高分子聚合物-劍麻纖維復合加固砂土抗壓特性試驗研究

江燦琿，吳鳴飛，劉 瑾*，祁長青，錢 衛，李明陽

(1. 河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100； 2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 浙江 311122)

砂土常見于各種巖土工程施工場地，如道路工程、地基工程、邊坡工程、城市地下工程等。由于其結構松散，孔隙較大，在飽水狀態下受到振動易發生砂土液化，引起沙涌、地基不均勻沉降、地裂滑坡等一系列工程地質災害。針對這一問題，改良砂土成為近年來學者研究的熱點。水泥、石灰、粉煤灰等工業廢渣被用于土體結構的改善，增加了土體的強度和剛度[1-3]。但是，這些傳統添加劑改性土表現出較大的脆性，容易導致土體突然喪失強度。近年來，聚合物作為一種新型添加劑在土體中的加固效果得到了許多學者的驗證[4-7]。王龍威等人在極端溫度條件下開展了聚氨酯型固化劑加固砂土的無側限單軸抗壓試驗，研究表明在兩種極端溫度下(≥35 ℃、≤-10 ℃)，聚氨酯的摻入均提高了試樣的抗壓強度與韌性[4]。岳躍展等人研究了乙烯醋酸乙烯酯對油井水泥力學特性的影響，聚合物的摻入能提高水泥石的抗折強度和韌性[6]。這些研究成果表明，聚合物在土體加固中具有廣闊的應用前景。相比于傳統物理加固方法，如土工織物、土工膜等，天然短纖維的加固方式以其分散性強、各向同性好、易與土體混合、強度高、價格便宜、天然環保等優點得到了許多學者的廣泛關注，并開展了大量研究，如竹纖維、椰殼纖維、棕麻纖維、劍麻纖維等[8-12]。研究表明纖維的摻入能顯著提高土體強度，限制破壞過程中裂隙的發育，提高土體塑性變形能力。李良勇等人通過直剪試驗研究了椰殼纖維長度和含量對紅黏土抗剪強度的影響，研究表明椰殼纖維在長度小于5 cm和摻量小于0.5%時，纖維的摻入均提高了試樣的抗剪強度[9]。吳燕開等人的研究發現隨機分布劍麻纖維能有效提高粘性土的無側限抗壓強度和剪切強度[12]。

綜上所述，化學與物理加固均存在各自的優點，復合加固效果自然引起了廣大學者的關注[13-16]。粉煤灰和纖維加固的土壤表現出更好的強度與韌性[13-14]。Antonio等人研究發現在粘結劑的作用下，纖維的摻入顯著提高了土體的韌性和抗拉強度[15]。盡管復合加固處理土體的做法越來越受到工程實踐的關注，但由于土體、加固材料、使用條件的多樣性，復合加固土體的方式仍值得進一步研究。本文采用聚氨酯高分子聚合物和劍麻纖維復合加固砂土，通過無側限單軸抗壓強度試驗研究固化劑含量、纖維含量對復合加固砂土抗壓特性的影響，并基于SEM圖像分析聚氨酯和纖維改變土體結構的微觀力學機理。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

1.1.1 砂土

本次試驗的砂土選自南京市江寧地區，在試驗室內烘干后冷卻至室溫，經過2 mm直徑的篩子篩選后，進行其本身物理性質的測定。砂土的物理性質和粒徑分布圖分別見表1和圖1。砂土的最小干密度和最大干密度分別為1.35、1.69 g/cm3，作為此次試驗中砂土密度參量的參考范圍。由于砂土的不均勻系數Cu=2.4<5，曲率系數Cc=1.13∈(1，3)，砂土為不良級配。

表1 砂土基本物理性質

圖1 砂土顆粒累計級配曲線Fig.1 Cumulative grain gradation curve of sand

1.1.2 聚氨酯高分子聚合物

本次試驗復合加固所用的固化劑為聚氨酯高分子聚合物(表2)，它是一種亮黃色透明稠狀液體(圖2(b))，并對環境完全無害。它主要由聚氨基甲酸乙酯樹脂組成，其中包含的大量官能團(—NCO)能和水快速發生反應，形成乳白色的溶液(圖2(c))，產生CO2，并和氧氣繼續反應，逐漸凝固為乳白色的彈性薄膜。穩定劑的凝固時間為30 s到1 800 s，隨著固化劑濃度的增加，其凝固時間逐漸減小。固化劑與水反應后，其質量可增加超過40倍。

表2 聚氨酯基本物理性質

1.1.3 劍麻纖維

本次試驗復合加固所用的纖維為天然纖維——劍麻(圖2(d))，因其價格低廉，密度小但質地堅韌、耐磨、耐腐蝕，是當今世界上用量最大，范圍最廣的一種硬質纖維。劍麻纖維質地較硬，呈白色或淡黃色，表面粗糙，存在沿劍麻生長方向的紋路。其抗拉性質見表3，纖維的抗拉強度和模量分別達到220～1 000 MPa和10～27 GPa。

表3 劍麻纖維基本物理力學性質

1.2 試驗過程

1.2.1 試樣制備

本次試驗中制樣的儀器(圖2(f))為本課題組設計的專利，主要由模具、傳壓棒、底座、千斤頂四部分組成。稱取適量砂土和對應量的纖維均勻混合，然后稱取定量固化劑與適量的水反應后，迅速將兩者攪拌均勻，倒入模具內，施加壓力使試樣高度達到80 mm要求，繼續保持荷載2 min后，取出試樣放入25 ℃恒溫箱內養護48 h后，進行無側限單軸抗壓強度試驗。本次試驗主要通過無側限單軸抗壓強度試驗評價高分子聚合物-劍麻纖維復合加固砂土的抗壓特性，根據《土工試驗標準》，確定本次試驗試樣(圖2(g))的標準直徑為39.1 mm，標準高度為80 mm。為了研究固化劑含量、劍麻纖維含量對復合加固砂土抗壓特性的影響，試驗一共包括20組試樣，每組試樣含有3個平行試樣。試驗參量的設定分別為固化劑含量(Cp)：0%、1%、2%、3%、4%，纖維含量(Cf)：0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，試樣干密度均設為1.50 g/cm3，含水率均設定為10%。

1.2.2 無側限單軸抗壓強度試驗

本次試驗所使用的儀器為應變控制無側限壓力儀，裝配YYW-2應變控制型無側限壓力表(南京砂儀廠有限公司制造)，養護后的試樣放置于升降臺上，轉動滾輪，在試樣接觸壓力表指針移動時，停止轉動并將壓力表調零后，啟動開關以2.4 mm/min壓縮速率開始試驗。軸向位移表指針每移動0.4 mm，記錄當前壓力表示數，直到軸向應變達到20%時停止試驗。為減少試驗誤差，每組試樣設置3個平行試樣進行試驗，抗壓強度取平均值并計算標準差，對標準誤差大于10%的試樣組重新制樣試驗。

2 試驗結果及分析

基于研究固化劑含量、纖維含量對試樣單軸無側限抗壓特性的影響，共計20組試樣試驗結果見表4。通過無側限單軸抗壓強度試驗記錄的某組試樣數據以軸向應變(0～20%)為橫軸，軸向應力(kPa)為縱軸繪制應力-應變曲線(圖3)，本研究中，若曲線出現峰值則取峰值應力為該試樣的抗壓強度(σc1、σc2、σc3)參與該組試樣抗壓強度平均值(σc)和抗壓強度標準差(σ)的計算；若曲線未出現峰值，則取20%軸向應變對應的峰值應力同上處理；并取中間峰值應力σc2對應的應變為峰值應變(εp)。

2.1 固化劑含量影響

本次試驗固化劑變量設置為0%、1%、2%、3%、4%，由于所用試驗砂土自身粘聚力不足，如不添加固化劑無法成樣，因此未將0%試樣試驗結果列出，其余變量試樣試驗結果見表4。圖4為不同固化劑含量試樣應力-應變曲線，隨Cp的增加，試樣在峰前彈性階段抵抗變形的能力逐漸上升，并且當Cp≤2%時，抵抗彈性變形的能力受Cp影響更加顯著。例如：1%～4%Cp試樣的彈性模量E分別為1.45、5.15、6.62、8.84 MPa，增長率分別為256%、29%、34%。同時，隨著Cp的增加，試樣的抗壓強度呈現出與彈性模量相似的規律。例如：1%～4%Cp試樣的抗壓強度σc分別為78.15、197.96、238.65、257.92 kPa，增長率分別為153%、21%、8%。不難看出，Cp的增加提高了峰前彈性階段抵抗變形的能力，即試樣的剛度，進而提高了試樣的強度。但實際工程在考慮地質體強度基礎上，仍需要對其塑性變形能力有所要求。因此前人針對應力-應變曲線峰后特性提出了關于脆性指數的概念，用于評價工程材料的塑性變形能力。周輝等人在總結分析前人提出的脆性指標后，基于應力-應變曲線峰后特性提出了評價脆性的新指標Bd，并已通過大量室內試驗驗證了其可靠性[17]。

注：(a)試驗所用的砂土；(b)聚氨酯高分子聚合物；(c)聚氨酯高分子聚合物水溶液；(d)劍麻纖維；(e)試驗材料混合物；(f)制樣儀器；(g)試驗試樣。圖2 抗壓試樣制備過程Fig.2 The preparation process of compressive specimens

表4 不同Cp和Cf試樣的試驗結果

圖3 某組試樣的軸向應力-應變曲線Fig.3 Axial stress-strain curves of a group of samples

(1)

式中：B1表示峰后應力降的相對大小，取值范圍0～1；τp表示峰值強度，即A點坐標對應的應力值；τr表示殘余強度，本次試驗中用數據點擬合的平滑曲線峰后第一個拐點C點坐標對應的應力值代替殘余強度參與計算。

(2)

式中：B2表示峰后應力降的絕對速率，取值范圍0～1；kAC表示峰值起始點(A)到殘余起始點(C)的斜率(圖4)。

Bd=B1B2

(3)

式中，Bd取值范圍0～1，值越大表示脆性越強。計算結果見表5。

圖4 不同Cp試樣的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of samples with different Cp

表5 不同Cp試樣的脆性指標

圖5 不同Cp試樣的抗壓強度與脆性指標Fig.5 The compressive strength and brittleness index of samples with different Cp

如圖5，假設將未添加固化劑而無法成樣的試樣脆性指數定義為1，則被加固試樣脆性指數Bd主要介于0.07～0.15之間，受固化劑的影響，試樣所表現的脆性均較弱。隨Cp的增加，當Cp≤2%時，Bd相對大幅度增加，當Cp>2%時，Bd出現相對下降的趨勢，并且隨Cp的增加，相對下降趨勢逐漸減小。Cp=2%作為峰后脆性指數規律異常變化的臨界點，主要是由Cp=2%對應的B1大幅度增加引起的，即Cp=2%試樣對應的峰后應力降的相對大小異常變化引起的。這可能與峰前彈性模量和峰值抗壓強度變化規律存在著直接關系，當Cp≤2%時，固化劑對試樣彈性階段變形抵抗能力的影響大幅度增加，對塑性變形抵抗能力的影響相對較小，導致B1出現異常。當Cp>2%時，隨著Cp含量的增加，盡管固化劑對抗壓強度的影響相對減小，卻相對更大地提高了試樣的塑性變形抵抗力，因此Bd呈現出下降的趨勢。

2.2 纖維含量影響

為了探究劍麻纖維含量對復合加固砂土抗壓特性的影響，本次試驗設置了Cp(0%、1%、2%、3%、4%)和Cf(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)單一變量的正交試驗，試樣試驗結果見表4。圖6為不同固化劑含量和纖維含量試樣的應力-應變曲線，在Cp變化范圍內，隨著Cf的增加，試樣彈性模量均呈現上升趨勢，當Cp=1%時，彈性模量從1.45 MPa增長到6.48 MPa，增長率超過300%，隨著Cp的增加，增長趨勢相對有所減小。如圖7所示，試樣抗壓強度隨Cf的增加而增加，并且當Cp逐漸增加時，Cf對試樣抗壓強度影響更加明顯。圖中，試樣抗壓強度相對增量隨Cp的增加總體上升，當Cp>2%時，試樣抗壓強度相對增量隨Cf增大而增大。例如：當Cp=3%時，試樣抗壓強度相對增量分別為199.6、228.65、194.99、388.64 kPa，相比于Cp=1%時，抗壓強度相對增量大幅度增加。這一規律表明固化劑對纖維加固砂土的效果存在促進作用，并且隨Cp的增加，纖維加固砂土的效果更加顯著。

圖6 不同Cp和Cf試樣的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of samples with different Cp and Cf

圖7 不同Cp和Cf試樣的抗壓強度Fig.7 Compressive strength of samples with different Cp and Cf

隨著Cf的增加，試樣應力-應變曲線表現出應變硬化，曲線峰值對應的應變εp逐漸增加。例如：當Cp=3%時，曲線峰值應變εp分別為：8.65%、13.67%、13.5%、18.27%、20%。在高Cp時，由于纖維的影響，使得部分峰后曲線超出了無側限單軸抗壓強度試驗的有效應變范圍，因此本文選擇Cp=1%對應試樣曲線計算所得的脆性指數(表6)分析纖維對試樣抵抗塑性變形能力的影響。試樣脆性隨Cf的增加呈現出下降的趨勢，相比于Cf=0%的試樣，當Cf=0.8%時，試樣的脆性指數下降了超過80%。圖8給出了Cp=1%時在不同Cf條件下試樣的20%應變對應的破壞形態，受到固化劑的影響，試樣破壞形態均表現為塑性側脹破壞，即由于固化劑提高了試樣的塑性變形能力，在無側限單軸抗壓強度試驗軸向荷載作用過程中，與脆性破裂中因剪切帶擴張使得試樣整體破壞的方式相反，被加固試樣首先局部發生側向鼓脹現象，隨著試驗的進行，試樣局部持續鼓脹，最終試樣沿局部剪切帶發生破壞(圖8)。隨Cf的增加，試樣破壞時局部剪切帶發育程度明顯變小，從“花瓣形”破壞狀態逐漸過渡到縫合線狀破壞狀態。這表明纖維的摻入能大幅度提高試樣的側向塑性變形抵抗能力。

3 機理分析

土體宏觀試驗結果是土體微觀結構的外在表現，因此本文運用電子顯微鏡(SEM)技術分析砂土介質中土-土/土-纖維微觀力學作用。前人的研究表明土體強度主要取決于土的孔隙結構、顆粒形狀和礦物成分。砂土由于其顆粒粗大、質地較硬，形成的土體結構松散，粘聚力較小，工程性質差。而固化劑的摻入大大改善了砂土的這一特性，如圖9(a)SEM照片所示，聚氨酯高分子聚合物與水反應形成的凝膠通過覆蓋、粘結、填充的作用方式改變了砂土的微觀結構：聚氨酯凝膠覆蓋在砂土顆粒表面，包裹著松散砂土顆粒，形成的塑性團聚體增加了試樣結構完整性；同時凝膠的粘結性增加土顆粒間的作用力；并且在一定程度上填充了砂土孔隙，增加了砂土顆粒間的有效接觸面積。本次研究中隨Cp增加，無側限單軸抗壓強度的上升和塑性變形特性正是聚氨酯凝膠改變砂土結構，提升試樣強度的宏觀力學表現(圖5)。

表6 Cp=1%時不同Cf試樣的脆性指數

圖8 Cp=1%時不同Cf試樣的抗壓強度、脆性指數及破壞形態Fig.8 The compressive strength, brittleness index and failure morphology of samples with different Cf when Cpequals to 1%

土-纖維微觀界面力學作用是影響纖維加筋效果的關鍵因素[18]。在無側限單軸抗壓強度試驗中，軸向荷載作用下試樣產生變形時，纖維發生拉應變，這時纖維受到的拉應力主要由土-纖維互鎖力、土-纖維粘結力和土-纖維摩擦力組成。盡管砂土顆粒質地堅硬，不規則度高，土顆粒-纖維粗糙度相對較高，但由于純砂土結構松散，孔隙大，使得土-纖維有效界面接觸面積減小。此外，因為砂土粘聚力較小，在外部荷載作用下顆粒容易發生錯位和重排。以上這些因素影響了纖維加筋純砂土界面力的作用效果。如圖9(b)所示，聚氨酯凝膠填充了土-土和土-纖維間的孔隙，增大了土-纖維界面的有效接觸面積，同時聚氨酯凝膠的粘性改善了土-土/土-纖維界面粘結作用，增加了土顆粒間的重排阻力、土-纖維的粘結力和摩擦系數，此外，更緊密的土-受擠壓的纖維結構增大了土-纖維間的互鎖力，使得纖維的拉應力能夠充分發揮作用。在軸向荷載作用下，試樣發生局部塑性側向鼓脹，裂隙開始出現，纖維的抗拉特性使其起到了橋梁作用，而交錯纖維在土體內組成了網狀結構，限制土體繼續破壞，從而提高了土體的韌性和強度(圖10)。聚氨酯-纖維復合加固砂土微觀力學如圖11所示，土顆粒受荷載作用逐漸壓密，土顆粒的旋轉趨勢與直接作用力擠壓纖維發生形變產生互鎖力，與粘結力、摩擦力共同調動纖維的拉應力。綜上所述，聚氨酯的摻入，能顯著提升纖維的加筋效果，本文的無側限單軸抗壓強度試驗結果也驗證了這一觀點(圖7)。

圖9 試驗試樣電鏡掃描圖像Fig.9 SEM image of the test samples

圖10 無側限單軸抗壓強度試驗中試樣破壞過程Fig.10 Failure process of samples in unconfined uniaxial compression test

圖11 聚氨酯-纖維復合加固砂土微觀力學示意圖Fig.11 Microcosmic schematic diagram of sand reinforced by polyurethane - fiber composite reinforcement

4 結論

1)無側限抗壓強度和彈性模量均隨聚氨酯含量的增加而增加，當聚氨酯含量從1%增加到4%時，強度從78.15 kPa增加到257.92 kPa。隨聚氨酯含量的增加，強度上升的幅度逐漸減小。

2)無側限抗壓強度和彈性模量均隨著纖維含量的增加而增加，最大強度達到了1 476.1 kPa。隨著聚氨酯含量的增加，纖維加筋效果逐漸增強。

3)在聚氨酯和纖維的作用下，試樣脆性呈現下降的趨勢，在無側限單軸抗壓強度試驗中試樣破壞形態均表現出局部塑性側向膨脹現象，并隨纖維含量的增加，試樣破壞形態從“花瓣狀”向縫合線狀過渡。

4)聚氨酯的摻入通過覆蓋、粘結和填充改善了砂土結構，提高了土-土/纖維互鎖力、土-纖維粘結力和土-纖維摩擦力，增強了纖維加固砂土的效果。