华南红层风化土崩解特性及其改性研究*(3)
其次,从红层风化土的结构特征来分析:当红层风化土遇水后,由于土体存在基质吸力,因此水分会进入到土体的孔隙之中,但红层风化土体的孔隙是不均匀分布的,因此会形成吸力压力差,而在土体内部,小孔隙的基质势大于大孔隙的基质势,因此,首先水分会更多地进入到微小孔隙中,然后再进入到大孔隙中。最后,由于土体中大孔隙仅吸收较少的水分而使得其湿吸力稍有增加,而小孔隙由于吸收较多水分,趋于饱和而使得其湿吸力大幅减小,因此,土体颗粒间在整体上的吸力作用是减小的,进而改变了土体的有效应力。同时,当水分首先进入土体微小孔隙时,部分土中的空气没能排出,而受到压缩,体积变小,导致孔隙气压力增大。当上述孔隙气压力大于土体的有效应力时,土体便发生崩解破坏。对于初始含水率、压实度等因素来说,由于较小的初始含水率和压实度使得非饱和的红层风化土体的基质吸力增加,导致土体在吸水时产生较大的吸力压力差,在这种较大的吸力不平衡的作用下,土体更容易发生崩解破坏,所以较小的初期含水率和压实度的土样,其崩解速率也就较快,达到峰值速率也就相对较晚。
最后,从土体的胶结物成分来分析:华南红层风化土在淋滤作用下,产生了较多的由游离氧化物组成的胶结物,其中含有Na2O、K2O、MgO等,这些胶结物容易与水发生反应,而华南红层风化土的表面裂隙及内部孔隙发育,当水分通过这些裂隙进入到孔隙中时,可溶性的胶结物便会溶解到水中,在失去胶结物的连接后,土体颗粒很快便会解体,进而发生崩解破坏。
红层风化土的上述崩解破坏机理是同时发生且相互促进的关系,彼此之间相互作用会进一步加速红层风化土的崩解破坏作用,进而产生严重的地质灾害或工程事故。
3 华南红层风化土改性研究
3.1 华南红层风化土改性崩解试验
通过对上述红层风化土崩解机理的研究,本文提出从改性的角度来对红层风化土的崩解特性进行控制,进而解决相应的工程地质问题。改性材料采用新型高性能酯类材料,通过改性试验研究其对红层风化土崩解特性的影响。后续进行改性剂相关环境安全、应用可行性及经济价值的研究,并最终对工程应用产生一定的指导意义。
3.1.1 试验制备及试验方案
本试验试样选取广州市海珠区典型红层风化土样,改性剂采用新型高性能酯类材料。土样经风干碾碎后过直径为5imm 筛。试样制备过程为先称量所需用水量及高性能酯类材料用量,然后进行配水及掺加材料,将水及高性能酯类材料按要求分别加入到不同试样中,搅拌均匀,放入恒湿保温杯中养护24ih以上,使试样含水率均匀,且高性能酯类材料与土颗粒充分反应。待试样养护完成后,按要求的干密度以压样法制备试样。试样为标准环刀样。
试验分别采用不同高性能酯类材料掺量的红层风化土试样,试验方案见表3,表中材料掺量以干土质量为计算标准,本实验每组配比做3个平行试样,结果求平均值。
表3试验方案Table 3 Test schemes试验编号拟定初始含水率/%实际初始含水率/%压实度/%高性能酯类材料掺量/%.4520..4520..4520.
3.1.2 华南红层风化土改性崩解试验结果及分析
从试验结果可知,初始时刻(0imin),土体仅有少许气泡逸出,试样几乎无变化。初期阶段(15imin),随着时间的推进,由于浸水的作用,试样已开始逐步崩解,可以明显地看出,高性能酯类材料掺量愈低,崩解愈为活跃。后期阶段(30imin),各试样崩解稳步展开,掺量为2%的试样已近乎完成崩解,此时刻各试样呈散粒状剥落。
崩解过程的定量分析结果(图11)。从图中可以看出:最优含水率、最大干密度下,未掺加高性能酯类材料的试样, 30imin以内完全崩解,而掺入高性能酯类材料的试样,崩解极为缓慢,且崩解到某种程度后即长时间不再变化。总的趋势是,试样的高性能酯类材料掺量越高,崩解愈缓慢,崩解总时间越长。
图11 崩解剩余量对比图Fig. 11 Comparison diagram of disintegration residual volume
图12 不同高性能酯类材料掺量重塑试样SEM图像Fig. 12 SEM images of remolded samples with different high performance ester materialsa. 掺量0(×2000); b. 掺量0(×5000); c. 掺量2%(×2000);d. 掺量2%(×5000); e. 掺量4%(×2000); f. 掺量4%(×5000);g. 掺量6%(×2000); h. 掺量6%(×5000)
3.2 改性红层风化土崩解控制细观机理分析
本次试验每组试样各3个平行试样,试验时,在每个试样分别选3个代表性点拍摄放大倍数为的SEM图像各两张(图12)。从图12a、图12b中可看出,试样中高性能酯类材料掺量为0时,土体中黏土矿物是连续存在的,且聚集在一起,但排列较为杂乱,土体中也存在较多微小孔隙,其结构比较致密,此种情况下土体为基质状结构。而从图12c、图12d、图12e、图12f中可看出,高性能酯类材料掺量增大到2%、4%时, 0.5~1imm和0.25~0.5imm的团聚体含量增多了,小于0.05imm的团聚体含量降低了,团聚体总含量有了明显地提高。高性能酯类材料可将团聚体聚合成更大粒径来实现对土壤结构的改良; 掺加高性能酯类材料可促进土壤团聚体的形成,并提高其稳定性,改善土体结构,促使土体颗粒间更好地胶结土体单元体形成凝聚性接触,骨架状结构。由图12g、图12h可看出,当高性能酯类材料掺量增大到6%时,土体的结构发生了很大的变化,颗粒间的孔隙明显增大,颗粒在高性能酯类材料连结下,形成较大的结构单元体,为团粒状结构,从而极大地提高了土体的强度及抗崩解性。
文章来源:《华南国防医学杂志》 网址: http://www.hngfyxzz.cn/qikandaodu/2021/0112/396.html
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