PAM固化土體的微觀特性試驗分析

馬文華

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

雖然國內(nèi)外在許多固化劑加固土壤的固化機(jī)理和耐久性方面已經(jīng)做了大量研究，也取得了很多研究成果，但有關(guān)PAM固化劑應(yīng)用的研究很少，其微觀特性尚不明確。故，本文重點圍繞PAM固化劑進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場試驗對PAM固化土體的微觀特性進(jìn)行分析，對實現(xiàn)防止水土流失又能恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的坡面防護(hù)具有重要意義。

1 紅外光譜

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

紅外光譜分析是物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的重要方法，主要用于有機(jī)官能團(tuán)的定性檢測和半定量分析。

1.2 制樣方法

1.2.1配土方法

(1)素土：按照設(shè)計干密度和含水率稱取相應(yīng)的干土和水，充分拌合。

(2)固化土樣：將PAM固化劑按照干土質(zhì)量的0.2%、0.3%、0.4%先與干土均勻拌合后，按照含水率17.5%配制土樣，再均勻拌合。

土樣拌合完成后，密封靜置12h，水分充分遷移均勻后，進(jìn)行制樣。

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1.2.2制樣

將靜置完成的土樣分4層裝入模具內(nèi)壓實，分層厚度分別為20mm、10mm、10mm，壓實完成。

(1)直接取PAM固化劑用KBr壓片法進(jìn)行紅外光譜測試。

(2)采用上述制樣方法，分別制備PAM固化劑摻量為0.2%、0.3%、0.4%的PAM固化土體，待自然風(fēng)干后，取適量的樣品采用KBr壓片法進(jìn)行紅外光譜測試。

1.3 試驗結(jié)果

圖1為PAM固化劑和PAM固化土體的紅外光譜圖。

(a)PAM固化劑紅外光譜圖

(b)PAM固化土體紅外光譜圖圖1 紅外光譜圖

由圖1(a)可知，3354cm-1、3452cm-1處的吸收峰為酰胺中的-NH-鍵，1164cm-1處為NH2的吸收峰；2925cm-1處出現(xiàn)C-H鍵的吸收峰，此處為聚丙烯酰胺中的-CH-、-CH2-分子鏈中的C-H鍵；1604cm-1處的吸收峰為酰胺中的羰基(-C=O)。PAM固化劑鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很有利于對土顆粒的加固。由圖1(b)可知，PAM固化劑中1604cm-1、3452cm-1處的吸收峰依然存在，表明PAM固化劑的吸收峰較強(qiáng)，沒有完全被土體覆蓋，且沒有新的官能團(tuán)產(chǎn)生。

2 元素分析

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

元素分析是測試有機(jī)物中C、H、N、O、S等元素含量，測試儀器為Elementar公司的Vario EL型元素分析儀，主要測試PAM固化劑中C、N、H 3種元素的含量。

2.2 試驗結(jié)果

直接取適量PAM固化劑用于測試，其元素含量如表1所示。由表可知：PAM固化劑中C元素的含量較多，H元素含量較少，C、N、H 3種元素質(zhì)量占比超過60%。

表1 不同固化劑的元素含量分布表

3 X射線粉末衍射

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

X射線粉末衍射是物相定性分析的重要手段，主要對樣品含有的礦物進(jìn)行測定。本試驗主要用于測試PAM固化土體中所含有的礦物元素。

3.2 制樣方法

制作PAM固化劑的不同摻量的固化土體，將制作好的試樣放入烘箱中烘干，用研缽將固化土體研磨成沒有顆粒感的粉末，在載玻片內(nèi)壓片制成測試試樣。試驗儀器為荷蘭PANalytical公司的X/Pert3 PRO型X射線粉末衍射儀。

3.3 試驗結(jié)果分析

固化土體和素土的XRD圖譜如圖2所示。

圖2 PAM固化土體的X射線粉末衍射圖譜

由圖2可知：(1)SiO2的衍射峰很強(qiáng)，說明含有大量二氧化硅，同時出現(xiàn)鈣長石CaAl2Si2O8·4H2O的特征衍射峰，土壤內(nèi)含有石英、長石等礦物；含有較明顯的高嶺石Al2Si2O5(OH)4的衍射峰，是長石和其他硅酸鹽礦物蝕變的產(chǎn)物，而且含有硅酸鈣Ca2SiO4和鋁酸鈣Al2CaO4等礦物質(zhì)是花崗巖的重要組成成分。由此可知，該土壤主要含有石英、長石、花崗巖等礦物。

(2)PAM固化劑土體沒有新的衍射峰出現(xiàn)，說明未產(chǎn)生新的礦物，但是不同礦物的衍射峰的峰強(qiáng)稍有區(qū)別。

4 比表面積

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

比表面積測試是測定微孔、中孔等材料的表面積和孔結(jié)構(gòu)特性。所用儀器為美國Micrometric公司的ASAP 2020M。制備方法同紅外光譜試驗。

4.2 試驗結(jié)果分析

固化土體的比表面積測試結(jié)果如表2所示。

表2 PAM固化土體的比表面積結(jié)果 m2/g

由表2可知，PAM固化土體的比表面積隨著摻量的增加而減少。固化劑起到了團(tuán)聚土顆粒的作用，增強(qiáng)了土顆粒間的粘結(jié)力，使得土顆粒排列更為緊密，實現(xiàn)了對土體的加固。

5 掃描電鏡

5.1 試驗?zāi)康?/h3>

掃描電鏡是形貌分析的重要手段，本試驗主要是觀察土壤加固后土壤結(jié)構(gòu)的變化，測試各固化土體和耐久性試驗后固化土體的形貌變化，以研究固化劑的固化方式、摻量和耐久性試驗對固化土體形貌的影響。

5.2 制作試樣

將制作的固化土樣自然風(fēng)干后，取適量固化土樣，掰斷取較平整的新鮮斷面，用導(dǎo)電膠上粘貼在樣品臺上，用吸啞球除去表面的擾動顆粒，得到較為完整的試樣；對試樣表面進(jìn)行噴金處理，即為觀測斷面，進(jìn)行電鏡掃描。試驗儀器為日本Hitachi公司的S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

5.3 掃描電鏡結(jié)果分析

圖3為素土PAM固化土體的SEM結(jié)果。

(a)素土(×500)(b)P-0.2%(×3500)

(c)P-0.3%(×3000)(d)P-0.4%(×3000)

由圖3可知：

(1)素土試樣孔隙較為發(fā)達(dá)，土顆粒間主要通過壓實作用和微弱的毛細(xì)水作用連接在一起，但這種連接力較為微弱，并不能將土體連接成一個整體。

(2)PAM固化劑附著于土顆粒的周圍，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土顆粒間的粘結(jié)力，從而增強(qiáng)固化土體的強(qiáng)度。隨著固化劑摻量的增加，這種粘結(jié)作用越明顯，固化土體的強(qiáng)度越強(qiáng)。

6 結(jié)論

(1)PAM固化劑鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)有利于對土顆粒的加固，吸收峰較強(qiáng)，且沒有完全被土體覆蓋，與土體結(jié)合后并未生成新的物質(zhì)。

(2)PAM固化劑中C、N、H 3種元素質(zhì)量占比超過60%，其中C元素的含量較多，H元素含量較少。

(3)該土壤主要含有石英、長石、花崗巖等礦物。PAM固化劑土體沒有新的衍射峰出現(xiàn)，說明未產(chǎn)生新的礦物，而且不同礦物的衍射峰的峰強(qiáng)稍有區(qū)別。

(4)PAM固化土體的比表面積隨著摻量的增加而減少，說明PAM固化劑可以增強(qiáng)土顆粒間的粘結(jié)力，使得土顆粒排列更為緊密，實現(xiàn)了對土體的加固。

(5)PAM固化劑附著于土顆粒的周圍，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土顆粒間的粘結(jié)力，從而增強(qiáng)固化土體的強(qiáng)度。隨著固化劑摻量的增加，這種粘結(jié)作用越明顯，固化土體的強(qiáng)度越強(qiáng)。