摘要
客土基材目前是矿山修复的主要手段，而基材强度是影响生态修复层稳定性的关键因素。为了提高生态基材的修复效果，本文选用C型聚合物作为边坡生态基材改良剂，通过三轴强度试验并结合电镜扫描微观结构，分析聚合物改良土体强度特性和作用机理。研究发现：C型聚合物的掺入增加了试样的破坏应变，提高了试样的塑性，降低了试样弹性模量随围压的增加而减小的趋势；随着其掺量的增加，试样峰值偏应力和黏聚力显著，黏聚力最高达到了 197.74 kPa。扫面电镜结果显示聚合物与水反应形成的弹性凝胶有效地改变了黏性土的结构。凝胶的包裹性和黏结性增加了黏性土颗粒间的作用力；填充粒间孔隙，增加土体颗粒间的有效接触面积，使得土体试样的强度性能显著提高。
Abstract
As an ecological slope protection technology, vegetation slope protection is usually used in slope engineering to improve the stability of slope. In this paper, C type polymer was selected as an environmental friendly material to improve the clay. Through triaxial strength test and electron microscope scanning microstructure, the mechanism of the polymer improving the clay was analyzed. It is found that the addition of the polymer increases the failure strain of the cohesive soil sample, improves the plasticity of the sample, and reduces the decreasing trend of the elastic modulus of the sample with the increase of the confining pressure; With the increase of its content, the peak deviatoric stress and cohesion of the sample are significant, and the maximum cohesion reaches 197.74 kPa. The elastic gel formed by the reaction of the polymer and water can effectively change the structure of cohesive soil. The effect of the polymer gel on clay structure can be summarized as covering, wrapping and filling. The cohesion of gel and particle wrapping increases the force between cohesive soil particles; Moreover, the inter-particle pores of cohesive soil are filled, and the effective contact area between soil particles is increased, so that the cohesion of soil samples is significantly improved.
0 引言
随着中国经济的飞速发展，矿产资源作为一种不可再生资源，在能源结构中发挥着不可替代的作用。但在矿山开采过程中，由于人为剥离表土等采用活动，造成矿区植被覆盖大幅度减少，且在强降雨条件下容易引起落石、滑坡等地质灾害的出现，严重影响矿区的生态平衡和自然景观（Marto et al.， 2014；苏士星和何飞，2022）。客土喷播生态防护技术以其适应性强、绿化效果好、施工便捷、工程造价低、后期养护要求低等优点已经成为边坡生态修复的主要手段，然而，客土基材的自身强度是影响生态修复层稳定性的关键因素（许晓明等，2022）。
高分子聚合物以其效果稳定、生态环保、性价比高等优点广泛应用于边坡生态修复，可以显著提高土体性质，使土体达到工程要求，因此受到国内外学者的广泛研究和关注。高分子聚合物主要通过其在复合土体内发生的物理化学反应，直接作用于土颗粒表面，改变土颗粒间的结构和作用方式，从而使土体的性质发生显著的变化。高分子聚合物的掺入通过其生成的弹性胶质对土体的充填、覆盖、包裹作用，使得复合土体的抗压强度、抗剪强度和黏聚力显著增加，提高了复合土体的稳定性。 Shafiqu and Hasan（2018）研究表明掺入 7% 聚甲基烯酸酯（PMA）可使复合土体的无侧限抗压强度提升 52.8%、CBR 值提升 72.8%。Louzada et al.（2019） 通过室内试验探究混合 PET 材料复合土的物理特性，试验结果表明复合材料的黏聚力和内摩擦角得到显著提高。同时，高分子聚合物的掺入减缓了复合土体在干湿循环和冻融循环条件下强度的衰减趋势，延长了强度趋于平稳的时间，提高了强度衰减的下限值（Rezaeimalek et al.，2017）。Dong et al. （2013）通过室内无侧限抗压试验结果发现高聚物复合粉土随干湿循环次数的最大应力和破坏应变变化很小，显著改善了土体的干湿循环抗性。Hossein et al.（2018）研究发现聚丙烯酰胺（PAM）复合土强度衰减受冻融循环影响相对较小，尤其在第一次循环后，PAM的掺入提高了土体的冻融耐久性。胡国长等（2022）通过探究凹凸棒土改良黏性土在不同养护龄期条件下的强度变化规律研究发现，随着凹凸棒土置换量和养护时间的增加，内摩擦角逐渐增大，黏聚力表现出先增加后减小的趋势。Naeini et al.（2012）通过室内试验结果发现丙烯酸聚合物复合土的无侧限抗压强度最大值出现在高聚物掺量为4%时。养护时间作为影响高分子聚合物复合土性质的重要因素，尤其在养护前期变化更为明显，高分子聚合物形成的初始黏性胶质强度较低，随着养护时间的增加，复合土体强度逐渐增加，达到一定养护时间后，强度趋于平稳（Zhu et al.，2019）。 Wu et al.（2019）通过三轴压缩试验结果发现聚氨酯加筋复合砂土的偏应力、黏聚力、内摩擦角显著提升。目前的研究多通过电子计算机断层扫描技术 （CT）和扫描电子显微镜技术（SEM）对高分子聚合物复合土微观结构进行研究并分析其作用机理，其作用机理主要大致分为2类：（1）高聚物自身携带的大量活性基团与土颗粒表面结合形成的氢键可以吸附周围的矿物颗粒（姜海燕，2011；陶淑鑫等， 2015）。并且不同的基团之间存在静电作用，可促进土体内稳定团聚体的形成（李元元和王礼， 2016）。（2）高聚物溶于水后形成的黏性凝胶在土体内的胀缩过程会使土颗粒发生重新排列，提高土体结构的稳定性（Buchmann et al.，2015；牛育华等， 2016）。综上所述，高分子聚合物复合土受到广泛的研究与关注（史文娟等，2015），改良后的土体表现出良好的强度特性、耐久性、水稳定性、持水性、保水性、抗冲刷性和生态性（Fard et al.，2020；Ali et al.，2021）。
本文自主研发的C类聚合物作为生态客土基材的改良材料，通过一系列三轴压缩试验，探究基于不同聚合物含量及养护时间条件下对黏性土强度的改良效果，并结合扫描电镜图像分析 C 型聚合物改良黏性土的作用机理，研究成果可为 C 类聚合物在矿山坡面生态修复的实际应用提供理论依据和技术指导。
1 试验材料与方法
1.1 黏性土
本文所选的黏性土取自南京江宁区某边坡，根据《建筑地基基础设计规范》（GB/T50007-2011）对试验土样进行划分，试验土样为黏土。取样后，放入烘箱进行鼓风高温烘干，冷却后采用碎土机粉碎，粉碎后过2 mm的筛，物理性质如表1所示，过筛后的土样和粒径分布曲线如图1所示。
图1试验土样（a）和粒径分布曲线（b）
表1试验土样物理性质
1.2 C型聚合物
本试验选用的C型聚合物是一种高分子聚合物改良剂（图2a），常温条件下为乳白色、不透明、均匀稳定、无刺激性气味的液体，其性能参数如表2所示。C 型聚合物本身结构稳定，在密封干燥环境下储存时间较久，无毒无害、无环境污染、不易燃易爆，运输安全。它作为一种水溶性物质，使用方便，可以根据工程需求轻松稀释至不同浓度后，释放出大量的-OOCCH3官能团离子，逐渐形成具有强度的弹性凝胶，成膜后的抗拉强度达到了1 MPa，充分满足了其在客土复合基材中的强度要求。通常使用方法是稀释后与土体拌合适用，其稀释液见图2b。
表2C型聚合物的性能参数
图2C型聚合物改良剂
a—乳液；b—稀释液
1.3 试样方法
为了探究 C 型聚合物对黏性土强度特性的影响，本次三轴压缩试验使用的是南京智龙开发有限公司生产的TSZ型全自动三轴仪（图3a）。试样采用三轴压缩试验标准试样尺寸（图3b），试样高80 mm，直径 39.1 mm。三轴压缩试验试样的制备严格按照 《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）的分层击实法进行，将混合土样均分成 3份，每层击实 25次，保持层高一致，试样高度达到80 mm，制备后的试样用保鲜膜密封包裹，置于25℃恒温环境中养护后进行三轴压缩试验；考虑到掺入材料的状态和施工的便捷性，对于C型聚合物酯采用湿拌法，先将C型聚合物与纯净水均匀混合后再与土搅拌均匀。拟定所有三轴压缩试验重塑试样的含水率为 19%，干密度为 1.79 g/cm3，控制试样压实度约为 95%，三轴压缩试验中围压设定为 50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa；C 型聚合物掺量设定为黏土质量的 1%、2%、 3%、4%，养护龄期设定为0 d、1 d、3 d、7 d、14 d。
图3TSZ型全自动三轴仪（a）和三轴压缩试样（b）
2 试验结果及分析
2.1 不同C型聚合物掺量条件下的三轴压缩试验结果分析
通过三轴压缩试验探究C型聚合物材料改良黏性土试样在不同掺量和养护龄期条件下的抗剪强度参数的变化规律，共计 25 组试样，各组试样三轴压缩试验结果见表3。
为避免养护龄期过短影响C型聚合物改良黏性土的作用效果，首先以养护龄期 14 d时各试样组为例，分析不同 C 型聚合物掺量试样的三轴压缩试验抗剪强度参数的变化规律。如图4所示，在各围压下，重塑试样的偏应力-应变曲线的弹性阶段斜率均随着 C 型聚合物掺量的增加而增加，并且随着围压的增加，斜率增加的趋势逐渐增大。在低围压阶段（50 kPa、100 kPa），随着 C 型聚合物掺量的增加，偏应力-应变曲线峰值出现时应变逐渐延后，整体由应变软化型向应变硬化型过渡，增加试样在塑性变形时的抵抗能力；例如：当围压为 50 kPa，随着 C 型聚合物掺量的增加，峰值偏应力对应的应变分别为 8.25%、12.25%、11.75%、12.25%、14.00%；当围压为 100 kPa 时，随着 C 型聚合物掺量的增加，峰值偏应力对应的应变分别为 12.50%、13.00%、13.25%、 13.50%、14.00%。这一规律在低围压（50 kPa、100 kPa）时较为明显，随着围压的继续增加，各组试样的弹性极限和峰值偏应力增加，其偏应力-应变曲线均表现出应变硬化，在15%有效应变内试样的偏应力-应变曲线类型受 C 型聚合物掺量的影响不够显著。为了进一步探究，本文通过各围压下各组试样偏应力-应变曲线计算得出的弹性模量评价 C 型聚合物掺量对试样抵抗弹性变形能力的影响。
表3C型聚合物改良试样三轴压缩试验结果参数
各组试样的弹性模量见图5，随着围压的增加，素土试样的弹性模量分别为：21.78 MPa、16.50 MPa、16.69 MPa、14.79 MPa，呈明显下降趋势，这主要是围压效应引起的，随着围压的增加，一方面试样的弹性极限和强度极限均增加，另一方面，试样发生脆性-延性转变，表现为塑性增加，从而导致弹性模量下降。而随着 C 型聚合物掺量的增加，改良后试样弹性模量随围压增加而下降的趋势明显减小，在 C型聚合物掺量为 4% 的试样组中，其弹性模量随围压的增加基本保持不变，分别为 20.56 MPa、 22.07 MPa、20.65 MPa、22.14 MPa。这表明 C型聚合物的掺入能够大大提升试样抵抗弹性变形的能力，尤其在高围压条件下试样的效果更为显著。
图4养护龄期为14 d时各试样偏应力-应变曲线
a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa
图5养护龄期为14 d时各组试样的弹性模量
各围压下养护龄期为 14 d 时各试样组峰值偏应力变化曲线见图6，各试样组峰值偏应力随 C 型聚合物掺量的增加呈明显上升趋势，以围压为 50 kPa为例，随着 C型聚合物掺量的增加，试样的峰值偏应力分别为 379.52 kPa、428.33 kPa、432.53 kPa、 448.85 kPa、542.83 kPa，相对于素土分别提升了 13%、14%、18%和43%。其中C型聚合物掺量为4% 的试样组峰值偏应力提升最为显著，在各围压下分别达到了 542.83 kPa、617.34 kPa、614.31 kPa、 658.60 kPa，相较于素土试样分别提升了43%、53%、 47%、35%。通过峰值偏应力作摩尔圆和包络线计算得到养护龄期为 14 d 各试样组内的摩擦角和黏聚力变化曲线见图7，随着 C型聚合物掺量的增加，改良试样的黏聚力显著提升，分别达到了 128.21 kPa、144.48 kPa、163.92 kPa、174.89 kPa、197.74 kPa，相对于素土分别提升了 13%、28%、36% 和 54%；内摩擦角基本保持不变，介于12°~15°，这表明 C型聚合物的掺入主要通过提高试样的黏聚力提升土体强度。
图6养护龄期为14 d时各试样组峰值偏应力变化曲线
图7养护龄期为14 d各试样组内摩擦角和黏聚力变化曲线
2.2 不同养护时间条件对三轴压缩试验结果分析
围压为 50 kPa下各试样组偏应力-应变曲线见图8，随着养护期龄的增加，各组试样的总体偏应力-应变曲线水平整体呈现出上升趋势，在素土试样中，这一趋势主要是由于素土试样在自重应力下随养护龄期的增加逐渐发生固结引起的，但由固结引起的素土试样性质的变化相对较小。相比于素土试样，在改良试样中，这一趋势明显增大，并且随 C型聚合物掺量的增加，各组改良试样的偏应力-应变曲线水平变化幅度逐渐增加，表明这一变化是由 C型聚合物的掺入引起的，同时可以看出，养护龄期是C型聚合物在改良试样中作用效果的重要影响因素，随C型聚合物掺量的增加，改良试样的土体性质受养护龄期的影响更加显著。在围压为 50 kPa 条件下，随着养护龄期的增加，各组试样偏应力-应变曲线的峰后坡降幅度趋势整体逐渐增大，表明由塑性破坏向脆塑性破坏过渡。从图8可以看出，各组试样弹性模量均随养护龄期的增加而增加，并且在改良试样中随着 C 型聚合物掺量的增加，弹性模量的变化幅度逐渐增加。例如：随养护龄期的增加，C 型聚合物掺量为0%、1%、2%、3%、4%对应弹性模量的增长幅度分别为 15 MPa、15MPa、17 MPa、17 MPa、17 MPa。在低围压下（50～100 kPa），养护期龄为 7 d和 14 d的 C 型聚合物掺量对试样弹性模量的影响相对较小，C 型聚合物掺量对试样弹性模量的影响主要表现在养护期龄为 0~7 d的试样中。如图9所示，当养护龄期为 0~7 d 时，随着 C 型聚合物掺量的增加，各试样组的弹性模量整体表现出先增加后减小的趋势，峰值出现在C型聚合物掺量为1% 的试样中，这主要是由于 C 型聚合物的作用机理引起的。C 型聚合物乳液以水为分散剂，稀释于水中后打破了之前的稳定的分子链结构，形成稠状黏性液体作用于土颗粒表面，随着时间的增加，液体开始凝固产生弹性薄膜逐渐改善土颗粒表面间的作用力（刘瑾等，2016）。从上述弹性模量的变化规律可以看出，随着C型聚合物掺量的增加，其凝固所需要的时间也相应增加，其作用效果受养护龄期的影响就愈明显。
图8围压为50 kPa下各试样组偏应力-应变曲线
a—0；b—1%；c—2%；d—3%；e—4%
图9围压为50 kPa下各试样组弹性模量变化曲线
图10展示了 C 型聚合物改良试样的峰值偏应力变化曲线，可以看出在各围压下，随着养护龄期的增加，各试样组的峰值偏应力均呈现上升趋势，并且随着 C 型聚合物掺量的增加，其上升趋势逐渐增大。以围压为 50 kPa 的试样为例，C 型聚合物掺量为 1% 时，试样的峰值偏应力随养护龄期的增加分别达到了 337.41 kPa、342.25 kPa、351.68 kPa、 371.33 kPa、428.33 kPa，相对于未养护试样分别提升了 1%、4%、10%、27%；C 型聚合物掺量为 4% 时，试样的峰值偏应力随养护龄期的增加分别达到了 233.47 kPa、282.52 kPa、348.19 kPa、434.18 kPa、 542.83 kPa，相对于未养护试样分别提升了 21%、 49%、86%、133%，而图11中各组试样黏聚力变化曲线也表现出相似的规律，这些都进一步说明 C 型聚合物在改良试样中的作用效果受养护龄期的影响显著，并且C型聚合物掺量越大，其作用效果受养护龄期的影响越大。从图11可以发现，当养护龄期为 7~14 d时，相对于素土试样，改良试样的黏聚力均存在一定程度上的提升，而养护龄期为 0~3 d时，随着 C 型聚合物掺量的增加，改良后试样的黏聚力呈下降趋势，甚至出现了低于素土试样黏聚力的情况。以养护龄期为0 d的试样为例，试样黏聚力随C型聚合物掺量的增加分别为 136.61 kPa、139.67 kPa、 124.25 kPa、116.95 kPa、98.20 kPa，相对于素土试样分别提升了 2%、-9%、-14%、-28%，试样黏聚力随着 C 型聚合物含量的增加反而出现大幅度下降，这一现象与C型聚合物的作用机理存在直接关系。当 C 型聚合物掺量过大而养护期龄过短时，C 型聚合物乳液稀释于水中形成的稠状黏液未能及时凝固作用于土颗粒表面，发挥其强度性能，反而在试样破坏过程中充当了土颗粒相对滑动时的“润滑剂”，从而降低试样的强度。各试样组的内摩擦角变化曲线见图12，各组试样内摩擦角随养护龄期的增加而增加，随C型聚合物掺量基本保持不变，因此可以表明C型聚合物主要通过影响土体的黏聚力改变土体的抗剪强度特性。
图10各试样组峰值偏应力变化曲线
a—50 kPa；b—100 kPa；c—150 kPa；d—200 kPa
图11各试样组黏聚力变化曲线
图12各试样组内摩擦角变化曲线
图13C型聚合物作用机理
a—置换土壤颗粒表面的阳离子；b—土壤颗粒表面形成氢键
图14素土试样SEM图像
a—放大350倍率；b—放大2300倍率
图15C型聚合物改良试样SEM图像
a—放大380倍率；b—放大2900倍率
3 改良机理分析
当 C 型聚合物溶液作用于黏性土壤时，大分子链上的极性羧基（-OOCCH3）亲水基与土壤中的碱性金属离子发生置换反应（图13a）。土壤颗粒表面的阳离子被置换，双电层厚度变薄，电势立即减小 （Seracettin and Omid，2015）。因此，土壤颗粒间的吸引力增加，促进了土颗粒的团聚。此外，除置换反应外，土壤颗粒表面的羟基与极性羧基发生反应，形成氢键（图13b）。
素土试样 SEM 图像见图14。在图14a放大 350 倍率下，素土试样颗粒分明，黏土颗粒尺寸较平均，颗粒之间彼此胶结在一起，许多小孔隙均布其中，存在少量大孔隙，整体结构较为疏松。在图14b放大2300倍率下，黏土颗粒通过黏粒形成的胶结整体较为均匀，其间穿插许多孔隙。C型聚合物掺量3% 的复合试样SEM图像见图15，可以明显看出C型聚合物与水反应形成的弹性凝胶有效的改变了黏土的结构，主要由其本身的黏性和拉伸强度引起的 （Liu et al.，2017；Bu et al.，2019）。C 型聚合物凝胶对黏土结构的作用方式可归纳为覆盖、包裹、填充。 C 型聚合物凝胶覆盖在黏土颗粒表面，包裹着黏土颗粒，形成的团聚体增加了黏土结构的完整性；同时凝胶的黏结性增加了黏土颗粒间的作用力；并且在一定程度填充了黏土孔隙，增加土颗粒间的有效接触面积（刘瑾等，2009），使得C型聚合物改良试样的黏聚力显著提高。
4 结论
本文通过探究C型聚合物改良客土基材的强度特性，为 C 类聚合物在矿山坡面生态修复的实际应用提供理论依据和技术指导。并通过一系列不固结不排水三轴压缩试验结果分析了C型聚合物改良基材在不同含量和不同养护时间条件下的抗剪强度参数变化规律，可得出以下结论：
（1）C 型聚合物的掺入增加了土体试样的破坏应变，提高了试样的塑性，降低了试样弹性模量随围压的增加而减小的趋势；随着其掺量的增加，试样峰值偏应力和黏聚力显著，黏聚力最高达到了 197.74 kPa，而试样内摩擦角基本保持不变，这表明 C型聚合物对土体强度的提高主要是通过提高试样的黏聚力实现的。
（2）养护龄期是 C 型聚合物作用效果的重要影响因素，复合试样强度随养护龄期的增加而增加。在养护龄期较短时，试样强度在 C 型聚合物掺量过高时发生明显降低，这主要是由于 C 型聚合物稀释于水后形成的稠状黏液未能及时凝固，导致土体强度降低。
（3）C 型聚合物可以与水反应形成的弹性凝胶有效的改变了黏性土的结构。C型聚合物凝胶覆盖在黏土颗粒表面，包裹着黏性土颗粒，形成的团聚体增加了黏性土结构的完整性；同时凝胶的黏结性增加了黏性土颗粒间的作用力；并且在一定程度填充了黏性土孔隙，增加土体颗粒间的有效接触面积，使得土体试样的黏聚力显著提高。