吸水土工毯作用于盐渍土水盐移除性能评价

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　　摘 要：

　　路基工程中，土体中水分侵入与聚集是工程事故产生的重要原因。为主动移除土体中的水分，提出了一种由PVA(polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)和具有沟槽的涤纶纤维联合组成的吸水土工毯，其可利用土体内外蒸汽压差通过PVA材料的吸水性及内部纤维的毛细作用主动迁移土体中的水分。通过在温湿度控制条件下室内土柱试验，对比了涤纶纤维与吸水土工毯对路基盐渍土水盐移除效果，并研究了盐渍土初始含水率及环境温湿度对吸水土工毯水盐移除的影响。结果表明，吸水土工毯在非饱和条件下可有效移除路基盐渍土中的水分及盐分，在涤纶纤维基础上进一步提升了水盐移除效率；吸水土工毯水盐移除效果及其有效作用范围随试样含水率下降呈现降低趋势，在试样含水率接近土体最优含水率时，吸水土工毯仍具有一定功效；吸水土工毯水盐移除效率与环境温湿度条件密切相关，外界环境相对湿度是影响吸水土工毯作用效果的关键因素。

　　吸水土工材料;PVA材料;芯吸纤维;水盐移除;土柱试验;

　　作者简介：

　　杨若辰(1998—),男，硕士研究生，主要从事岩土工程与土工合成材料研究工作。

　　*张吾渝(1969—),女，教授，硕士研究生导师，硕士，主要从事岩土工程研究。

　　基金：

　　青海省科技计划项目(2020-ZJ-738);

　　国家自然科学基金项目(52168054,52179108);

　　青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室开放基金计划项目(KLKF-2021-007);

　　引用：

　　杨若辰, 张吾渝, 孙晓辉, 等. 吸水土工毯作用于盐渍土水盐移除性能评价[ J] . 水利水电技术(中英文) , 2022, 53( 12) : 56- 64.

　　YANG Ruochen, ZHANG Wuyu, SUN Xiaohui, et al. Evaluation on performance of absorbent geotextile-blanket applied to remove water and salt in saline soil[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2022, 53(12): 56- 64.

　　0 引 言

　　我国公路和铁路建设里程迅速增加，在我国经济发展中具有极其重要的地位。相关研究表明，路基中水分侵入与聚集会显著降低路基动态回弹模量，从而降低土体承载力，诱发湿化、软化及沉陷等多种病害和工程问题。其中盐渍土路基因其具有含盐、多相的特性，在水分影响下更易产生盐胀、溶陷等病害。当前主要工程措施是设置防排水构造和水分隔离层，避免水分通过外部渗入或通过内部水汽迁移而浸入土体并改变土体力学性质。当土体饱和度下降，排水隔水措施劣化，路基土中水分无法被有效排出时会造成工程隐患。若土体中水分能够自行主动移除，则可大幅消除土体中由于水分聚集而引起的各类病害。

　　针对以上问题，国际上研制了一种具有毛细排水功能的“芯吸土工布”,其由聚丙烯材料及尼龙纤维编织而成。尼龙纤维截面尺寸约为30 μm, 截面上具有宽度约为10 μm的深沟槽，可在土体中产生毛细力，从而在土体非饱和情况下主动移除土体水分。相关学者对芯吸土工布开展了研究。在芯吸土工布水分移除机理方面，HAN等指出芯吸土工布对于水分迁移机制分为重力排水与吸力排水；ZHANG等研究认为芯吸土工布通过暴露于空气部分和埋入土体部分间的吸力差主动移除土体水分；LIN等对比分析了芯吸土工布和传统土工布的土工布—水特征曲线，得出芯吸土工布相较于传统土工布更强的蓄水能力是其移除水分的重要因素。同时，芯吸土工布对于土体水分移除的有效性已得到初步验证。WANG等通过模型试验验证了芯吸土工布可有效降低土体含水率；BAI等通过土柱试验研究了织物参数对芯吸土工布排水性能的影响，得出由于芯吸土工布中芯吸纤维的存在，不同织物参数的芯吸土工布均可在一定范围内有效移除非饱和土体中的水分的结论；GUO等通过室内试验研究了芯吸土工布在集料中的作用效果，得出芯吸土工布可快速排出水分，降低土料含水率，减小基层永久变形；BAI等通过试验认为芯吸土工布可有效移除非饱和高岭土中的重力水和毛细水，并可有效调控土体水分场，抑制毛细水上升。在实际工程中，芯吸土工布已得到初步应用。ZHANG等研究发现芯吸土工布可有效阻止毛细水上移，从而避免道路冻融变形等问题；LIN等认为芯吸土工布可有效解决因水分聚集对公路路基造成的病害；BISWAS等通过现场试验，认为芯吸土工布可有效排出膨胀土路基中水分，提升道路服役性能。

　　上述研究初步证实了芯吸土工布的有效性，但其吸水效率仍有大幅提升空间。同时，盐渍土作为一种特殊土，在我国西北、东北等干旱、半干旱地区广泛分布。随着我国“一带一路”战略的实施，西北地区基础设施建设规模与日俱增。芯吸土工布水分移除能力由具有毛细作用的尼龙纤维所决定，在盐渍土路基中应用可能存在吸水能力不足，易于被盐分堵塞等问题。针对这一情况，杨若辰等改变涤纶纤维截面结构，研制了具有更丰富毛细通道及更广阔表面积的芯吸纤维，并通过室内试验验证了涤纶纤维相较于现有尼龙纤维在进一步提升水分移除效率的同时不易被盐分堵塞。然而，涤纶纤维在土体中作用效果受其与土体接触形式限制，若通过具有优异吸水特性的材料包裹涤纶纤维，使水分快速聚集到纤维周围，从而可进一步促进纤维对土体水分的移除。针对上述思考，本研究提出PVA(polyvinyl alcohol, 聚乙烯醇)-涤纶纤维组成的吸水土工毯。PVA材料是具有优异吸水保水特性的高分子聚合物,在医疗、运输等领域已得到广泛应用。通过PVA材料蓄水作用将附近土体水分吸收并聚集，使涤纶纤维周边形成蓄水区，从而可大幅提高水分移除效率。同时PVA材料的保护作用延缓了纤维老化，具有重要的应用潜力。

　　本研究通过土柱试验对比了涤纶纤维与吸水土工毯(PVA—涤纶纤维复合体)对路基盐渍土的水盐移除效果，同时研究了吸水土工毯在不同含水率盐渍土及不同温湿度条件下的作用效果，并结合试验结果对吸水土工毯作用机理进行了分析，以期为新型吸水土工毯在岩土领域的推广与应用提供参考。

　　1 试验概况

　　1.1 试验用土

　　试验所用路基盐渍土取自青海省海东市某地，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)测定盐渍土基本物性指标如表1所列。通过离子色谱法测定盐渍土样品中离子含量如表2所列。通过颗粒筛分试验得到土体不均匀系数Cu=33.7(>5)、曲率系数Cc=1.89(在1～3之间),判定土样颗粒较为均匀且颗粒级配良好。

　　

　　

　　1.2 试验材料

　　本研究中吸水土工毯为PVA材料包裹涤纶纤维组成(见图1)。涤纶纤维截面尺寸约为10 μm, 表面存在轴向深沟槽，以便在毛细力的作用下进行排水。PVA材料在天然乳胶海绵(NRS)上引入聚乙烯醇制备而得，其厚度约为2 mm, 材料的立体孔隙结构及亲水基团可使其具有强吸水能力，同时PVA材料具有较强的抗盐性及稳定性。试验阶段，吸水土工毯制作成本约为18元/m2。

　　

　　图1 试验材料

　　1.3 试验设计

　　采用尺寸为150 mm×360 mm有机玻璃桶开展土柱试验，用以研究水盐移除效果。在桶壁中间两侧处开设长为90 mm, 高为10 mm缝隙用于布设试验材料。在桶壁竖直方向上等间距开设6个孔洞，用于在试样不同位置处布设水分传感器。

　　试验分3组进行，第一组试验为对比涤纶纤维及吸水土工毯在非饱和盐渍土中水盐移除效果。此组试验设有3个试样，分别为空白对照试样(试样全部密封用以对照)、涤纶纤维试样(将初始干燥的涤纶纤维沿长向均匀布设在800 mm×90 mm金属框架上并置于试样中部，数量约为380束，用以研究涤纶纤维单独作用时对试样水盐移除效果)和吸水土工毯试样(在涤纶纤维上下覆盖PVA材料，其中纤维数量与布设形式与涤纶纤维试样相同)。第二组试验为在第一组试验基础上用以研究吸水土工毯对不同含水率试样的作用效果，此组设置3个含水率梯度，从而验证吸水土工毯可发挥作用时的土体含水率范围。每个含水率梯度下设置吸水土工毯试样及空白对照试样，共6个试样。第三组试验用以研究环境温湿度对吸水土工毯作用效果的影响，在前两组试验基础上加设4组温湿度条件。每组温湿度条件下设置吸水土工毯试样及空白对照试样，共8个试样。

　　如图2所示，3组试样在制备前将土体搅拌均匀后使用蒸馏水配置到指定含水率，闷料24 h。试样制备时，将土料再次搅拌后分6层击实，吸水材料及传感器在制样时布设其中。制样后，将试样密封，仅为试验材料留出空间，以避免蒸发对试验结果造成影响，并置于温湿度恒定的试验箱中，试验周期均为480 h。试验方案如表3所列，试验采用EC-5水分传感器记录试样含水率变化，试验开始前已根据试验中所用盐渍土开展标定试验。

　　

　　图2 路基盐渍土水盐移除试验

　　

　　试验结束后取每个试样传感器布设相应高度处盐渍土样品3份，根据《土工试验规程》(GB/T 50123—2019)开展易溶盐含量试验，取3份样品易溶盐含量平均值作为此位置处易溶盐含量，用以研究试样易溶盐变化量。

　　试验时，每份样品烘干后过2 mm筛，称取50 g筛下土样，按照1∶5比例加入蒸馏水溶解、震荡后抽气过滤。为防止结晶水对试验结果的影响，使用移液管取浸出液50 mL置于蒸发皿中，并取另一只蒸发皿加入50 mL蒸馏水。两只蒸发皿各加入等量2%碳酸钠溶液，在180 ℃烘箱中烘干置恒重，通过下式计算样品易溶盐含量

　　

　　式中，Csalt为易溶盐含量(%);VW为制备浸出液所加蒸馏水(mL);VX1为浸出液量(mL);mz1为烘干后盐分加碳酸钠质量(g);mz为烘干后碳酸钠质量(g);md为干土质量(g)。

　　2 结果与分析

　　2.1 试样水分移除效果

　　图3为第一组试样含水率变化曲线。为消除土体自身水分迁移的影响，取两个试样含水率相较于本组空白对照试样的相对变化值进行分析。由图3可知，当涤纶纤维单独作用土体时，因其槽状截面结构，在土体内部可产生毛细力，从而在土体非饱和状态下有效移除土体中水分。水分移除效果与到纤维距离呈现负相关，总体呈现先快后慢趋势，这是因为当土体含水率较高时，土体内部基质吸力较小，大颗粒间的水分在纤维毛细力作用下首先被移除。随着土体含水率降低，纤维产生的毛细力与土体内部基质吸力差值逐渐减小，水分移除效率降低。同时可以发现，涤纶纤维产生的毛细力除对其上部土体产生水分移除效果外，对其下部土体也可起到一定水分移除效果，说明其在一定范围内可克服重力与基质吸力的双重作用而迁移土体中水分，这在实际工程中既可有效移除因降雨入渗的水分，也可控制因毛细作用而上升的地下水。

　　

　　图3 第一组试样含水率变化曲线

　　当涤纶纤维与PVA材料组成吸水土工毯时，水分移除效率相较于涤纶纤维单独作用时明显提高。这是因为PVA材料在土体中形成隔断，可快速吸收土体中水分，在纤维附近形成高饱和度水分聚集区，增加涤纶纤维与水分接触机会，从而进一步提升水分移除效率。同时，在试样底部，水分移除效果与涤纶纤维单独作用时相近，说明PVA材料具有有效作用区间，吸水土工毯的作用效果一定程度受到PVA材料的限制。

　　总体而言，吸水土工毯相较于涤纶纤维单独作用时水分移除量大约提升33%,如果考虑在PVA材料的有效作用范围内，提升效果可达到70%。

　　第一组试验表明吸水土工毯相较于涤纶纤维拥有更高水分移除效率。为进一步分析吸水土工毯对不同含水率试样水分移除效果，结合第二组试验数据绘制不同初始含水率下试样含水率变化曲线(见图4)。从图4可知，随试样含水率降低各位置处水分移除效果逐渐下降。同时，吸水土工毯试样与空白对照试样的含水率变化差值逐渐接近，且接近程度与到吸水土工毯竖向距离呈现正相关，说明吸水土工毯有效作用范围逐渐下降。试样含水率30%时，吸水土工毯有效作用范围上下在150 mm以上。当试样含水率下降到21%时(接近最优含水率20.2%),吸水土工毯有效作用范围约为90 mm, 但土工毯对其作用范围内土体仍可起到水分移除效用。

　　

　　图4 不同初始含水率下试样含水率变化曲线

　　总体而言，吸水土工毯铺设于路基中可有效移除土体中水分，水分移除量和有效作用范围与试样含水率呈现正相关，最终可将路基中水分控制在最优含水率以下。

　　实际环境中气候处于动态调整，吸水毯作用时依靠空气吸力蒸发材料带出的水分，其中空气温度和相对湿度是影响水分蒸发的关键因素。为进一步分析环境温湿度对吸水土工毯作用效果的影响，根据第三组试验数据绘制不同温湿度条件下试样含水率变化曲线如见图5所示。

　　

　　图5 不同温湿度条件下试样含水率变化曲线

　　从图5(a)中可以看出，外界环境相对湿度为30%时，温度从5 ℃上升到35 ℃时，试样各位置处水分移除量有显著提高。试样平均水分移除量从5 ℃时2.58%,提升到35 ℃时3.18%,水分移除提升率为23.3%,表明外界环境温度是影响吸水土工毯作用的重要因素。

　　图5(b)为环境温度20 ℃时，不同相对湿度下水分移除效果。可以看出，吸水土工毯水分移除效果随着外界相对湿度的增加水分移除效果显著下降。当相对湿度从30%下降到90%时，试样平均水分移除量从2.91%下降到0.84%,表明相对湿度是影响吸水土工毯作用的关键因素。

　　总体而言，吸水土工毯水盐移除效率与环境温湿度密切相关，总体表现为随外界环境温度的下降和相对湿度的上升，水分移除效果呈现降低趋势。

　　2.2 试样盐分移除效果

　　在试样水分被移除同时，土体中部分易溶盐随着水分被带出。由于不同试验条件下试样易溶盐含量存在一定差异(± 0.2%,平均值为4.28%),为定量分析不同试验条件下易溶盐移除量，以涤纶纤维/吸水土工毯试样相较于相同试验条件下对应位置处空白对照试样易溶盐移除率(易溶盐移除量与空白对照试样相应位置处易溶盐含量的比值)进行分析(见图6)。

　　

　　图6 试样易溶盐移除率

　　从图6(a)中可以看出，吸水土工毯试样平均易溶盐移除率为12.3%,相较于涤纶纤维试样(10.5%)移除率有进一步的提升，表明吸水土工毯相较于涤纶纤维在进一步移除土体水分的同时也可进一步促进盐分的排出，这对于缓解“盐胀”具有一定积极意义。从图6(b)可以看出，随着试样含水率降低，不同位置处易溶盐含量移除率逐渐下降，这是因为吸水土工毯的水分移除量逐渐下降，随水分带出的盐分量减少。同时随着试样含水率的降低，易溶盐溶解量下降，部分盐分以结晶的形态存在于土体当中，未随水分排出。从图6(c)、图6(d)中可以看出，随着温度的下降及相对湿度的上升，试样各位置处易溶盐移除率降低。这是因为随着温度的下降，易溶盐溶解度降低，结晶的盐分无法随水分排出，并且温度的降低及湿度的升高降低了水分移除量，随水分带出的盐分也显著下降。同时值得注意的时，试样不同位置处易溶盐移除量与水分移除量拥有显著的对应关系，均表现出靠近材料中间位置处降低显著，远离材料两端位置处降低细微的现象。这是因为易溶盐以水分作为运移载体，随水分排出试样。

　　总体而言，吸水土工毯在移除盐渍土水分同时也可显著降低盐渍土中易溶盐含量，且易溶盐移除量与水分移除量拥有显著的对应关系。

　　3 思考与讨论

　　通过本研究可知，PVA材料与涤纶纤维组成的吸水土工毯可有效移除盐渍土中水分与盐分，在路基、堤坝、挡墙及边坡等工程中具有广阔应用前景。

　　吸水土工毯与传统隔水材料不同的是，传统材料虽形成了隔断，但无法向外界迁移多余的水分，从而造成了新的软化区，而PVA材料在内部纤维作用下可通过内外蒸汽压差不断迁移多余水分(见图7)。吸水土工毯实质上是打破了土体中原有的水势能平衡，为水分排出提供了介质。同时，土体内部与空气之间的湿度差为水分排出提供了动力。吸水土工毯在土体中的作用可分为三个阶段：首先PVA材料在土中形成隔断层，从而对由下向上及由上向下迁移的水分进行了阻隔与吸收，增加了纤维与水分接触的机会，这也是吸水土工毯相较于涤纶纤维拥有更高水分移除效率的重要原因。其次PVA材料内部纤维在内外蒸汽压差作用下向外迁移水分。最后被带出的水分蒸发到空气中实现水分移除。此过程一直持续到土体对水分吸力等于材料对水分吸力时结束。

　　

　　图7 吸水土工毯作用路基示意

　　吸水土工毯作用过程中，空气产生的吸力是使水分不断向外迁移的重要原因。换言之，如果材料带出的水分无法蒸发到空气中，则材料内外无法形成吸力差，从而无法在土体非饱和条件下迁移土体水分。根据Kelvin公式，大气产生的吸力可由下式计算

　　

　　式中，φ为大气吸力(MPa);R为气体常数(R=8.314 32 J/mol·K);T为环境温度(K);ρω为温度T时水的密度(g/cm3),Mw为水蒸气的摩尔质量(Mw=18.016 g/mol);RH为环境相对湿度(%)。

　　根据式(2)可知，环境温度和相对湿度是空气吸力的主要影响因素。结合本研究试验条件，20 ℃时，湿度从30%增加到90%,大气产生的吸力从163 MPa下降到14 MPa, 而当湿度为30%时，温度从5 ℃上升到35 ℃时，大气吸力从155 MPa上升到171 MPa。从数值上可以看出，相对湿度的上升相较于温度的下降会更显著地降低空气吸力，从而减缓水分蒸发过程，这也可以较好地解释试验过程中相对湿度对吸水土工毯作用效果影响更为显著。

　　实际环境中相对湿度随气候变化处于动态调整并且呈现显著的地域差异。通常情况下，在无降雨的实际环境中，环境相对湿度一般低于50%,在20 ℃环境下空气吸力可达93 MPa。而路基土体中吸力随饱和度的上升逐渐降低，实际工程中路基土的吸力一般低于1 MPa, 路基内外的吸力差可保证吸水土工毯有效移除土体中水分。

　　4 结 论

　　本研究通过土柱试验研究了吸水土工毯对路基盐渍土的水盐移除效果，得出如下结论：

　　(1)由PVA材料和涤纶纤维组成的吸水土工毯可在涤纶纤维的基础上进一步提升水盐移除效率，在非饱和盐渍土中主动移除土体中水分及盐分。且在含水率相同条件下水盐移除效果与到吸水毯的竖向距离呈负相关。

　　(2)吸水土工毯存在有效作用范围，水盐移除量及有效作用范围随着盐渍土含水率降低而下降。在盐渍土含水率为30%时，吸水土工毯有效作用范围上下在150 mm以上，盐渍土含水率下降至接近最优含水率20.2%时，有效作用范围约为90 mm, 吸水土工毯仍可发挥作用。

　　(3)吸水土工毯水盐移除效率与外界环境温度及相对湿度密切相关，总体表现为吸水土工毯随着外界环境温度的上升与相对湿度的下降水盐移除效率呈现升高趋势。

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