán)粒體。顆粒直徑大于0.25 mm的團(tuán)粒對(duì)土壤的農(nóng)學(xué)價(jià)值起主要作用，通常把粒徑大于0.25 mm的團(tuán)粒作為評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

首先，將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)。根據(jù)篩分結(jié)果，直徑小于0.1 mm、直徑大于0.25 mm及直徑為1～2 mm的顆粒質(zhì)量比隨粘合劑加量的變化如圖6所示。圖6表明：隨粘合劑加量的增加，細(xì)顆粒(直徑<0.1 mm)數(shù)量在減少，粗顆粒(直徑>0.25 mm和直徑為1～2 mm)數(shù)量在增加。對(duì)于直徑<0.1 mm的細(xì)顆粒量，2%改良樣比參照樣(CK)減少了39.5%，5%改良樣比參照樣(CK)減少了56.2%；對(duì)于直徑>0.25 mm的粗顆粒量，0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和5.0%改良樣比參照樣(CK)分別增加了5.8%、9.1%、10.6%、13.6%和15.3%。

圖6 各粒組篩分質(zhì)量比隨粘合劑加量的變化Fig.6 Screening quality ratio of each grain group changes with the amount of ADNB

圖7 1～2 mm團(tuán)粒占比隨粘合劑加量的變化Fig.7 1～2 mm aggregate proportion changes with the amount of ADNB

在直徑大于0.25 mm的粗顆粒中，對(duì)于直徑1～2 mm的大顆粒，其顆粒量隨粘合劑加量的增加而增大；2%改良樣中直徑為1～2 mm的顆粒量為參照樣(CK)的1.4倍，5%改良樣中直徑為1～2 mm的顆粒量為參照樣(CK)的1.6倍。圖7是直徑為1～2 mm顆粒在直徑大于0.25 mm顆?？偭恐械恼急扰c粘合劑加量的關(guān)系曲線。圖7表明，隨粘合劑加量的增加，直徑為1～2 mm顆粒量在粗顆粒中的占比逐漸增大。這說(shuō)明，納米水性粘合劑能夠通過(guò)其粘結(jié)作用粘結(jié)細(xì)顆粒從而形成大顆粒，且當(dāng)粘合劑足夠多時(shí)，還可以通過(guò)高分子鏈間的纏繞、搭接等作用使較大顆粒成為更大的團(tuán)粒。

隨后，采用激光粒度分析儀對(duì)直徑小于1 mm的土顆粒進(jìn)行粒度測(cè)試。納米水性粘合劑改良土直徑小于1 mm的顆粒含量及其分布曲線如圖8所示。

圖8 粒徑曲線(a-顆粒分布曲線；b-顆粒累積曲線)Fig.8 The curve of particle size (a-curve of particle distribution; b-curve of particle accumulation)

圖8(a)表明，土的顆粒粒徑主要分布在三個(gè)尺寸區(qū)間，分別為：5～10 μm(中粉粒)；50～60 μm(細(xì)砂粒)；200～400 μm(粗砂粒)。隨粘合劑加量的增加，土中的顆粒尺寸及含量發(fā)生變化，從而引起粒徑分布的變化。對(duì)于中粉粒粒組，隨粘合劑加量的增加，其粒徑分布曲線向右偏移，峰值粒徑由參照樣(CK)的5.5 μm增加到5.0%改良樣的11.4 μm，粒徑尺寸增加了107%；對(duì)于中細(xì)砂粒粒組，隨粘合劑加量的增加，其峰值粒徑尺寸幾乎不變；對(duì)于粗砂粒粒組，隨粘合劑加量的增加，其粒徑分布曲線變化較小，僅有3%改良樣及5%改良樣的峰值粒徑出現(xiàn)向左偏移。圖8(b)表明，隨粘合劑加量的增加，粒徑累積分布曲線向右偏移，粘粒含量由參照樣的9.1%減少到5.0%改良樣的3.8%，降低了5.3%；粉粒含量由參照樣的62.1%減少到5.0%改良樣的51.6%，降低了10.5%；細(xì)砂粒含量由參照樣的85%減少到5.0%改良樣的84%，降低了1%，變化不大。

綜合粒徑篩分及激光粒度分析，可以發(fā)現(xiàn)：納米水性粘合劑的主要作用對(duì)象為粘粒，它通過(guò)粘合劑表面的活性基團(tuán)將粘粒粘結(jié)為較大尺寸的粉粒，因此粘粒含量減少。進(jìn)一步地，高分子鏈間的纏繞主要作用在較大尺寸的粒組，如粗粉粒及細(xì)砂粒，使其纏繞凝結(jié)為更大尺寸的粗砂粒及石礫，因此直徑大于0.25 mm的顆粒增多。同時(shí)，粘粒團(tuán)聚為粉粒，部分粉粒又纏繞為砂粒，使得粉粒和砂粒的尺寸及含量得以組合并重新排布。

2.5 壓汞試驗(yàn)

圖9為粉質(zhì)粘土參照樣與2%改良樣的孔體積累積曲線。圖9表明，在孔徑可測(cè)范圍(0.003-1000 μm)內(nèi)，2%改良樣的累積孔體積均大于參照樣(CK)。其中，2%改良樣孔徑<0.002 mm的累積孔體積為0.124 mL/g，比參照樣(CK)的累積孔體積(0.131 mL/g)降低了5%；2%改良樣孔徑在0.002～0.02 mm區(qū)間的累積孔體積為0.029 L/g，比參照樣(CK)的累積孔體積(0.019 mL/g)提高了52.6%；2%改良樣孔徑>0.02 mm的累積孔體積為0.046 L/g，比參照樣(CK)的累積孔體積(0.012 mL/g)提高了283%。這說(shuō)明納米水性粘合劑極大地改良了土的孔隙結(jié)構(gòu)，使其無(wú)效孔隙減少，毛細(xì)孔隙及通氣孔隙數(shù)量增多，且通氣孔隙增加幅度最大。

圖9 粉質(zhì)粘土孔體積累積曲線Fig.9 The accumulation curve of pores volume

圖10為粉質(zhì)粘土試樣在不同孔徑處的孔體積微分曲線。圖10表明，參照樣(CK)的峰值孔徑為227 nm，2%改良樣的峰值孔徑向右偏移，出現(xiàn)在431 nm處，是參照樣(CK)的1.9倍，這說(shuō)明微孔徑數(shù)量在減少。此外，在孔徑范圍為1 000～100 000 nm的區(qū)間內(nèi)，參照樣(CK)出現(xiàn)峰值孔徑9 065 nm，且隨孔徑的增大，相應(yīng)孔徑數(shù)量均較少。而對(duì)于2%改良樣，除在10 000～20 000 nm區(qū)間內(nèi)孔隙數(shù)量較參照樣少外，其它尺寸的孔徑均比參照樣(CK)的多。其中，2%改良樣孔徑為3 000 nm的數(shù)量為參照樣(CK)的5.9倍；孔徑大于20 000 nm范圍內(nèi)，2%改良樣孔徑數(shù)量為參照樣(CK)的3～6.5倍。

圖10 粉質(zhì)粘土孔體積微分曲線Fig.10 The differential curve of pores volume

2.6 掃描電鏡試驗(yàn)

圖11和12為粉質(zhì)粘土參照樣和5%改良樣在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)照片。

對(duì)比圖11和12發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)粘土參照樣的微結(jié)構(gòu)單元以扁平狀、片狀為主，棱角分明，片狀單元間大多以邊-面、點(diǎn)-面的形式接觸，孔隙較發(fā)育(圖11d)，形成了單元間相互堆疊、伴有架空結(jié)構(gòu)的土微結(jié)構(gòu)。而經(jīng)納米水性粘合劑作用的5%改良樣，部分土微粒膠結(jié)成了較大顆粒，土粒的棱角減少，結(jié)構(gòu)單元以邊-面、面-面接觸為主，微粒間的連結(jié)使其排列更緊密，微結(jié)構(gòu)孔隙減少，微結(jié)構(gòu)從堆疊結(jié)構(gòu)向絮凝狀結(jié)構(gòu)發(fā)展。此外，從圖12(d)放大8000倍的SEM照片中可以看到，經(jīng)納米水性粘合劑改良后，松散微粒緊密粘結(jié)在結(jié)構(gòu)單元體表面上，且片狀顆粒之間以面-面的形式緊密接觸。

3 改良機(jī)理分析

納米水性粘合劑均勻乳液是由耐水解聚酯分散在水中獲得的。通過(guò)乳化作用，這些耐水解聚酯高分子鏈相互纏繞、聚集，形成乳膠粒，耐水解聚酯以乳膠粒的形式穩(wěn)定分散在水中。這些乳膠粒在水中均勻分散，隨著水分的蒸發(fā)，乳膠粒子內(nèi)的高分子鏈相互擴(kuò)散，形成一層彈性膜結(jié)構(gòu)。

圖11 粉質(zhì)粘土參照樣的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM photos of reference specimens

圖12 粉質(zhì)粘土5%改良樣的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM photos of 5% ADNB treated specimens

粉質(zhì)粘土中含較多親水粘土礦物組成的細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒相互粘結(jié)并與大尺寸顆粒交錯(cuò)分布(圖13(a))。納米水性粘合劑以水分散液形式進(jìn)入土中，由于土粘粒表面的親水性及粘合劑乳膠粒的粘性，使得乳膠粒更易與粘粒吸附。隨著土中水分的蒸發(fā)，乳膠粒中包裹的高分子鏈擴(kuò)散出來(lái)。高分子鏈上具有活性極性基團(tuán)羧基(—COOH)和羥基(—OH)，活性基團(tuán)能夠通過(guò)離子交換與粘粒連結(jié)，同時(shí)氫鍵的形成及分子間作用力范德華力的增大，使得納米水性粘合劑與粘粒的吸附作用加強(qiáng)，在離子交換與吸附的共同作用下，細(xì)顆粒粘結(jié)為較大顆粒。進(jìn)一步地，高分子鏈發(fā)生彎曲、纏繞使得單鏈高分子鏈上的粘粒團(tuán)聚為較大尺寸的團(tuán)粒，且其形狀取決于高分子鏈的彎曲形態(tài)(圖13(b))。最終，高分子鏈在土顆粒表面不斷包覆，并填充在細(xì)小孔隙中，高分子鏈形成的彈性模(圖14)建立了粒間連結(jié)。

圖13 “顆粒重組式”結(jié)構(gòu)演化過(guò)程Fig.13 The evolution process of “granular recombination” of structure

彈性膜形成的粒間連結(jié)提高了土的穩(wěn)定性，顆粒間的重新排布改良了土的結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)同提高了土的滲透性能。

4 結(jié) 論

(1)納米水性粘合劑能夠提高粉質(zhì)粘土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，且養(yǎng)護(hù)3 d后納米水性粘合劑發(fā)揮作用較充分，用于坡面防護(hù)時(shí)，2%納米水性粘合劑加量為有效提高強(qiáng)度的較優(yōu)加量，且應(yīng)在天氣良好時(shí)施工，同時(shí)保證至少有三天晴天。

(2)納米水性粘合劑通過(guò)粘結(jié)細(xì)顆粒為大團(tuán)粒、大團(tuán)粒間重新排布改良土結(jié)構(gòu)，為“顆粒重組式”結(jié)構(gòu)改良模式，且土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及顆粒排布優(yōu)化共同提高了其滲透性。

(3)納米水性粘合劑具有干燥成膜性，通過(guò)填充粒間孔隙及包裹連結(jié)顆粒形成的彈性膜增大粒間連結(jié)力，提高了土的整體穩(wěn)定性。

綜上，納米水性粘合劑不僅有效提高土的強(qiáng)度，而且能優(yōu)化土的結(jié)構(gòu)，使得土顆粒尺寸變大，無(wú)效孔隙減少，毛細(xì)孔隙及通氣孔隙數(shù)量增多，透水性增強(qiáng)，從而為植被生長(zhǎng)提供良好的基質(zhì)環(huán)境，是一種生態(tài)土壤改良材料，可以將納米水性粘合劑應(yīng)用于邊坡表層土防止沖刷流失，有效提高邊坡的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)護(hù)坡。