董慶杰,尹國宏,趙 健,李玉玲,宗云翠,韓春鵬

(1. 東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040; 2. 黑龍江省公路建設(shè)中心,黑龍江 哈爾濱 150090;3. 黑龍江省公路勘察設(shè)計院,黑龍江 哈爾濱 150090; 4. 黑龍江省弘正建設(shè)工程有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

地下水的毛細(xì)作用對公路路基有嚴(yán)重的危害。水分的不斷侵蝕會逐漸改變路基的干濕類型,最終導(dǎo)致路基土體強(qiáng)度變?nèi)?承載力下降,尤其對于季凍區(qū)公路路基,由于四季溫差較大,地下水的遷移會使得路基土體凍脹情況加劇,最終造成翻漿、融沉等公路路基病害[1-5],因此對于公路路基的隔水處理十分重要。目前工程上主要路基隔水處理方法分為2種:一是外加材料改性土質(zhì),例如石灰、粉煤灰和水泥改性土等[6-9],另一種是增加粒料隔離層、增加路基填高、鋪設(shè)土工格柵及換填等物理措施[10-12],但是這些處理措施存在著不同程度的缺點(diǎn),例如施工工藝繁瑣,增加整體工程量,對缺乏粒料類材料地區(qū)較難實(shí)現(xiàn),增加粒料、土質(zhì)等自然資源的使用等。而有機(jī)硅疏水材料作為一種新興疏水處理材料,具有價格較低、防水、防凍等契合路基隔水層特質(zhì)的優(yōu)點(diǎn),采用有機(jī)硅疏水材料作為制備路基隔水層的材料可以在一定程度上減少工程量、降低工程預(yù)算、節(jié)約傳統(tǒng)材料,同時由于其無污染的特性,符合國家公路建設(shè)的綠色、環(huán)保、低碳理念。其在公路路基邊坡集水、歷史文物遺址防潮處理、混凝土材料防水等各方面均起到了重要的作用[13-15]。

為驗(yàn)證疏水材料作用后的土體能夠滿足路基隔水層的隔水需求,首先針對噴灑疏水材料的路基土的滲透特性展開研究:以不同疏水材料單位面積用量和不同噴灑層數(shù)組合進(jìn)行滲透試驗(yàn),探究在上述2種因素的影響下有機(jī)硅疏水材料對路基土體隔水性能的提升。然后采用接觸角試驗(yàn)加以驗(yàn)證,研究土體表面疏水性的變化。

同時越來越多的研究表明,土體的微觀結(jié)構(gòu)改變與其宏觀性能之間有重要的關(guān)聯(lián)[16-19]。土體顆粒和孔隙的分布、數(shù)量、排列方式、具體尺寸等都對路基土體的滲透性具有重要影響,因此從微觀結(jié)構(gòu)變化的角度去分析土體宏觀滲透性的變化是十分必要的[20-22]。本文采用Image-Pro Plus 6.0對土體的微觀圖像進(jìn)行處理,分析路基土體的孔隙面積、數(shù)量等微觀結(jié)構(gòu)的變化與其滲透性能之間的關(guān)聯(lián)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)土體

依據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對試驗(yàn)土進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測定可得:土體液塑限分別為22.9%、34.5%,塑性指數(shù)為11.6,最佳含水率16.25%,最大干密度1.78 g/cm3,土體級配曲線如圖1所示。結(jié)合圖1及相關(guān)文獻(xiàn)[23]可知,該土體為粉質(zhì)黏土,Cu為26.4、Cc為1.1,其級配較良好,同時液塑限符合規(guī)范要求,適合用作路基填土[24]。

圖1 土體級配曲線

1.2 有機(jī)硅疏水材料

有機(jī)硅疏水材料基本指標(biāo)如表1所示。

表1 有機(jī)硅疏水材料基本指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)儀器與方案

1.3.1 試驗(yàn)儀器

室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)采用TST-55型滲透儀,主要由滲透容器、壓力水頭玻璃管及供水器組成,環(huán)刀直徑61.8 mm,高40 mm;接觸角試驗(yàn)采用型號OCA20視頻光學(xué)接觸角測量儀;對于掃描電鏡試驗(yàn),采用型號JSM-7500F的掃描電子顯微鏡。

1.3.2 試驗(yàn)方案

首先將有機(jī)硅疏水材料與水拌和均勻形成溶液,然后將其噴灑在壓實(shí)成型的土體表面,疏水材料單位面積用量分別為0、23.8、45.5、65.2、83.3、100 g/m2,對應(yīng)外摻法制備溶液的濃度為0%、5%、10%、15%、20%、25%,溶液制備流程如圖2所示。

圖2 有機(jī)硅疏水材料溶液制備過程

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)及相關(guān)研究結(jié)果選定作用時間為24 h,噴灑層數(shù)為單層及雙層。對于單層噴灑試樣,首先在最佳含水率及最大干密度條件下使用φ61.8 mm×40 mm環(huán)刀靜壓成型,壓實(shí)度為96%,然后在成型試件的表面噴灑有機(jī)硅疏水材料溶液。該溶液會自然入滲土樣,入滲深度平均為5 mm,即對于試驗(yàn)試樣來說,自上而下5 mm深度范圍為有機(jī)硅疏水材料改性土體,其下方35 mm范圍內(nèi)土體均為普通土體。

對于雙層噴灑試樣,首先根據(jù)最佳含水率及最大干密度確定土體質(zhì)量,然后將其均分成2份,使用2個φ61.8 mm×20 mm環(huán)刀分別靜壓成型,壓實(shí)度均為96%。最后在2個試樣的表面分別噴涂疏水材料溶液,達(dá)到作用時間后令疏水材料作用面向上將2個試樣疊放入φ61.8 mm×40 mm的環(huán)刀中。試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)方案

選擇單層噴灑試樣進(jìn)行接觸角試驗(yàn),采用靜態(tài)滴落法,滴定溶液為蒸餾水。每個試件選擇5個不同的點(diǎn)位測試,以其平均值作為該情況下試樣的接觸角大小。通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疏水材料溶液可以滲入土體5 mm左右深度,因此對于掃描電鏡試驗(yàn),觀測斷面為垂直疏水材料作用面自上而下5 mm范圍。

2 有機(jī)硅對土體滲透性影響結(jié)果分析

2.1 影響因素分析

1)疏水材料單位面積用量

單層及雙層噴灑時土體滲透系數(shù)隨有機(jī)硅疏水材料單位面積用量的變化曲線如圖3所示,經(jīng)測定素土試件的滲透系數(shù)為1.34×10-6cm/s。由圖3(a)分析可知,在單層噴灑條件下土體的滲透系數(shù)隨疏水材料單位面積用量的提高而逐漸降低,近似線性關(guān)系。相較素土試件,單層噴灑條件下土體滲透系數(shù)均有十分顯著的降低,疏水材料單位面積用量為23.8 g/m2時,土體滲透系數(shù)為8.230×10-7cm/s,較素土降低幅度為38.58%;當(dāng)疏水材料單位面積用量為100 g/m2時,土體滲透系數(shù)最低為3.042×10-7cm/s,較素土降低幅度為77.30%。圖3(b)雙層噴灑條件下土體滲透系數(shù)隨著有機(jī)硅疏水材料單位面積用量變化的趨勢與單層噴灑時相似,均近似線性變化。其中疏水材料單位面積用量為23.8 g/m2時土體滲透系數(shù)為1.521×10-7cm/s,較素土降低幅度為88.65%;疏水材料單位面積用量為100 g/m2時土體滲透系數(shù)最低,較素土降低幅度為95.43%。

圖3 單層及雙層噴灑條件下土體滲透系數(shù)變化

2)噴灑層數(shù)

由圖4分析可知,雙層噴灑時土體的滲透系數(shù)相較于單層噴灑時降低的更為明顯。并且在相同疏水材料單位用量情況下,雙層噴灑時滲透系數(shù)相較于單層噴灑的降幅至少在79.85%以上,說明雙層布置可以起到“1+1>2”的效果。但同一用量條件下,雙層噴灑與單層噴灑對應(yīng)的滲透系數(shù)的差值會隨著疏水材料單位面積用量的增加而逐漸下降,單位面積用量為23.8 g/m2時其差值最大,為6.709×10-7cm/s,占素土滲透系數(shù)的50.07%;當(dāng)單位面積用量為100 g/m2時其差值最小,為2.429×10-7cm/s,占素土滲透系數(shù)的18.13%。這是由于隨著有機(jī)硅疏水材料單位面積用量的增加,即使是單層噴灑,土體滲透系數(shù)也已經(jīng)大幅度下降,因此其差值會逐漸變小。雙層及單層噴灑條件下室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)試件在水頭壓力作用下水分遷移圖示如圖5所示。

圖4 不同噴灑層數(shù)條件下土體滲透系數(shù)對比圖

圖5 水頭壓力下水分在試件內(nèi)部遷移圖示

2.2 接觸角試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6可知無法測得素土的接觸角數(shù)值,蒸餾水會在接觸素土表面的瞬間迅速浸入素土試件,這說明素土具有極強(qiáng)的親水性。圖7為放大1000倍的素土SEM圖片,其顆粒聯(lián)結(jié)較弱,整體呈現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu),孔隙較為明顯。

圖6 素土接觸角實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 素土放大1000倍的SEM圖

由表3分析可知,噴灑有機(jī)硅疏水材料后土體表面接觸角發(fā)生了明顯變化,均大于105°,這說明有機(jī)硅疏水材料可以使原本親水的土體獲得很強(qiáng)的疏水性能。同時在疏水材料單位面積用量為23.8～83.3 g/m2時,土體表面接觸角會隨著單位面積用量的增加而逐漸減小,這可能是由于噴涂疏水材料溶液后土體表面的粗糙度發(fā)生了變化,當(dāng)單位面積用量較低時疏水材料與土體反應(yīng)后不足以完全附著土體顆粒表面,從而使得試件表面在獲得疏水性的同時仍較為粗糙,凹凸不平,當(dāng)蒸餾水水滴與其接觸時被托舉,因此接觸角較大。而隨著單位面積用量的增加,土體表面逐漸變得平滑,接觸角有減小的趨勢。

表3 室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)方案

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

土體的微觀結(jié)構(gòu)能夠較好地反映其宏觀物理性能的變化,尤其是土體顆粒與孔隙的分布、數(shù)量、尺寸等對其滲透性能具有重要的影響。土體在有機(jī)硅疏水材料不同單位面積用量下的微觀形態(tài)變化如圖8所示,可以發(fā)現(xiàn)隨著疏水材料單位面積用量的增加,土體顆粒表面越來越光滑,疏水材料與土體很好地反應(yīng)結(jié)合在一起,這也與接觸角隨著疏水材料用量的增加而逐漸降低的情況所吻合。

圖8 不同單位面積疏水材料用量下土體微觀結(jié)構(gòu)

在疏水材料不同單位面積用量條件下,通過對土體的孔隙數(shù)量、面積等指標(biāo)的測量研究土體噴灑疏水材料后其微觀結(jié)構(gòu)與滲透性能的變化聯(lián)系。SEM試驗(yàn)共拍攝了100倍、500倍、1000倍、3000倍的電鏡圖像,結(jié)合已有關(guān)于粉質(zhì)黏土的電鏡圖像定量分析最終確定以1000倍放大倍數(shù)圖像展開研究[25],不同疏水材料用量的土體均拍攝10張圖像。

1)圖像處理

圖像處理共分為3個階段,分別是圖像的二值化處理、二值化圖像的降噪處理和經(jīng)過上述2項處理過程后圖像中土體孔隙面積、數(shù)量等相關(guān)信息的提取。其中二值化處理的目的是有效區(qū)分圖像中的孔隙和土體顆粒,將其采用黑白兩色分別表示,而采用二值化處理時最關(guān)鍵的就是閾值的選取。圖像上的每個點(diǎn)都有著一定的灰度值,其值介于0和255之間,選取一個灰度值作為標(biāo)準(zhǔn),將大于其值的全都定為255(白色),而將小于其值的全都定為0(黑色),由黑白兩色形成的2個部分就分別代表著土體顆粒和孔隙,而該灰度值即為閾值[26-27]。本試驗(yàn)中將素土試件的理論孔隙度作為評判閾值選取是否合理的標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)計算可知素土試件的理論孔隙度為33.8%。采用MATLAB軟件對圖像進(jìn)行處理,閾值的選擇采用人工確定的方法,首先令3個人對素土的10張圖像進(jìn)行人工的閾值判定,從而得到30個不同的閾值,然后按照3倍標(biāo)準(zhǔn)差的方法將異常值剔除,余下的數(shù)值取平均值作為最終的閾值。本試驗(yàn)中最終閾值為115.4,將素土試件的10張圖像按照閾值為115.4進(jìn)行二值化處理,然后將其孔隙度取平均值,結(jié)果其與理論孔隙度相差不到15%,說明閾值選取合理。圖9所示為二值化處理前后的圖像,其中圖9(b)中白色代表土體顆粒,黑色代表孔隙。

圖9 圖像二值化處理

圖像經(jīng)過二值化處理后其上會出現(xiàn)不同程度的雜點(diǎn),干擾孔隙與土體顆粒相關(guān)信息的提取,本文使用MATLAB對二值化處理后的圖像降噪。然后通過Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的提取[28]:①圖像尺寸的標(biāo)定。將1000倍圖像采用10 μm標(biāo)準(zhǔn)長度進(jìn)行標(biāo)定從而確定土顆粒及孔隙準(zhǔn)確尺寸;②分析對象的選擇。本試驗(yàn)中將孔隙的相關(guān)信息作為主要分析對象;③測量項目的選擇。依據(jù)土體微觀孔隙的特征最終選定孔隙面積、單孔最大直徑、單孔平均直徑、孔隙數(shù)量作為主要的測量對象。

2)結(jié)果分析

有機(jī)硅疏水材料的摻入對于土體微觀孔隙面積的變化具有十分重要的影響,由圖10可知,土體孔隙面積總體上隨著疏水材料單位面積用量的增加而減小。其中孔隙減小最明顯的階段為素土到疏水材料單位面積用量為23.8 g/m2時土體的變化,其孔隙面積由6539.51 μm2減小為3156.51 μm2,降幅達(dá)到51.73%,而同時該階段土體滲透系數(shù)的下降也是最明顯的。在疏水材料單位面積用量為23.8～100 g/m2的階段,土體孔隙的總面積會隨著疏水材料單位面積用量的增加而持續(xù)降低,但降幅較緩。當(dāng)疏水材料單位面積用量為83.3 g/m2時,土體孔隙面積為2569.25 μm2,相較于素土降幅達(dá)到60.71%。而隨著疏水材料用量的繼續(xù)增加,在單位面積用量為100 g/m2時其孔隙面積與單位面積用量為83.3 g/m2時基本持平,說明此時疏水材料作用量對于土體孔隙的影響減小。

圖10 孔隙總面積與有機(jī)硅疏水材料單位面積用量關(guān)系圖

由圖11可知,總體上單孔最大直徑會隨著有機(jī)硅疏水材料用量的增加而逐漸變小。噴灑有機(jī)硅疏水材料后土體的單孔最大直徑明顯小于素土的,其單孔最大直徑相較于素土的降幅至少為36.89%。隨著疏水材料單位面積用量的增加,土體的單孔最大直徑下降趨勢變緩。疏水材料單位面積用量為100 g/m2時其單孔最大直徑為57.54 μm,相較于單位面積用量為23.8 g/m2時降幅為22.37%。上述分析說明,有機(jī)硅疏水材料可以有效減少土體內(nèi)大直徑孔隙,從而在一定程度上提高主體的抗?jié)B性能。

圖11 單孔最大直徑與疏水材料單位面積用量關(guān)系圖

土體孔隙數(shù)量及孔隙平均直徑隨著有機(jī)硅疏水材料用量的變化趨勢如圖12所示?？紫稊?shù)量整體上會隨著疏水材料單位面積用量的增加而增加,噴灑疏水材料的土體其孔隙數(shù)量相較于素土來說增幅至少為22.32%,最大增幅可達(dá)45.03%。當(dāng)疏水材料單位面積用量為23.8～65.2 g/m2時,孔隙數(shù)量在550左右波動,而當(dāng)疏水材料單位面積用量為83.3～100 g/m2時孔隙數(shù)量可增加到700～750之間。同時由圖12可知,孔隙的平均直徑隨著疏水材料單位面積用量的增加呈現(xiàn)波動下降的趨勢,這說明有機(jī)硅疏水材料用量的增加不會導(dǎo)致孔隙平均直徑必然地減小。但是在總體上孔隙的平均直徑仍然是會隨著有機(jī)硅疏水材料用量的增加而逐漸減小,原因如下:由圖10可知,隨著疏水材料單位面積用量的增加土體孔隙的面積逐漸減小,而由圖12可知,此時孔隙的數(shù)量卻一直在上升,因此孔隙平均直徑有所降低,這說明越來越多的大孔隙被分割為小孔隙。大孔隙被分為小孔隙從而使得土體的抗?jié)B性能逐步提高,這也解釋了為什么圖10中疏水材料單位面積用量為83.3～100 g/m2的土體其孔隙總面積與疏水材料單位面積用量為65.2 g/m2的相近,而在圖3中卻表現(xiàn)出隨著有機(jī)硅疏水材料用量的增加,土體的滲透系數(shù)越來越低。

圖12 孔隙數(shù)量及孔隙平均直徑變化圖示

3 結(jié)論

采用有機(jī)硅疏水材料制備新型路基隔水層,選用符合路基填土規(guī)范要求的粉質(zhì)黏土為試驗(yàn)對象,研究噴灑有機(jī)硅疏水材料后土體滲透性能的變化,同時開展土體微觀結(jié)構(gòu)研究,將土體孔隙結(jié)構(gòu)改變與土體滲透性變化相聯(lián)系,研究結(jié)果如下:

1)噴灑有機(jī)硅疏水材料后,路基土體滲透性能顯著降低。土體滲透系數(shù)會隨著有機(jī)硅疏水材料單位面積用量的增加而逐漸減小,當(dāng)單層噴灑、疏水材料單位面積用量為100 g/m2時,滲透系數(shù)降幅可達(dá)77.30%,并且雙層噴灑時疏水性能更加明顯,單位面積用量為100 g/m2時,滲透系數(shù)降幅可達(dá)95.43%。

2)路基土體噴灑有機(jī)硅疏水材料后,表面接觸角均大于105°,土體表面具有很強(qiáng)的疏水性能。

3)路基土體噴灑有機(jī)硅疏水材料后,其微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生重要改變,孔隙面積較素土降幅在51.73%以上,單孔最大直徑相較素土降幅在36.89%以上。同時孔隙數(shù)量的增加以及孔隙平均直徑的減小說明土體內(nèi)部隨著有機(jī)硅疏水材料用量的增加,大孔隙逐漸被分為小孔隙,這也是土體抗?jié)B性增加的主要原因。