高聚物玄武巖纖維固化鈣質(zhì)砂靜力特性研究

［摘 要］ 為改善鈣質(zhì)砂在南海島礁工程中地基承載能力不足的問題，通過無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗研究了不同高聚物（PFA）、玄武巖纖維（BF）摻量對鈣質(zhì)砂抗壓、抗剪強度的影響。結(jié)果表明：鈣質(zhì)砂的抗壓強度、抗剪強度均隨著PFA、BF摻量的增加而增大，當BF和PFA摻量分別達到0.6%和6%時其抗壓強度增幅明顯提升，當BF摻量超過0.3%后試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力增幅均變緩。通過SEM、高清數(shù)碼顯微鏡發(fā)現(xiàn)PFA能夠黏結(jié)分散的鈣質(zhì)砂顆粒、包裹小顆粒，增強了界面相互作用。另外，BF能夠增大鈣質(zhì)砂的滑動摩擦力并與PFA共同作用形成龐大的纖維網(wǎng)，提高鈣質(zhì)砂的強度特性。

［關(guān)鍵詞］ 建筑材料； 力學(xué)特性； 改良機理； 高聚物； 玄武巖纖維； 鈣質(zhì)砂

［中圖分類號］ TU411" ［文獻標識碼］ A

在南海建設(shè)工程中，鈣質(zhì)砂通常被用作路堤或機場跑道的建筑基材[1-2]。然而鈣質(zhì)砂是由海洋生物的骨架碎片、貝殼碎片等形成碳酸鹽碎片的堆積物。其具有多孔性、高碳酸鈣含量、不規(guī)則性、易膠結(jié)性、易碎性等特點，是一種特殊的土壤類型[3-4]，大量工程實踐表明直接將鈣質(zhì)砂用于工程中會引起很多危害[5-6]。南海島礁工程建設(shè)對中國海洋強國戰(zhàn)略布局有著重要的作用[7]，將南海鈣質(zhì)砂直接用于島礁建設(shè)中，可降低工程造價，加快建設(shè)進度[8]。因此如何對鈣質(zhì)砂強度特性進行改良對南沙島礁工程的建設(shè)具有重要意義。

傳統(tǒng)的土壤改良劑，如硅酸鹽水泥、石灰粉等雖已被證實其對土壤結(jié)構(gòu)有改良效果，但是容易引起土壤的脆性斷裂，并可能對環(huán)境造成影響[9-11]。因此很多學(xué)者不斷探索符合環(huán)境友好性理念的改良材料，近年來，由于高分子聚合物具有高效固化作用和生態(tài)潛力而在工程應(yīng)用中受到了廣泛的關(guān)注，可作為傳統(tǒng)土壤固化材料的替代品[12]，Xiao[12]發(fā)現(xiàn)聚氨酯聚合物能夠明顯提升礫石的強度，Liu[13]發(fā)現(xiàn)聚氨酯土壤固化劑能夠加固砂質(zhì)邊坡防止侵蝕。另外纖維復(fù)合材料具有廉價、可生物降解和可持續(xù)的特點，在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用[15-16]，劍麻、玄武巖和檳榔纖維等纖維已被用于土壤加固中且取得了良好的加固效果[17-18]，Ghavami[19]發(fā)現(xiàn)劍麻和椰子纖維能顯著提高軟土的強度，張運華等[20]將玄武巖纖維加入水泥基中發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強度明顯提高。王海萍等[21]發(fā)現(xiàn)聚氨酯能夠增強鈣質(zhì)砂的整體性，提升其強度。研究成果表明纖維加固和聚氨酯加固在一定程度上均能起到很好的改善作用，這兩種方法的結(jié)合可能會產(chǎn)生更大的土壤加固效果，但是目前將纖維與高分子聚合物復(fù)合加固的研究較少。

本研究采用高聚物和玄武巖纖維來改善鈣質(zhì)砂的力學(xué)性能，通過無側(cè)限抗壓試驗和直剪試驗，探究了聚合物纖維鈣質(zhì)砂混合物的抗壓和抗剪強度性能。最后，結(jié)合試驗結(jié)果、高清數(shù)碼電子顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對加固機理進行了分析。

1 試驗材料和制樣方法

1.1 試驗材料

試驗選用的鈣質(zhì)砂取自南海某珊瑚礁地層，為了剔除鈣質(zhì)砂中附帶的雜質(zhì)，對其進行清洗干凈烘干后才能進行試驗。鈣質(zhì)砂的礦物組成以碳酸鈣為主，故不能對其進行高溫烘干，將其置于60°度烘箱進行烘干處理。為了得到鈣質(zhì)砂的顆粒級配特征，首先取干砂過4 mm篩，篩出直徑為4 mm以上的大顆粒，然后通過篩分試驗得到天然鈣質(zhì)砂具體級配，試樣的顆粒尺寸分布曲線如圖1所示，測得鈣質(zhì)砂的不均勻系數(shù)Cu=7.283，曲率系數(shù)Cc=0.907。

試驗選用的高聚物聚氨酯泡沫膠黏劑（poly-urethane foam adhesive，PFA）為聚氨酯高聚物，聚合物由多元醇和多異氰酸酯按照1∶1比例反應(yīng)構(gòu)成，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

1.2 試樣制備

為了探究不同PFA，BF摻量對鈣質(zhì)砂強度的影響，混合材料中高聚物摻量和纖維摻量比例如表3所示。

高聚物（PFA）摻量，玄武巖纖維（BF）摻量均為試驗總質(zhì)量之比。

PFA-BF鈣質(zhì)砂混合材料制樣過程如下：將烘干處理后的鈣質(zhì)砂過篩備用；為了防止制樣時鈣質(zhì)砂顆粒發(fā)生破碎，控制干密度為1.5 g/cm3，計算出每個試樣所需的鈣質(zhì)砂質(zhì)量；然后按照天然級配稱量鈣質(zhì)砂顆粒，將BF按設(shè)計含量加入到鈣質(zhì)砂中，均勻攪拌；隨后按照設(shè)計配比將白液（多元醇）滴入BF與鈣質(zhì)砂混合材料中，迅速攪拌均勻后按照等質(zhì)量滴入黑液（多異氰酸酯）并迅速攪拌；最后將PFA-BF鈣質(zhì)砂混合材料導(dǎo)入模具中壓實，制成規(guī)定尺寸試樣并在恒溫25 ℃下養(yǎng)護2 d后進行試驗。具體過程如圖2所示。

2 試驗方法

2.1 無側(cè)限抗壓試驗

本次抗壓強度測定設(shè)備為WDW-10E型微機控制電子萬能試驗機（圖3）。試驗過程中控制速率為1 kN/min，試樣直徑為38 mm，高度為76 mm。

2.2 快速剪切試驗

本次抗剪強度測定設(shè)備為ZJ型應(yīng)變控制直剪儀（圖4），試驗過程中施加的豎向荷載分別是100 kPa、200 kPa、300 kPa剪切速率0.8 mm/min，試樣尺寸為直徑61.8 mm，高度20 mm。

3. 試驗結(jié)果與分析

3.1 PFA-BF鈣質(zhì)砂混合材料無側(cè)限抗壓強度

圖5為不同 PFA 摻量和不同 BF 摻量下試樣的無側(cè)限抗壓強度變化， 可以看出整體上試樣抗壓強度隨著PFA和BF摻量的增加而增大， 當 BF 摻量一定時， 試樣的抗壓強度隨著 PFA 的摻量增加而線性增加， 說明 PFA 可以有效提高鈣質(zhì)砂的抗壓強度， 并且均出現(xiàn) PFA 摻量到達6%后增幅明顯提升 （圖5a）。" 這是因為 PFA 能在鈣質(zhì)砂顆粒上形成涂層鈣質(zhì)砂顆粒結(jié)合在一起， 改變了鈣質(zhì)砂的結(jié)構(gòu)， 而當 PFA 摻量一定時， 形成的黏聚涂層有限， 因此對鈣質(zhì)砂抗壓強度的強度提高有限，當繼續(xù)增加 PFA 摻量時能形成更多的黏聚涂層， 因此鈣質(zhì)砂的抗壓強度就會得到明顯的提升。 另當 PFA 摻量一定時， 試樣的抗壓強度隨著 BF 摻量的增加也明顯提升， 說明 BF 能有效提升試樣的抗壓強度，且在 PFA 摻量為6%、 7.5%， BF 摻量為0.6%時試樣的抗壓強度幅度提升效果非常明顯 （圖5b）。 這是因為隨著BF摻量的增加， 纖維在試樣中的分布密度的增大導(dǎo)致了纖維、 高聚物、 鈣質(zhì)砂之間有更多的接觸，另外在 PFA 含量較高時， PFA 形成的高分子化合物能將分散的纖維黏聚在一起形成纖維骨架網(wǎng)，有效地改善鈣質(zhì)砂顆粒與纖維之間的相互作用。

為進一步分析PFA摻量和BF摻量對強度的提升作用，繪制了不同PFA摻量和不同BF摻量下試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（圖6），如圖6所示，試樣應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖均出現(xiàn)強度峰值，抗壓強度隨著PFA和BF摻量的增加而增加，并且均在應(yīng)變?yōu)?%以內(nèi)迅速達到峰值，然后隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出迅速下降趨勢，并且下降速率逐漸降低出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。這是因為當試樣豎向變形過大時，PFA-BF鈣質(zhì)砂顆粒之間的物理交接點發(fā)生了重新組合，形成了有利于變形發(fā)展的分子結(jié)構(gòu)。

3.2 PFA-BF鈣質(zhì)砂混合材料抗剪強度

圖7為不同豎向應(yīng)力下纖維摻量和高聚物摻量的變化對鈣質(zhì)砂抗剪強度的影響。由圖7可以看出纖維摻量對試樣的抗剪強度有著非常顯著的影響，隨著纖維摻量的增加，各PFA摻量下試樣的莫爾庫侖抗剪強度包線均產(chǎn)生向上移動的趨勢，表明試樣的抗剪強度有很明顯的提升，而當PFA摻量和豎向應(yīng)力一定時，相較于沒加纖維的試樣，加入纖維后其抗剪強度有著很明顯的增加，但是當纖維摻量繼續(xù)增加其抗剪強度增加的幅度卻逐漸減小。

莫爾庫倫抗剪強度公式

τ=c+σtanφ（1）

式中：τ為抗剪強度，c為黏聚力，σ為豎向應(yīng)力，φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)式（1）計算出試樣在不同纖維摻量和不同高聚物摻量下的試樣的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，結(jié)果如圖8所示。

由圖8a可知PFA摻量一定時，加入0.3%BF摻量后，4.5%、6%、7.5%PFA摻量下內(nèi)摩擦角分別增大1.34、1.44、1.47倍，說明BF對試樣的內(nèi)摩擦角有較顯著的提高，而BF摻量超過0.3%后試樣的內(nèi)摩擦角增幅變緩。另外在纖維摻量為0時，PFA摻量的變化對內(nèi)摩擦角的影響很小，增加幅度不超過1°，但是從圖7知其抗剪強度卻有明顯提升，說明在無纖維時，PFA通過改變黏聚力來增大其抗剪強度，而隨著纖維摻量的增加，高聚物的變化對內(nèi)摩擦角的影響逐漸提升。從黏聚力角度分析，由圖8b可知當PFA摻量一定時，隨著纖維摻量的增加，黏聚力也逐漸增大?？梢钥闯觯合噍^于沒有加纖維的試樣，加入BF 4.5%、6%、7.5%摻量試樣的黏聚力分別提升65.64 kPa、211.62 kPa、179.67 kPa，說明BF對試樣黏聚力的提升效果也很明顯，但是當BF摻量從0.3%繼續(xù)增加時，在PFA摻量為6%、7.5%的試樣中其黏聚力的增加幅度逐漸變小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是當纖維摻量較少時，試樣中主要是單個纖維與鈣質(zhì)砂和PFA之間作用導(dǎo)致黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著提升，纖維摻量繼續(xù)增大后纖維相互交織并在PFA的黏聚作用下形成具有整體性的三維纖維網(wǎng)，使黏聚力和內(nèi)摩擦角進一步提升，而隨著纖維繼續(xù)增加，PFA對纖維的黏聚作用達到飽和，對黏聚力和內(nèi)摩擦角提升效果變緩。

3.3 改良機理分析

試驗時將PFA加入鈣質(zhì)砂中，快速攪拌數(shù)秒后即發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如圖9所示。

由圖9中反應(yīng)可知，反應(yīng)后生成物分子結(jié)構(gòu)中還存在著具有高度活躍的NCO，導(dǎo)致生成物會與多異氰酸酯進一步反應(yīng)，從而使得反應(yīng)時間減少并聚合成了有良好粘結(jié)性的聚氨酯高分子聚合物，達到短時間內(nèi)對鈣質(zhì)砂顆粒聚集加固的目的。此外，由圖9中反應(yīng)2知，反應(yīng)生成CO2可以起到膨脹發(fā)泡效果，能在一定程度上填補鈣質(zhì)砂之間的孔隙，增大試樣的密實度，減小鈣質(zhì)砂的孔隙率。加入PFA后的鈣質(zhì)砂顆粒SEM圖如圖10所示。

PFA形成的高分子化合物具有良好的黏度和強度，通過物理咬合和化學(xué)膠結(jié)在鈣質(zhì)砂顆粒表面形成涂層，甚至能將較小鈣質(zhì)砂顆粒包裹住，從而使其表面積增大，間接增加了較小粒徑的鈣質(zhì)砂顆粒與其他鈣質(zhì)砂顆粒之間的接觸，進而提升了試樣的抗剪強度，有效地改變鈣質(zhì)砂的結(jié)構(gòu)。另外PFA形成的高分子聚合物可以像橋梁一樣將分散的鈣質(zhì)砂顆粒黏聚在一起，使原本分散的鈣質(zhì)砂顆粒形成一個整體，有效提升了其強度。

如圖11所示，單個BF表面比較粗糙，當鈣質(zhì)砂顆粒將要發(fā)生移動時，BF可以對其起到一個抑制移動作用，能增加試樣內(nèi)部顆粒之間的滑動摩擦力，還能在PFA的黏聚力作用下將分散的鈣質(zhì)砂顆粒聯(lián)結(jié)，起到類似“橋梁”的作用。如圖11所示，BF與鈣質(zhì)砂顆粒在高聚物的聯(lián)結(jié)作用下相互交織纏繞粘結(jié)在一起，形成一個牢固的纖維空間網(wǎng)，鈣質(zhì)砂顆粒被包裹在龐大的纖維空間網(wǎng)之中，使得松散的鈣質(zhì)砂顆粒膠結(jié)固化成一個完整的結(jié)構(gòu)體，從整體上提高了試樣強度。

4 結(jié)論

采用無側(cè)限抗壓強度試驗、直剪試驗探究了玄武巖纖維摻量和高聚物摻量的變化對鈣質(zhì)砂抗壓、抗剪強度的影響，得到以下結(jié)論：

1）整體上，隨著高聚物和纖維摻量的增加，鈣質(zhì)砂的抗壓性能呈線性增長關(guān)系，殘余強度也有顯著提高，在BF摻量超過0.6%和PFA摻量超過6%后抗壓強度增幅明顯提升，另外試樣的峰值應(yīng)變均出現(xiàn)在2%應(yīng)變以內(nèi)，并且隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線下降速率逐漸平緩。

2）加入PFA和BF后鈣質(zhì)砂的抗剪性能有著顯著的增加。相較于只加PFA試樣，加入BF后鈣質(zhì)砂的抗剪強度參數(shù)都有明顯提升，其中內(nèi)摩擦角最大增幅1.47倍，黏聚力最大增加211.62 kPa，但是隨著纖維摻量繼續(xù)增加至0.3%后，鈣質(zhì)砂的抗剪性能的增幅卻逐漸減小。

3）通過SEM試驗和高清數(shù)碼顯微鏡觀測試樣發(fā)現(xiàn)，PFA能將分散的鈣質(zhì)砂顆粒黏聚在一起，增強了試樣的黏結(jié)強度，還可以將粒徑較小的鈣質(zhì)砂顆粒包裹住，在其表層形成一層薄膜，使其表面積增大，間接增加了鈣質(zhì)砂顆粒之間的接觸，進而提升了試樣的強度。由于玄武巖纖維表面比較粗糙，可以增加鈣質(zhì)砂顆粒間的滑動摩擦力，而在PFA的粘結(jié)作用下BF與鈣質(zhì)砂之間能夠粘接在一起形成一個牢固的纖維空間網(wǎng)，鈣質(zhì)砂顆粒被包裹在其中，從整體上提高了試樣的強度。

［ 參 考 文 獻 ］

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Compressive and Shear Strength of Polymer BasaltFiber Calcareous Sand

ZHOU An， LIN Jiaran

（School of Civil Engin.，Architecture and Environment，Hubei Univ. of Tech.，Wuhan 430068，China）

Abstract： To solve problems such as the lack of foundation bearing capacity of calcareous sand in South China Sea island projects， in this paper， the effects of different polymer （PFA） and basalt fibre （BF） contents on the compressive and shear strength of calcareous sand were investigated by unconfined compressive strength test and direct shear test. The results showed that the compressive strength and shear strength of calcareous sand increased with the increase of PFA and BF content， The increase in compressive strength increases significantly when BF and PFA are content at 0.6% and 6% respectively， and the increase in the angle of internal friction and the cohesion of the specimens is slowed down when the BF dose exceeds 0.3%. Finally， SEM and HD digital microscopy revealed that PFA was able to bond dispersed calcareous sand particles and wrap small particles to enhance interfacial interactions， In addition， BF increases the sliding friction of the calcareous sand and together with PFA it forms a large fibrous network which improves the strength properties of the calcareous sand.

Keywords： construction materials; mechanical properties; improvement mechanisms; polymers; basalt fibres; calcareous sand

［責任編校： 裴 琴］