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摘要：粉土工程缺陷给粉土地区的道路施工和养护带来巨大挑战。为了解决这一难题及充分利用粉土，文章以硅酸钠和聚丙烯酰胺为改性剂，通过室内试验和化学分析等手段探究改性粉土的工程特性。研究结果表明：（1）粉土和改性粉土的最优含水率分别为18%和14%;（2）在最优含水率下，改性剂对粉土颗粒的化学结合能在一定程度上提高粉土的抗渗性能;（3）改性粉土能应用在路基工程之中，并为粉土的后续研究提供新的思路。
关键词：粉土;改性剂;最优含水率;抗渗性能
0 引言
在我国黄河流域下游，由于水流作用会形成冲刷地带，这里分布着大量的粉土。粉土有着级配均匀、黏性差、结构松散、难被压实和抗水性能差等缺点，在道路修建的过程中，作为路基材料的粉土不僅给施工带来了极大的困难[1]，还给道路后期的养护提出了挑战[2-3]。
但是通过改性的方法将粉土应用在道路工程中，不仅能保证道路工程的长期稳定性，还能节约大量的经济成本，因此有许多学者对于如何改善粉土的工程特性进行了大量的研究，而其中最常见的就是向粉土中加入改性材料，使得粉土黏性和抗水能力增强。如Nadler就通过向具有一定黏性的土体中加入聚丙烯酰胺以提高土体的抗水冲刷性能，从而达到治理水土流失的目的[4]。有学者向与粉土性质极为相似的膨胀土、黄土、盐渍土和沙中加入STW型生态土壤稳定剂、高分子材料SH和阳离子固化剂，从而提高了原有土体的粘聚力和抗水性能[5-8]。
通过前人的研究可以发现，对性能不好的土体进行改性过后，不仅能改善土体的性能，还能为实际工程提供很好的理论指导。本文的主要研究对象为黄河流域下游粉土较为丰富的地区的粉土，通过向粉土中加入一定的改性材料使得改性粉土能达到路基材料的要求[9-11]，主要的指标为最优含水率、无侧限抗压强度和渗透性。
1 试验设计
1.1 试验原材料
试验所用粉土的基本物理性质如表1所示。从表1中可以看出，该粉土为级配不良的土体，在进行制样之前，筛选直径2 mm以下的粉土，将筛选过后的土体烘干备用。用于粉土改性的材料为硅酸钠溶液和聚丙烯酰胺，这两种材料对环境没有污染，主要是增强粉土的粘聚力。为了研究改性粉土在容重较小条件下的性能，向改性粉土中加入粒径2～4 mm的EPS颗粒，制作为轻质改性粉土。
1.2 试验设计
根据以往的研究经验，首先制备纯粉土试样，含水率变化范围为10%～25%，制备六组不同的含水率试样，每组三个试样;然后制备改性粉土和改性轻质粉土试样，含水率变化范围为4%～20%，同样也是制备六组不同的含水率试样，每组三个试样。通过测量不同含水率下试样的最大干密度和无侧限抗压强度，综合得到改性粉土的最优含水率。由于EPS颗粒对材料最大干密度影响较大，因此不研究改性轻质粉土的最大干密度。
在最优含水率之下，为了探究改性剂的掺量对于试样渗透系数的影响，设计了三组试验，第一组为聚丙烯酰胺含量为2%不变，硅酸钠的含量从0到4%;第二组为聚丙烯酰胺含量为0，硅酸钠的含量从0到4%;第三组为硅酸钠含量为0，聚丙烯酰胺的含量从0到4%。试样的数量组成和检测指标如表2所示。
试样的制备采用分层击实法，改性粉土的制作分两步：（1）将称量好的粉土与聚丙烯酰胺混合，而硅酸钠则和水混合;（2）将硅酸钠溶液与粉土和聚丙烯酰胺混合料混合，击实后密封浸泡24 h。而改性轻质粉土与上述过程一致，多余的工序就是在粉土与聚丙烯酰胺混合后，再向其中加入EPS颗粒。
2 试验结果分析
2.1 最优含水率
测量不同含水率试样的最大干密度和无侧限抗压强度，试验结果如图1和图2所示。从图1中可以看出，粉土和改性粉土的最大干密度峰值分别出现在材料含水率为18%和14%的时候，两种材料最大干密度随含水率的变化趋势相同，即先增大后减小。但是最大干密度峰值和最优含水率不同。这主要是因为硅酸钠在溶液中呈液态，改性粉土中硅酸钠的存在相当于间接增大材料的含水率，因此改性粉土的最优含水率较小;改性粉土中，改性剂的加入使得粉土颗粒之间的粘结增强了，颗粒级配变好，因此改性粉土的最大干密度峰值较大。
从图2中可以看出，三种材料的无侧限抗压强度随着含水率的变化趋势也是相同的，即均是先增加后减少。出现这种变化趋势的原因是当含水率较小时，试样在制备过程中不容易被击实，从而导致强度不足;当含水率较大时，试样内部的孔隙较多，粘聚力降低，从而导致强度不足。因此从图2中的结果可知，粉土、改性粉土和改性轻质粉土的最优含水率分别为18%、14%和16%，与最大干密度的试验结果一致。
2.2 渗透性
为了研究两种改性剂单独和混合时对粉土抗渗性能的影响，设置了三组试验，具体试验设计如上述实验设计中所述，每个试验四个变量，试验结果如下页图3所示。从图3可以看出，在没有加入改性剂之前，粉土的抗渗系数为10-4 cm·s-1，随着粉土中聚丙烯酰胺、硅酸钠或者两者的混合物含量的增加，抗渗系数均逐渐减小，且在相同的掺量下，抗渗能力为两者的混合物>硅酸钠>聚丙烯酰胺，不过三者之间的差距并不是很大，说明改性剂的加入均能在一定程度上改善粉土的抗渗能力。原因可以分为以下三点：（1）改性粉土中改性剂与粉土中水的介电常数不一样，从而导致双电层厚度也不一样，最终导致水通过的能力不同;（2）改性剂会与粉土表面的阳离子产生一定的反应，反应的产物会附着在粉土表面，从而减小了粉土原有的孔隙率，最终降低材料的渗透系数;（3）改性剂还会产生一些化学结晶物质，这些物质在遇水时会膨胀，对孔隙有一定的阻塞作用，对增强材料的抗渗能力有一定的作用。
但是从图3我们也可以发现，当加入改性剂的掺量达到2%时，材料的抗渗系数变化明显减小，说明改性剂的量继续增加，对于材料的抗渗系数影响不大，但是考虑材料的其他性能，可能会增大改性剂的掺量。
2.3 改性剂改性机理
从化学和微观的角度分析改性剂对于材料的影响，不仅可以解释改性剂的选取方向，还可以为后续的研究提供一定的基础。聚丙烯酰胺是一种大分子量的化学物质，加入粉土后使粉土颗粒被吸附在聚合物表面，众多吸附的颗粒相互结合为絮凝状的颗粒团，从而达到改善粉土性能的作用。但是由于粉土颗粒表面负电荷的影响，在pH<5时，会阻碍颗粒之间的粘结作用，因此必须加入一种物质，让改性粉土的pH环境在8以上，硅酸钠就能达到这一要求，因为硅酸钠能与氢离子结合形成凝胶，降低溶液中氢离子的含量从而升高pH。与此同时，凝胶的生成还能改善粉土的抗压强度、抗渗性等性能，因此选取这两种改性剂并将其按照一定的掺量相结合能很好地达到改善粉土性能的目的。
3 结语
本文以粉土为研究对象，以硅酸钠和聚丙烯酰胺为改性剂，探究改性粉土的工程特性，得到如下结论：（1）通过测量不同含水率材料的最大干密度和强度，得到粉土和改性粉土的最優含水率分别为18%和14%;（2）在最优含水率下，通过试验和化学分析等方法，探究了改性剂对于粉土抗渗性能的影响规律;（3）通过高分子材料对粉土进行改性，可以有效改善粉土的工程特性。
参考文献：
[1]朱志铎，郝建新，赵黎明.交通荷载作用下粉土路基变形特性分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（5）：1 013-1 020.
[2]肖军华，刘建坤，彭丽云，等.黄河冲积粉土的密实度及含水率对力学性质影响[J].岩土力学，2008，29（2）：409-415.
[3]宋修广，张宏博，王松根，等.黄河冲积平原区粉土路基吸水特性及强度衰减规律试验研究[J].岩土工程学报，2010，32（10）：1 594-1 603.
[4]NADLER A，PERFECT E，KAY B D. Effect of polyacrylamide application on the stability of dry and wet aggregates[J]. Soil Science Society of America Journal，1996，60（2）：555-561.
[5]黄 河，施 斌，刘 瑾，等.STW型生态土壤稳定剂改性膨胀土水理性质试验研究[J].岩土工程学报，2008，30（8）：1 236-1 240.
[6]王银梅，杨重存，谌文武，等.新型高分子材料SH加固黄土强度及机理探讨[J].岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2 554-2 560.
[7]柴寿喜，韩文峰，王 沛，等.高分子材料固化滨海盐渍土的强度与微结构研究[J].岩土力学，2007，28（6）：1 067-1 073.
[8]李志清，胡瑞林，王立朝，等.阳离子改性剂改良膨胀土试验研究[J].岩土工程学报，2009，31（7）：1 094-1 099.
[9]张万涛，吕治刚，王 昊.粉土作为路基填筑材料的工程特性研究[J].山西建筑，2019，45（22）：1-2.
[10]李 劲.压实稳定粉土路基强度特性研究[J].山西交通科技，2018（4）：36-38.
[11]黄世奇，韩立志，穆 柯，等.基于非饱和渗流原理的粉土路基水分分布规律研究[J].公路交通科技，2011，28（12）：57-61.
关键词：粉土;改性剂;最优含水率;抗渗性能
0 引言
在我国黄河流域下游，由于水流作用会形成冲刷地带，这里分布着大量的粉土。粉土有着级配均匀、黏性差、结构松散、难被压实和抗水性能差等缺点，在道路修建的过程中，作为路基材料的粉土不僅给施工带来了极大的困难[1]，还给道路后期的养护提出了挑战[2-3]。
但是通过改性的方法将粉土应用在道路工程中，不仅能保证道路工程的长期稳定性，还能节约大量的经济成本，因此有许多学者对于如何改善粉土的工程特性进行了大量的研究，而其中最常见的就是向粉土中加入改性材料，使得粉土黏性和抗水能力增强。如Nadler就通过向具有一定黏性的土体中加入聚丙烯酰胺以提高土体的抗水冲刷性能，从而达到治理水土流失的目的[4]。有学者向与粉土性质极为相似的膨胀土、黄土、盐渍土和沙中加入STW型生态土壤稳定剂、高分子材料SH和阳离子固化剂，从而提高了原有土体的粘聚力和抗水性能[5-8]。
通过前人的研究可以发现，对性能不好的土体进行改性过后，不仅能改善土体的性能，还能为实际工程提供很好的理论指导。本文的主要研究对象为黄河流域下游粉土较为丰富的地区的粉土，通过向粉土中加入一定的改性材料使得改性粉土能达到路基材料的要求[9-11]，主要的指标为最优含水率、无侧限抗压强度和渗透性。
1 试验设计
1.1 试验原材料
试验所用粉土的基本物理性质如表1所示。从表1中可以看出，该粉土为级配不良的土体，在进行制样之前，筛选直径2 mm以下的粉土，将筛选过后的土体烘干备用。用于粉土改性的材料为硅酸钠溶液和聚丙烯酰胺，这两种材料对环境没有污染，主要是增强粉土的粘聚力。为了研究改性粉土在容重较小条件下的性能，向改性粉土中加入粒径2～4 mm的EPS颗粒，制作为轻质改性粉土。
1.2 试验设计
根据以往的研究经验，首先制备纯粉土试样，含水率变化范围为10%～25%，制备六组不同的含水率试样，每组三个试样;然后制备改性粉土和改性轻质粉土试样，含水率变化范围为4%～20%，同样也是制备六组不同的含水率试样，每组三个试样。通过测量不同含水率下试样的最大干密度和无侧限抗压强度，综合得到改性粉土的最优含水率。由于EPS颗粒对材料最大干密度影响较大，因此不研究改性轻质粉土的最大干密度。
在最优含水率之下，为了探究改性剂的掺量对于试样渗透系数的影响，设计了三组试验，第一组为聚丙烯酰胺含量为2%不变，硅酸钠的含量从0到4%;第二组为聚丙烯酰胺含量为0，硅酸钠的含量从0到4%;第三组为硅酸钠含量为0，聚丙烯酰胺的含量从0到4%。试样的数量组成和检测指标如表2所示。
试样的制备采用分层击实法，改性粉土的制作分两步：（1）将称量好的粉土与聚丙烯酰胺混合，而硅酸钠则和水混合;（2）将硅酸钠溶液与粉土和聚丙烯酰胺混合料混合，击实后密封浸泡24 h。而改性轻质粉土与上述过程一致，多余的工序就是在粉土与聚丙烯酰胺混合后，再向其中加入EPS颗粒。
2 试验结果分析
2.1 最优含水率
测量不同含水率试样的最大干密度和无侧限抗压强度，试验结果如图1和图2所示。从图1中可以看出，粉土和改性粉土的最大干密度峰值分别出现在材料含水率为18%和14%的时候，两种材料最大干密度随含水率的变化趋势相同，即先增大后减小。但是最大干密度峰值和最优含水率不同。这主要是因为硅酸钠在溶液中呈液态，改性粉土中硅酸钠的存在相当于间接增大材料的含水率，因此改性粉土的最优含水率较小;改性粉土中，改性剂的加入使得粉土颗粒之间的粘结增强了，颗粒级配变好，因此改性粉土的最大干密度峰值较大。
从图2中可以看出，三种材料的无侧限抗压强度随着含水率的变化趋势也是相同的，即均是先增加后减少。出现这种变化趋势的原因是当含水率较小时，试样在制备过程中不容易被击实，从而导致强度不足;当含水率较大时，试样内部的孔隙较多，粘聚力降低，从而导致强度不足。因此从图2中的结果可知，粉土、改性粉土和改性轻质粉土的最优含水率分别为18%、14%和16%，与最大干密度的试验结果一致。
2.2 渗透性
为了研究两种改性剂单独和混合时对粉土抗渗性能的影响，设置了三组试验，具体试验设计如上述实验设计中所述，每个试验四个变量，试验结果如下页图3所示。从图3可以看出，在没有加入改性剂之前，粉土的抗渗系数为10-4 cm·s-1，随着粉土中聚丙烯酰胺、硅酸钠或者两者的混合物含量的增加，抗渗系数均逐渐减小，且在相同的掺量下，抗渗能力为两者的混合物>硅酸钠>聚丙烯酰胺，不过三者之间的差距并不是很大，说明改性剂的加入均能在一定程度上改善粉土的抗渗能力。原因可以分为以下三点：（1）改性粉土中改性剂与粉土中水的介电常数不一样，从而导致双电层厚度也不一样，最终导致水通过的能力不同;（2）改性剂会与粉土表面的阳离子产生一定的反应，反应的产物会附着在粉土表面，从而减小了粉土原有的孔隙率，最终降低材料的渗透系数;（3）改性剂还会产生一些化学结晶物质，这些物质在遇水时会膨胀，对孔隙有一定的阻塞作用，对增强材料的抗渗能力有一定的作用。
但是从图3我们也可以发现，当加入改性剂的掺量达到2%时，材料的抗渗系数变化明显减小，说明改性剂的量继续增加，对于材料的抗渗系数影响不大，但是考虑材料的其他性能，可能会增大改性剂的掺量。
2.3 改性剂改性机理
从化学和微观的角度分析改性剂对于材料的影响，不仅可以解释改性剂的选取方向，还可以为后续的研究提供一定的基础。聚丙烯酰胺是一种大分子量的化学物质，加入粉土后使粉土颗粒被吸附在聚合物表面，众多吸附的颗粒相互结合为絮凝状的颗粒团，从而达到改善粉土性能的作用。但是由于粉土颗粒表面负电荷的影响，在pH<5时，会阻碍颗粒之间的粘结作用，因此必须加入一种物质，让改性粉土的pH环境在8以上，硅酸钠就能达到这一要求，因为硅酸钠能与氢离子结合形成凝胶，降低溶液中氢离子的含量从而升高pH。与此同时，凝胶的生成还能改善粉土的抗压强度、抗渗性等性能，因此选取这两种改性剂并将其按照一定的掺量相结合能很好地达到改善粉土性能的目的。
3 结语
本文以粉土为研究对象，以硅酸钠和聚丙烯酰胺为改性剂，探究改性粉土的工程特性，得到如下结论：（1）通过测量不同含水率材料的最大干密度和强度，得到粉土和改性粉土的最優含水率分别为18%和14%;（2）在最优含水率下，通过试验和化学分析等方法，探究了改性剂对于粉土抗渗性能的影响规律;（3）通过高分子材料对粉土进行改性，可以有效改善粉土的工程特性。
参考文献：
[1]朱志铎，郝建新，赵黎明.交通荷载作用下粉土路基变形特性分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（5）：1 013-1 020.
[2]肖军华，刘建坤，彭丽云，等.黄河冲积粉土的密实度及含水率对力学性质影响[J].岩土力学，2008，29（2）：409-415.
[3]宋修广，张宏博，王松根，等.黄河冲积平原区粉土路基吸水特性及强度衰减规律试验研究[J].岩土工程学报，2010，32（10）：1 594-1 603.
[4]NADLER A，PERFECT E，KAY B D. Effect of polyacrylamide application on the stability of dry and wet aggregates[J]. Soil Science Society of America Journal，1996，60（2）：555-561.
[5]黄 河，施 斌，刘 瑾，等.STW型生态土壤稳定剂改性膨胀土水理性质试验研究[J].岩土工程学报，2008，30（8）：1 236-1 240.
[6]王银梅，杨重存，谌文武，等.新型高分子材料SH加固黄土强度及机理探讨[J].岩石力学与工程学报，2005，24（14）：2 554-2 560.
[7]柴寿喜，韩文峰，王 沛，等.高分子材料固化滨海盐渍土的强度与微结构研究[J].岩土力学，2007，28（6）：1 067-1 073.
[8]李志清，胡瑞林，王立朝，等.阳离子改性剂改良膨胀土试验研究[J].岩土工程学报，2009，31（7）：1 094-1 099.
[9]张万涛，吕治刚，王 昊.粉土作为路基填筑材料的工程特性研究[J].山西建筑，2019，45（22）：1-2.
[10]李 劲.压实稳定粉土路基强度特性研究[J].山西交通科技，2018（4）：36-38.
[11]黄世奇，韩立志，穆 柯，等.基于非饱和渗流原理的粉土路基水分分布规律研究[J].公路交通科技，2011，28（12）：57-61.