聚氨酯型固化劑加固砂性土抗壓試驗及破壞模式

劉 瑾，馮 巧，孫少銳，汪 勇，白玉霞，宋澤卓，馮嘉馨，李 鼎

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

聚氨酯型固化劑加固砂性土抗壓試驗及破壞模式

劉 瑾，馮 巧，孫少銳，汪 勇，白玉霞，宋澤卓，馮嘉馨，李 鼎

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

針對砂性土結構松散的問題，采用聚氨酯型固化劑對其進行改良，對不同固化劑含量及養護時間的改良砂性土進行了無側限抗壓試驗，并對其加固程度及破壞模式進行分析。結果表明：聚氨酯型固化劑改良的砂性土無側限抗壓強度得到一定程度的提高；當養護時間一定時，改良砂性土的抗壓強度和殘余強度隨著固化劑含量增加而增加，峰值應變反而減??；當固化劑含量一定時，改良砂性土的抗壓強度、殘余強度及峰值應變均隨著養護時間增加而增加；抗壓強度、殘余強度及峰值強度在含量為30%，養護時間為48 h時，基本達到最佳加固效果；在無側限壓縮破壞后，養護初期的破壞形態為“X”形、“Y”形剪切帶破壞，在養護中期為“花瓣狀”破壞，養護后期為錐形縫合線狀破壞。

地質工程；砂性土；高分子固化劑；無側限抗壓試驗；抗壓強度；殘余強度；破壞模式

0 引 言

土體的強度與內部結構密切相關，土體的結構一般由顆粒骨架及顆粒間的膠結情況決定。砂性土結構松散，在工程上容易出現變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現象，在風的作用下搬運、堆積，污染環境，造成交通設施積沙、沙埋，破壞農田水利設施，從而給國民經濟及人民的日常生活帶來巨大損失。因此，砂性土常常需通過一些加固方法改良，以滿足工程建設需要。

高分子聚合物由于其良好的加固效果，被廣泛運用于砂性土改良中。高分子聚合物與土顆粒表面的相互化學作用同時包裹土顆粒和填充顆粒間的孔隙形成網狀膜結構，從而提高土體的強度。Callebaut等早在1979年就對高分子固化劑改良土壤效果及水分蒸發情況進行了研究[1]；Bae等發現聚乙烯亞胺、聚丙烯酰胺和水性聚氧化乙烯對蒙脫石黏土礦物的粉塵污染具有較好的防治效果[2-4]；莊峰等在水泥砂漿中加入丙烯酸改性聚醋酸乙烯酯乳液(聚合物乳液)，研究摻量對砂漿保水性、吸水率、黏結強度和壓折比的影響，發現在砂漿中加入適量的聚合物乳液,可以明顯改善砂漿性能[5]；王銀梅等自主研發了新型高分子固沙材料SH，對其抗凍、抗老化性能進行測試，并與水泥固化效果做對比[6-9]；劉瑾等對STW 型生態土壤穩定劑改良土壤做了系統性的研究[10-14]。

上述研究表明，高分子聚合物在土體加固中被廣泛運用，但不同固化程度的改良土體具有不同的工程特性，尤其是針對砂性土地基及路基，改良砂性土的固化程度直接影響工程效果。為了研究高分子聚合物改良砂性土的固化過程，提高固化程度，使改良效果達到最佳，本試驗選取聚氨酯型固化劑對砂性土進行改良。針對不同養護時間的改良砂性土試樣，通過無側限抗壓試驗測定其抗壓強度、殘余強度及峰值應變等參數，對不同固化程度改良砂性土試樣的破壞模式進行分析，得出聚氨酯型固化劑改良砂性土最佳摻量及養護時間，為高分子聚合物加固砂性土地基及路基提供依據。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

圖1 砂性土粒徑分布Fig.1 Distribution of Sand Particle Size

圖2 聚氨酯型固化劑Fig.2 Polyurethane Soil Stabilizer

本次試驗所用土樣為南京江寧地區的砂性土,顆粒及級配見圖1。試驗中所采用聚氨酯型固化劑見圖2，其為淺黃色透明液體狀的改性親水性聚氨酯復合材料，密度為1.18 g·cm-3，黏度為650～700 mPa·s，固含量為85%，凝固時間為30～1 800 s，抱水性不低于40倍。

1.2 試驗過程

將取回的砂性土風干，并過2 mm(10目)篩，土樣的風干含水率為2.0%。試驗中選取的固化劑含量(質量分數，下同)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%。試驗過程中，首先稱取適量風干土，將定量的聚氨酯型固化劑溶液同風干土充分攪拌，待固化劑和土混合均勻再倒入特制壓實裝置，置備成直徑39.1 mm、高80 mm 的土樣，分別養護6、12、24、48、72 h。本試驗共開展了26組試驗，每組土樣按上述方法壓制3個平行樣,并采用平均值作為結果進行分析。所采用的試驗儀器為南京土壤儀器廠生產的應變控制式無側限壓力儀，速率控制在2.4 mm·min-1。

2 試驗結果

本試驗研究聚氨酯型固化劑改良砂性土不同養護時間無側限抗壓強度的影響及破壞模式，其結果見圖3。從圖3可以看出，聚氨酯型固化劑改良砂性土的無側限抗壓強度具有增強效果。

圖3為改良砂性土在密度為1.4 g·cm-3時不同養護時間的應力應變曲線。曲線在達到峰值前變化較快，達到峰值后緩慢減小，最后基本趨近平穩。在相同養護時間下，含量越小，改良砂性土的應力-應變曲線形態越平穩，含量越大，曲線峰形越明顯。含量為10%、20%時的曲線相似，呈現出平緩的形態；含量為30%、40%、50%時，改良砂性土的應力-應變曲線峰形較低含量時更加明顯，隨著含量增加，峰值有所增加，但是可明顯觀察到3條曲線的形態非常相似，形變特征沒有太大差異。這說明當含量低于20%時，聚氨酯型固化劑對砂性土的強度及形變改良效果還不夠好，當含量在30%左右時，聚氨酯型固化劑對砂性土的性能有較為顯著的提高。

圖3 改良砂性土應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain Curves of Reinforced Sandy Soil

圖4～6給出了不同養護時間下聚氨酯型固化劑改良砂性土的抗壓強度、峰值強度形變及殘余強度隨固化劑含量的變化。從圖4、5可以看出，在不同養護時間下，隨著固化劑含量的增加，改良砂性土的抗壓強度和殘余強度增加，并且養護時間越長，強度隨含量增長的速度越快。從圖6可以看出，在不同養護時間下，隨著改良砂性土在抗壓強度達到峰值時的應變隨著固化劑含量增加而逐漸減小，并且減小的速度越來越快。這說明聚氨酯型固化劑可以在一定程度上提高砂性土的強度，并且含量越高提升的程度越大，聚氨酯型固化劑還可以提高改良砂性土抵抗形變的能力，實際工程應用中具有較重要的意義。然而，固化劑含量并不是越高越好，較高含量的固化劑固化時間短，施工難度大；根據試驗結果，含量為30%左右較好。

圖4 不同養護時間下改良砂性土抗壓強度曲線Fig.4 Curves of Peak Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

圖5 不同養護時間下改良砂性土殘余強度曲線Fig.5 Curves of Residual Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

圖6 不同養護時間下改良砂性土峰值應變曲線Fig.6 Curves of Peak Strain of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

圖7 不同固化劑含量下改良砂性土殘余強度曲線Fig.7 Curves of Residual Strength of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

圖8 不同固化劑含量下改良砂性土抗壓強度曲線Fig.8 Curves of Peak Strength of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

圖9 不同固化劑含量下改良砂性土峰值應變曲線Fig.9 Curves of Peak Strain of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

圖7～9給出了不同含量的聚氨酯型固化劑改良砂性土的抗壓強度、峰值強度應變及殘余強度隨養護時間的變化。從圖7～9可以看出，隨著養護時間的增加，改良砂性土的抗壓強度、殘余強度及峰值強度應變逐漸增加，在48 h后增長的速度變慢，在72 h后基本趨于穩定。在加固后6 h左右，改良砂性土的強度較低且發生形變時容易破壞；改良砂性土在加固后12 h左右，抗壓強度、殘余強度及強度到達峰值時的應變都急劇增加，尤其是峰值應變增加最快，在含量為30%、40%、50%時分別增長了52.70%、57.51%、39.71%。

聚氨酯型固化劑主要成分為聚氨酯預聚體，高分子長鏈上帶有可與土顆粒表面及水反應的官能團，可加強土顆粒間的聯系。同時，聚氨酯溶液包裹、填充在土顆粒間，形成網絡膜狀結構，進一步提高了土體強度。在改良后6 h，由于時間較短，聚氨酯預聚體來不及充分與土顆粒反應，所以提高的強度有限；在改良后12 h，改良土體各方面強度有較快提升，說明聚氨酯在改良砂性土的前12 h起到快速加固的作用。

3 無側限壓縮條件下改良砂性土試樣破壞形態

土樣的破壞形態與土體顆粒間結構發展變化、自身強度特性密切相關，土體結構取決于顆粒形狀、礦物成分、孔隙性狀及沉積環境。土體破壞一般是結構發生破壞，在試驗過程中，外部荷載使土體發生剪切，隨著外部荷載持續作用形成明顯剪切帶，土體結構破壞主要集中在剪切帶上[15-16]。

砂性土結構松散，經過聚氨酯型固化劑改良后，與土顆粒表面的水發生化學作用，該聚氨酯中含有大量的分子長鏈和異氰酸酯基，當聚氨酯型固化劑稀釋溶解官能團，與土顆粒表面基團發生化學反應，將土顆粒黏結成網絡狀的結構整體，從而提高改性土的強度。因此，聚氨酯固化劑特殊的高分子網絡狀結構可以有效提高松散土顆粒的內聚力。

聚氨酯型固化劑對砂性土的改良有顯著效果。改良后的砂性土無側限抗壓強度增強，抵抗形變破壞的能力提高，破壞后土體殘余的強度也得到提高。圖10為不同壓縮階段試樣形態。試驗前，試樣為無側限抗壓試驗的標準尺寸，通過聚氨酯型固化劑改良后壓制成均勻柱體；開始壓縮后，試樣發生輕微變形，這是軸向應力增長最快的階段；軸向應力增長趨勢變緩，逐漸達到峰值后，強度不再增加；達到峰值后，隨著軸向應變的增加，軸向應力逐漸減小，試樣發生破壞。

圖10 不同試驗階段試樣形態Fig.10 Modes of Samples in Different Stages

圖(a)為剪切破壞狀態；圖(b)、(c)、(d)為“花瓣狀”破壞狀態；圖(e)為縫合線狀破壞狀態圖11 不同養護時間的試樣破壞形態Fig.11 Failure Modes of Samples at Different Curing Time

聚氨酯型固化劑改良砂性土的效果與加固程度有關，改良后的砂性土需要一定養護時間才能完全反應形成網狀膜，達到較好的加固效果。改良砂性土的加固程度可以通過試驗中試樣的破壞模式反映。加固程度越大，高分子網狀膜與土顆粒之間作用力越大，從而改變砂性土顆粒松散的結構，在宏觀上，土體的強度性能得到提高，強度峰值時試樣的形變也更大。

圖11為改良砂性土試樣在不同養護時間呈現的破壞模式。在試樣養護初期(6 h)，由于時間較短，聚氨酯型固化劑的高分子活性官能團與土顆粒表面的水并未充分反應，不能形成完整的網狀膜，發生破壞時多出現明顯剪切帶，通常出現“X”形、“Y”形裂隙；隨著養護時間的增加，固化劑形成的網狀膜結構逐漸形成，與土顆粒間的作用力增加，試樣的抗壓強度和破壞時產生的形變明顯增加，破壞形式多為側面鼓脹破裂，并且隨著荷載持續作用下形成“花瓣狀”破壞現象，這種現象尤其是在密度較低的試樣中較為明顯；隨著養護時間繼續增加，試樣中的水分揮發，高分子網狀膜作用進一步增強，試樣在持續荷載作用下形成“卷皮狀”破壞，試樣會側向開裂但并不會上、下斷開，這是高分子鏈進一步增強的結果，此時聚氨酯型固化劑改良砂性土的抗壓強度較高，同時破壞時形變較高；當較長時間后，試樣中水分進一步揮發，高分子網狀膜的彈性性質降低，此時的破壞表現為在試樣的中部產生類似錐形縫合線破壞帶，形成“V”形破裂。試樣的破壞模式和聚氨酯型固化劑形成的網狀膜性質密切相關，高分子鏈在不同加固程度表現出不同的彈性性質改變土體結構，進而影響改良砂性土的破壞模式。

4 結 語

(1)聚氨酯型固化劑可以在一定程度上提高砂性土的強度。隨著固化劑含量的增加，改良砂性土的抗壓強度和殘余強度提高，峰值應變逐漸減??；隨著養護時間的增加，改良砂性土的抗壓強度、殘余強度及峰值應變先增加后減緩，最后趨于平穩。

(2)聚氨酯型固化劑改良砂性土的加固程度主要與養護時間和固化劑含量有關。養護時間越長，固化程度越高，48 h為最佳養護時間。含量越大，固化程度越高，但較高含量的固化劑固化時間短，施工難度大，含量為30%左右可以取得較好的加固效果。

(3)聚氨酯型固化劑加固砂性土的破壞模式與養護時間相關。養護時間6 h后，試樣為“X”形、“Y”形剪切帶破壞；養護時間12～48 h后，試樣為“花瓣狀”破壞；養護時間72 h后，試樣為錐形縫合線狀破壞。

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UnconfinedCompressionTestandFailureModeofSandySoilStabilizedbyPolyurethaneSoilStabilizer

LIU Jin, FENG Qiao, SUN Shao-rui, WANG Yong, BAI Yu-xia, SONG Ze-zhuo, FENG Jia-xin, LI Ding

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The sandy soil is unconsolidated. The characteristics of strength and failure pattern of the sandy soil reinforced by polyurethane soil stabilizer were analyzed according to the unconfined compression test. The results show that the unconfined compressive strength of reinforced sandy soil increases with the increase of polyurethane contents, while the peak strains decrease; at the same curing time, the compressive strength, residual strength of reinforced sandy soil increase with the increase of polyurethane content, while the peak strain decreases; at the same polyurethane content, the compressive strength, residual strength and peak strain of reinforced sandy soil increase with the increase of curing time; the effects of compressive strength, residual strength and peak strength are best with the polyurethane content of 30% and at the curing time of 48 h; for the unconfined compression test, the failure modes of samples are X-shape or Y-shape shear bands after the curing time of 6 h, petal-shape after the curing time of 12-48 h, and zigzag-shape after the curing time of 72 h.

geological engineering; sandy soil; polyurethane soil stabilizer; unconfined compression test; peak strength; residual strength; failure mode

P642；TU432

A

2017-05-22

江蘇省水利廳水利科技重大技術攻關項目(2017010)；國家自然科學基金項目(41472241)；江蘇省自然科學基金項目(BK20141415)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(2016B05914)

劉 瑾(1983-),女,福建漳州人,教授,工學博士，E-mail:jinliu920@163.com。

1672-6561(2017)05-0704-07