聚氨酯聚合物/劍麻纖維改良砂土剪切特性研究

王梓，劉瑾，馬曉凡，蘭小威，梅緒哲，祁長青

（河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

砂土呈散體狀態(tài)、結構松散、砂顆粒間無粘結，導致其力學和水理性質都較粘性土有很大的差異。同時砂土層在地震荷載作用下易產生液化，降低或喪失承載力。在降雨條件下，砂土層具有強透水性，容易產生涌水、涌砂等問題。除此之外，表層砂土容易被雨水沖刷帶走，造成坡面破壞，且砂土顆粒間孔隙是水流向坡體下滲的良好通道，容易在坡體中形成軟弱帶和產生動、靜水壓力，加大邊坡失穩(wěn)風險。因此，對砂土進行有效的加固處理，具有重要的社會意義和工程經濟效益。

剪切破壞是常發(fā)生在砂土層的一種破壞模式，其剪切破壞特征受顆粒級配等多種因素影響（崔明娟等，2015；郭鴻和陳茜，2017）。陸勇等（2014）通過直剪試驗研究了砂土的剪切力學特性受法向應力和顆粒粒徑的影響規(guī)律。Gutierrez et al.（2009）提出了考慮主應力旋轉的砂土直剪本構模型，研究了主應力旋轉條件下的砂土剪切特征，并通過已有試驗結果對該模型進行了驗證。陳立平等（2013）從細觀層面研究了砂土顆粒在剪切作用下的摩擦特性和破壞特征。董超等（2017）通過直剪試驗研究廢舊輪胎橡膠顆粒粒徑對砂土抗剪強度的影響，分析了砂土改良后的抗剪強度變化特征。李麗華等（2016）深入研究廢舊輪胎碎片加筋路基工作機理，通過室內模型試驗，利用數字照相無標點變形測量系統(tǒng)，結合地基土壓力分布和P-S曲線，研究了廢舊輪胎碎片加筋路基的加筋機理和破壞模式。魯博等（2018）通過對砂土的抗剪強度試驗結果進行統(tǒng)計，分析了砂土內摩擦角和黏聚力隨不同顆粒粒組含量、密實度的變化趨勢及規(guī)律。

目前，在工程實踐中主要通過物理-化學和化學等方法對砂土進行加固改良（饒運章，2004），從而提高砂土的抗剪強度等性質。宋金巖等（2012）通過三軸不固結不排水試驗研究了玻璃纖維摻量和長度對抗剪強度特性的影響，得出抗剪強度與纖維摻量呈非線性關系，與纖維長度近似呈線性關系?？子駛b等（2018）以聚丙烯纖維加筋南京細砂為主要研究對象，通過不同圍壓下的常規(guī)三軸壓縮試驗，研究了不同纖維質量百分比含量對南京細砂強度、變形以及剪脹特性的影響。王磊等（2014）建立了纖維加筋土的本構模型，通過三軸剪切試驗對模型進行了驗證，得出在大變形問題中該模型能較好預測加筋土的應力應變關系的結論。謝約翰等（2019）提出纖維加筋與微生物固化相結合的改性方法，將質聚丙烯纖維與石英砂均勻混合，然后基于微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）技術對土樣進行固化，并開展了一系列無側限抗壓試驗。李麗華等（2017）為了深入了解纖維加筋土的剪切強度特性，通過土工合成材料直剪儀，以砂土為研究對象、玻璃纖維為加筋材料，在控制含水量、纖維摻量和相對密實度條件下開展一系列的直剪試驗。各類高分子類材料也被運用于土體的化學改良，通過試驗研究，這些高分子材料均能有效改善土體性質（董金梅等，2013，2014；朱燕等，2020）。周翠英（2019）等通過直接剪切試驗、崩解試驗等室內試驗研究了生態(tài)酯類材料改良砂土的力學和水理性質，表明生態(tài)酯類材料是一種性能較好的砂土改良劑。陳志昊等（2019）采用高分子固化劑和聚丙烯纖維對砂土進行加固，研究了改良砂土的抗拉強度與固化劑和纖維摻量的關系，并對其加固機理進行了分析研究。王穎等（2019）將膩子粉作為鈣源，磷酸氫二銨（DAP）溶液作為原料，研究了在軟弱砂土中原位制備羥基磷灰石（HAP）加固軟弱砂土的新方法，并采用XRD與SEM分析了HAP的加固機理。沈道?。?017）開展了巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii）誘導碳酸鈣沉淀影響因素及灌漿膠結砂土強度試驗研究，并對微生物固化砂柱內部微觀結構進行了觀測研究以探明膠結機理。前人的研究成果表明物理加固和化學加固在一定程度上均能很好地改良砂土的工程特性，然而目前對纖維與高分子聚合物復合加固砂土的研究較少。

本文對聚氨酯聚合物-劍麻纖維-砂土復合材料進行一系列的直接剪切試驗研究，并根據試驗結果結合掃描電子顯微鏡（SEM）圖像分析了不同條件對于砂土復合材料的剪切性能的影響，以期為今后的工程實踐應用提供一定的參考價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本試驗中所使用的砂土取自南京江寧地區(qū)。試驗所用砂土經過2 mm篩子篩選后的物理力學參數見表1，顆粒分析試驗得到的結果如圖1所示，屬于級配不良的砂土。

表1 砂土的物理力學參數

圖1 砂土的級配圖

本試驗中使用的劍麻纖維來自廣西，具有質地堅韌、抗拉性強、耐磨性強、耐酸堿等特性，具有廣泛的應用價值，是一種環(huán)保型的硬質纖維，劍麻纖維的詳細物理力學參數如表2所示。

表2 劍麻纖維物理力學參數

本試驗使用的高分子加固劑是一種聚氨酯預聚物，其外觀呈淡黃色透明粘稠液體狀，含有大量的異氰酸酯（—NCO），是一種可反應性的半成品，其性能如表3所示。這種類型的組合使預聚體在與水混合時能夠快速反應生成聚脲，保水性非常好，性質穩(wěn)定且不溶于水，而且具有很好的抗沖擊強度、柔韌性、防腐蝕等特點，有望通過凝膠化后優(yōu)異的粘接特性為砂土提供額外的抗剪性能。

表3 聚氨酯聚合物的性能

1.2 試驗儀器

試驗中的直接剪切試驗采用由南京寧曦土壤儀器有限公司制造的ZJ型應變控制式直剪儀（四聯，無級調速）。該儀器配置主要由應變控制式直剪儀（四聯無極調速）、剪切盒、剪切盒塑料導軌、砝碼、吊盤部件、透水石、測力環(huán)部件、百分表等部件組成（圖2）。

圖2 直剪試驗裝置

1.3 試樣制備

砂土先經過烘箱烘干后冷卻至室溫，再與劍麻纖維均勻混合，然后將聚氨酯預聚物與水（取砂土質量的10%）反應后的溶液倒入混合快速攪拌均勻后，裝在直徑為61.8 mm、高度為20 mm的直剪盒中壓實5分鐘，最后放在室內條件下養(yǎng)護兩天后進行直剪試驗。每種不同試驗條件參數的試樣各制作4個平行樣，分別加載在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向壓力下進行直剪試驗。

2 試驗結果與分析

設計了不同砂土干密度（1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3、1.55 g/cm3）、不同劍麻纖維含量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）以及不同聚氨酯有機聚合物含量（1%、2%、3%、4%）來研究砂土復合材料的剪切特性。

2.1 密度影響分析

為了研究砂土干密度對砂土復合材料剪切特性的影響，在劍麻纖維含量（0.4%）和聚氨酯有機聚合物含量（1%）參數條件相同的情況下，設計了1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3以及1.55 g/cm3四個不同干密度砂土試樣進行直剪試驗，試驗結果見圖3。

從試驗結果可以發(fā)現（圖3a），在相同法向應力下，隨著砂土密度的增大，試樣的剪切峰值強度也有著逐漸增大的趨勢。這表明砂土密度的增大，能夠有效提高砂土的抗剪強度。當砂土密度從1.40 g/cm3增大到1.45 g/cm3時，砂土復合材料的黏聚力增幅較大，隨后隨著砂土密度的增大，砂土黏聚力的增大趨勢趨于平緩（圖3b）；砂土的內摩擦角在砂土密度增大的過程中也有增大的趨勢，表明了砂土密度的增大，也有利于增大砂土的內摩擦角（圖3b）。

圖3 不同干密度砂土試樣的剪切性能

砂土處于低密度時（圖4a），砂土的密實度低、孔隙較多，砂粒之間的間距大，砂粒間的電作用力相對較弱，在受到剪切應力作用時，剪切帶上的砂粒易產生位移，導致剪切破裂面的形成，所以剪切峰值強度較低。當砂土密度增大后（圖4b），砂土中的孔隙能夠被更多小粒徑砂粒所填充，砂粒間的嵌合度更高、咬合力增大，擠壓了砂土之中聚合物，使聚合物粘連作用得到更好的發(fā)揮，各砂粒間的間距減小，砂粒間的電作用力引力增大，整個砂土內部也較為密實，所以砂土的黏聚力也隨之增大，但當砂土中的砂粒達到飽和時，黏聚力的增大趨勢就會減小。而砂土密度的增大，使得砂粒之間的相互接觸增多，對于劍麻纖維的擠壓接觸也會增大，受到剪應力作用時，就需要克服更大的砂粒之間的摩擦阻力、劍麻纖維與砂粒間的滑動摩擦力、聚氨酯聚合物的粘結阻力，所以砂土的內摩擦角會隨著砂土密度的增大呈上升趨勢。

圖4 砂土密度變化示意圖

因此，砂土密度對于砂土的剪切性能有著很顯著的影響。增大砂土密度為聚氨酯聚合物的粘結和劍麻纖維的機械摩擦提供了良好的條件，砂粒的內部接觸通過增強界面相互作用也進一步加強砂土的穩(wěn)定性，從而產生更強的剪切阻力。

2.2 劍麻纖維含量影響分析

基于砂土質量分別設計了在1.5 g/cm3砂土密度以及不同聚氨酯聚合物條件下，0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的劍麻纖維含量來研究不同劍麻纖維含量對于砂土復合材料剪切特性的影響。不同劍麻纖維含量下的試驗結果見圖5。

從圖5a 中可知，處于中低聚氨酯聚合物含量的砂土隨著劍麻纖維含量的增大，黏聚力總體上呈現一定的上升；但在高聚氨酯聚合物含量條件下，隨著劍麻纖維含量的逐漸增大，砂土的黏聚力表現出一定的下降趨勢；4%聚氨酯聚合物含量的砂土在各劍麻纖維含量下黏聚力都為最低，而且與劍麻纖維含量的增大呈反比關系；同時3%聚酯聚合物與0.4%～0.6%的劍麻纖維含量混合能夠使砂土的黏聚力提升效果最優(yōu)。從圖5b中可以看出隨著聚氨酯聚合物含量的逐漸增大，各劍麻纖維含量的砂土的內摩擦角有著先增大后減小的現象；在高聚氨酯聚合物含量條件下，砂土的內摩擦角會隨著劍麻纖維含量的增大而有一定的減?。黄渲?%聚氨酯聚合物含量下，砂土在各劍麻纖維含量下都相較于其他聚氨酯聚合物含量的內摩擦角更大。

圖5 不同劍麻纖維含量下砂土的抗剪強度參數

結合電鏡掃描圖（圖6a）可以發(fā)現，由于劍麻纖維表面粗糙，聚氨酯聚合物能夠粘附在其表面，同時將砂粒與劍麻纖維緊密地粘連在一起，另外劍麻纖維本身具有一定的韌性，可以抑制周圍部分砂粒的位移，還能為周圍的砂粒提供一定的滑動摩擦阻力。從整體上看，均勻分布在砂土中的劍麻纖維，互相粘連在一起，形成牢固的球網狀結構（圖6b），可以將砂粒包裹在其中，形成一個更為牢固的土體，提升了砂土的黏聚力和內摩擦力。但是當劍麻纖維含量過高時，過量的劍麻纖維形成格柵將砂粒阻隔，起到阻礙砂粒接觸的作用，減小了砂粒間的滑動阻力，因此會導致砂土的黏聚力和內摩擦力都有所下降。

圖6 砂土復合材料電鏡掃描圖（a）及劍麻纖維作用示意圖（b）

2.3 聚氨酯有機聚合物含量影響分析

為了研究聚氨酯有機聚合物含量對砂土抗剪性能的影響，分別設計了砂土質量的1%、2%、3%、4%共4種不同的聚氨酯有機聚合物含量對于砂土復合材料剪切特性的影響，試驗結果見圖7。

從圖7可知，當聚氨酯聚合物含量從低濃度增大時，砂土的黏聚力和內摩擦角均有所增大；但當聚合物含量增大到4%含量時，砂土的黏聚力和內摩擦角都顯著減??；同時在3%聚氨酯聚合物含量下的各劍麻纖維含量的砂土的黏聚力整體強度最大，各劍麻纖維含量的砂土處于2%聚氨酯聚合物含量條件下的內摩擦角最大。表明了適量的聚氨酯聚合物的添加，能夠有效的提升砂土整體的抗剪性能。

圖7 不同聚氨酯有機聚合物含量下砂土的抗剪強度參數

砂土在0.6%劍麻纖維、不同聚氨酯聚合物含量下的應力-位移曲線如圖8所示。從圖中可知，在相同法向壓力下，隨著聚合物含量的逐漸提升，砂土的抗剪強度先增大后減小，其中在聚氨酯聚合物含量為2%時砂土的抗剪強度達到最優(yōu)，聚氨酯聚合物含量為4%的砂土抗剪強度相對最低。同時可以發(fā)現隨著聚氨酯聚合物含量的遞增，砂土剪切破壞時的剪切位移增大，表明了聚氨酯聚合物含量的添加能夠延緩剪切破裂面的產生。

圖8 各法向應力下的剪應力—剪切位移曲線

在掃描電子顯微鏡下可以觀察到（圖9a），未直接接觸的砂粒之間通過聚氨酯聚合物的粘連作用粘結在一起，這種粘連作用能夠有效地限制砂粒的位置；部分粒徑較小的砂粒能夠被聚氨酯聚合物粘連成一個大粒徑的顆粒體，從而改變了砂土的顆粒級配，起到了增大砂土內摩擦力的作用；同時聚氨酯聚合物粘連在砂粒之間，當砂粒受到剪切作用力時，聚氨酯聚合物不僅能夠提供一定的耐磨性，還由于其具有良好的柔韌性和抗沖擊強度，起到類似于緩沖氣墊的作用（圖9b），將作用在砂粒上的剪應力吸收并分散，削弱剪應力在砂粒間的傳導，從而間接達到提高抗剪性能的作用。但是當采用高含量的聚氨酯聚合物處理砂土時，砂粒就會被聚氨酯聚合物包覆，起到了降低砂粒表面的粗糙度的作用，削弱了砂粒之間的滑動摩擦，砂粒之間的咬合嵌鎖效應減小，導致砂土的抗剪性能大幅下降。

圖9 砂土復合材料電鏡掃描圖（a）及聚氨酯聚合物作用示意圖（b）

3 結論

本文采用直接剪切試驗研究了密度、劍麻纖維含量以及聚氨酯聚合物含量對砂土復合材料剪切特性的影響，得到以下結論：

（1）隨著砂土密度的增大，砂土復合材料的抗剪性能也相應增大，兩者之間呈正比關系。增大砂土密度也能更好地發(fā)揮聚氨酯聚合物的粘結作用和劍麻纖維的摩擦作用，砂粒間的嵌合也更為緊密，使砂土內部更加穩(wěn)固，從而產生更強的剪切阻力。

（2）在聚氨酯聚合物含量較低時，劍麻纖維在0.4%～0.6%的摻量之間能夠提升砂土的剪切性能；過多的劍麻纖維摻入，會阻礙砂粒間的嵌鎖及咬合，削弱砂土的穩(wěn)定性。

（3）2%～3%聚氨酯聚合物含量的砂土抗剪性能更為優(yōu)異。中低含量的聚氨酯聚合物能夠起到粘結砂粒、填充孔隙、增加砂粒粘滯阻力的作用，從而提升砂土的整體強度；高含量的聚氨酯聚合物會削弱砂粒間的滑動摩擦，降低砂土的剪切性能。