聚氨酯型固化劑加固砂性土抗壓試驗(yàn)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(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

聚氨酯型固化劑加固砂性土抗壓試驗(yàn)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(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

針對(duì)砂性土結(jié)構(gòu)松散的問(wèn)題，采用聚氨酯型固化劑對(duì)其進(jìn)行改良，對(duì)不同固化劑含量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的改良砂性土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，并對(duì)其加固程度及破壞模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：聚氨酯型固化劑改良的砂性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到一定程度的提高；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間一定時(shí)，改良砂性土的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨著固化劑含量增加而增加，峰值應(yīng)變反而減?。划?dāng)固化劑含量一定時(shí)，改良砂性土的抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及峰值應(yīng)變均隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而增加；抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及峰值強(qiáng)度在含量為30%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48 h時(shí)，基本達(dá)到最佳加固效果；在無(wú)側(cè)限壓縮破壞后，養(yǎng)護(hù)初期的破壞形態(tài)為“X”形、“Y”形剪切帶破壞，在養(yǎng)護(hù)中期為“花瓣?duì)睢逼茐?，養(yǎng)護(hù)后期為錐形縫合線狀破壞。

地質(zhì)工程；砂性土；高分子固化劑；無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度；殘余強(qiáng)度；破壞模式

0 引 言

土體的強(qiáng)度與內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，土體的結(jié)構(gòu)一般由顆粒骨架及顆粒間的膠結(jié)情況決定。砂性土結(jié)構(gòu)松散，在工程上容易出現(xiàn)變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現(xiàn)象，在風(fēng)的作用下搬運(yùn)、堆積，污染環(huán)境，造成交通設(shè)施積沙、沙埋，破壞農(nóng)田水利設(shè)施，從而給國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民的日常生活帶來(lái)巨大損失。因此，砂性土常常需通過(guò)一些加固方法改良，以滿足工程建設(shè)需要。

高分子聚合物由于其良好的加固效果，被廣泛運(yùn)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(xué)作用同時(shí)包裹土顆粒和填充顆粒間的孔隙形成網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，從而提高土體的強(qiáng)度。Callebaut等早在1979年就對(duì)高分子固化劑改良土壤效果及水分蒸發(fā)情況進(jìn)行了研究[1]；Bae等發(fā)現(xiàn)聚乙烯亞胺、聚丙烯酰胺和水性聚氧化乙烯對(duì)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(duì)砂漿保水性、吸水率、黏結(jié)強(qiáng)度和壓折比的影響，發(fā)現(xiàn)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(fā)了新型高分子固沙材料SH，對(duì)其抗凍、抗老化性能進(jìn)行測(cè)試，并與水泥固化效果做對(duì)比[6-9]；劉瑾等對(duì)STW 型生態(tài)土壤穩(wěn)定劑改良土壤做了系統(tǒng)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(yùn)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(duì)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(guò)程，提高固化程度，使改良效果達(dá)到最佳，本試驗(yàn)選取聚氨酯型固化劑對(duì)砂性土進(jìn)行改良。針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的改良砂性土試樣，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及峰值應(yīng)變等參數(shù)，對(duì)不同固化程度改良砂性土試樣的破壞模式進(jìn)行分析，得出聚氨酯型固化劑改良砂性土最佳摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間，為高分子聚合物加固砂性土地基及路基提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)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(yàn)所用土樣為南京江寧地區(qū)的砂性土,顆粒及級(jí)配見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中所采用聚氨酯型固化劑見(jiàn)圖2，其為淺黃色透明液體狀的改性親水性聚氨酯復(fù)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(shí)間為30～1 800 s，抱水性不低于40倍。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

將取回的砂性土風(fēng)干，并過(guò)2 mm(10目)篩，土樣的風(fēng)干含水率為2.0%。試驗(yàn)中選取的固化劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%。試驗(yàn)過(guò)程中，首先稱取適量風(fēng)干土，將定量的聚氨酯型固化劑溶液同風(fēng)干土充分?jǐn)嚢瑁袒瘎┖屯粱旌暇鶆蛟俚谷胩刂茐簩?shí)裝置，置備成直徑39.1 mm、高80 mm 的土樣，分別養(yǎng)護(hù)6、12、24、48、72 h。本試驗(yàn)共開(kāi)展了26組試驗(yàn)，每組土樣按上述方法壓制3個(gè)平行樣,并采用平均值作為結(jié)果進(jìn)行分析。所采用的試驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀，速率控制在2.4 mm·min-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)研究聚氨酯型固化劑改良砂性土不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響及破壞模式，其結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，聚氨酯型固化劑改良砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)效果。

圖3為改良砂性土在密度為1.4 g·cm-3時(shí)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的應(yīng)力應(yīng)變曲線。曲線在達(dá)到峰值前變化較快，達(dá)到峰值后緩慢減小，最后基本趨近平穩(wěn)。在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，含量越小，改良砂性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)越平穩(wěn)，含量越大，曲線峰形越明顯。含量為10%、20%時(shí)的曲線相似，呈現(xiàn)出平緩的形態(tài)；含量為30%、40%、50%時(shí)，改良砂性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰形較低含量時(shí)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(tài)非常相似，形變特征沒(méi)有太大差異。這說(shuō)明當(dāng)含量低于20%時(shí)，聚氨酯型固化劑對(duì)砂性土的強(qiáng)度及形變改良效果還不夠好，當(dāng)含量在30%左右時(shí)，聚氨酯型固化劑對(duì)砂性土的性能有較為顯著的提高。

圖3 改良砂性土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain Curves of Reinforced Sandy Soil

圖4～6給出了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下聚氨酯型固化劑改良砂性土的抗壓強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度形變及殘余強(qiáng)度隨固化劑含量的變化。從圖4、5可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，隨著固化劑含量的增加，改良砂性土的抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度增加，并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度隨含量增長(zhǎng)的速度越快。從圖6可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，隨著改良砂性土在抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)變隨著固化劑含量增加而逐漸減小，并且減小的速度越來(lái)越快。這說(shuō)明聚氨酯型固化劑可以在一定程度上提高砂性土的強(qiáng)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(shí)際工程應(yīng)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(shí)間短，施工難度大；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，含量為30%左右較好。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下改良砂性土抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Curves of Peak Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

圖5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下改良砂性土殘余強(qiáng)度曲線Fig.5 Curves of Residual Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下改良砂性土峰值應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度、峰值強(qiáng)度應(yīng)變及殘余強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化。從圖7～9可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改良砂性土的抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及峰值強(qiáng)度應(yīng)變逐漸增加，在48 h后增長(zhǎng)的速度變慢，在72 h后基本趨于穩(wěn)定。在加固后6 h左右，改良砂性土的強(qiáng)度較低且發(fā)生形變時(shí)容易破壞；改良砂性土在加固后12 h左右，抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及強(qiáng)度到達(dá)峰值時(shí)的應(yīng)變都急劇增加，尤其是峰值應(yīng)變?cè)黾幼羁欤诤繛?0%、40%、50%時(shí)分別增長(zhǎng)了52.70%、57.51%、39.71%。

聚氨酯型固化劑主要成分為聚氨酯預(yù)聚體，高分子長(zhǎng)鏈上帶有可與土顆粒表面及水反應(yīng)的官能團(tuán)，可加強(qiáng)土顆粒間的聯(lián)系。同時(shí)，聚氨酯溶液包裹、填充在土顆粒間，形成網(wǎng)絡(luò)膜狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了土體強(qiáng)度。在改良后6 h，由于時(shí)間較短，聚氨酯預(yù)聚體來(lái)不及充分與土顆粒反應(yīng)，所以提高的強(qiáng)度有限；在改良后12 h，改良土體各方面強(qiáng)度有較快提升，說(shuō)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(wú)側(cè)限壓縮條件下改良砂性土試樣破壞形態(tài)

土樣的破壞形態(tài)與土體顆粒間結(jié)構(gòu)發(fā)展變化、自身強(qiáng)度特性密切相關(guān)，土體結(jié)構(gòu)取決于顆粒形狀、礦物成分、孔隙性狀及沉積環(huán)境。土體破壞一般是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，在試驗(yàn)過(guò)程中，外部荷載使土體發(fā)生剪切，隨著外部荷載持續(xù)作用形成明顯剪切帶，土體結(jié)構(gòu)破壞主要集中在剪切帶上[15-16]。

砂性土結(jié)構(gòu)松散，經(jīng)過(guò)聚氨酯型固化劑改良后，與土顆粒表面的水發(fā)生化學(xué)作用，該聚氨酯中含有大量的分子長(zhǎng)鏈和異氰酸酯基，當(dāng)聚氨酯型固化劑稀釋溶解官能團(tuán)，與土顆粒表面基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將土顆粒黏結(jié)成網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)整體，從而提高改性土的強(qiáng)度。因此，聚氨酯固化劑特殊的高分子網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可以有效提高松散土顆粒的內(nèi)聚力。

聚氨酯型固化劑對(duì)砂性土的改良有顯著效果。改良后的砂性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，抵抗形變破壞的能力提高，破壞后土體殘余的強(qiáng)度也得到提高。圖10為不同壓縮階段試樣形態(tài)。試驗(yàn)前，試樣為無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，通過(guò)聚氨酯型固化劑改良后壓制成均勻柱體；開(kāi)始?jí)嚎s后，試樣發(fā)生輕微變形，這是軸向應(yīng)力增長(zhǎng)最快的階段；軸向應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，逐漸達(dá)到峰值后，強(qiáng)度不再增加；達(dá)到峰值后，隨著軸向應(yīng)變的增加，軸向應(yīng)力逐漸減小，試樣發(fā)生破壞。

圖10 不同試驗(yàn)階段試樣形態(tài)Fig.10 Modes of Samples in Different Stages

圖(a)為剪切破壞狀態(tài)；圖(b)、(c)、(d)為“花瓣?duì)睢逼茐臓顟B(tài)；圖(e)為縫合線狀破壞狀態(tài)圖11 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的試樣破壞形態(tài)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(guān)，改良后的砂性土需要一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間才能完全反應(yīng)形成網(wǎng)狀膜，達(dá)到較好的加固效果。改良砂性土的加固程度可以通過(guò)試驗(yàn)中試樣的破壞模式反映。加固程度越大，高分子網(wǎng)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(jié)構(gòu)，在宏觀上，土體的強(qiáng)度性能得到提高，強(qiáng)度峰值時(shí)試樣的形變也更大。

圖11為改良砂性土試樣在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈現(xiàn)的破壞模式。在試樣養(yǎng)護(hù)初期(6 h)，由于時(shí)間較短，聚氨酯型固化劑的高分子活性官能團(tuán)與土顆粒表面的水并未充分反應(yīng)，不能形成完整的網(wǎng)狀膜，發(fā)生破壞時(shí)多出現(xiàn)明顯剪切帶，通常出現(xiàn)“X”形、“Y”形裂隙；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，固化劑形成的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)逐漸形成，與土顆粒間的作用力增加，試樣的抗壓強(qiáng)度和破壞時(shí)產(chǎn)生的形變明顯增加，破壞形式多為側(cè)面鼓脹破裂，并且隨著荷載持續(xù)作用下形成“花瓣?duì)睢逼茐默F(xiàn)象，這種現(xiàn)象尤其是在密度較低的試樣中較為明顯；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間繼續(xù)增加，試樣中的水分揮發(fā)，高分子網(wǎng)狀膜作用進(jìn)一步增強(qiáng)，試樣在持續(xù)荷載作用下形成“卷皮狀”破壞，試樣會(huì)側(cè)向開(kāi)裂但并不會(huì)上、下斷開(kāi)，這是高分子鏈進(jìn)一步增強(qiáng)的結(jié)果，此時(shí)聚氨酯型固化劑改良砂性土的抗壓強(qiáng)度較高，同時(shí)破壞時(shí)形變較高；當(dāng)較長(zhǎng)時(shí)間后，試樣中水分進(jìn)一步揮發(fā)，高分子網(wǎng)狀膜的彈性性質(zhì)降低，此時(shí)的破壞表現(xiàn)為在試樣的中部產(chǎn)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(wǎng)狀膜性質(zhì)密切相關(guān)，高分子鏈在不同加固程度表現(xiàn)出不同的彈性性質(zhì)改變土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響改良砂性土的破壞模式。

4 結(jié) 語(yǔ)

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

(2)聚氨酯型固化劑改良砂性土的加固程度主要與養(yǎng)護(hù)時(shí)間和固化劑含量有關(guān)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，固化程度越高，48 h為最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間。含量越大，固化程度越高，但較高含量的固化劑固化時(shí)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(yǎng)護(hù)時(shí)間相關(guān)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間6 h后，試樣為“X”形、“Y”形剪切帶破壞；養(yǎng)護(hù)時(shí)間12～48 h后，試樣為“花瓣?duì)睢逼茐模火B(yǎng)護(hù)時(shí)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(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(2017010)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41472241)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141415)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2016B05914)

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

1672-6561(2017)05-0704-07