高聚物固化粉土的力學(xué)特性與固結(jié)機理

王超杰， 李逢源，2， 郭成超， 郝繼鋒， 周學(xué)友

（1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東廣州 510275；3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局渠首分局，河南南陽 473000）

粉土具有孔隙率高、容易吸水引發(fā)翻漿、動荷載作用下易液化［1］等不良工程性質(zhì)，給工程建設(shè)帶來一系列困難，所以需要對其進行固化改良，以滿足工程建設(shè)的需要.目前，使用較為廣泛的土壤固化劑可分為無機和有機類固化劑.無機類固化劑主要指水泥、石灰等，已有大量試驗系統(tǒng)地研究了該類固化劑的改性效果和固化機理［2?11］.有機固化劑主要有改性水玻璃［12］、天然樹脂等［13］，大多數(shù)有機固化劑為液態(tài)，具有強大的溶解、置換能力，但對土壤含水率有著嚴(yán)格的要求.其主要通過固化劑中的活性物質(zhì)來降低水的表面張力，置換出土壤中的陽離子，減小土壤間的斥力，在土顆粒表面及孔隙中形成網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，從而提高土壤的強度［14］.材料方面，蘭州大學(xué)對研制的高分子改性聚乙烯醇（SH）開展了較多研究［15?17］，固化效果較好.吳淑芳等［18］、Callebaut 等［19］研究了聚丙烯酸類高聚物對土體的固化效果.由于具有膠結(jié)能力強、結(jié)石體強度高、耐久性好的特點，聚氨酯類高聚物固化劑也被應(yīng)用于土壤固化領(lǐng)域，但目前主要集中在對砂土的固化［20］，對粉土的固化研究還較少，且固化機理也不夠明確.因此，開展高聚物固化粉土的研究有著重要意義.

本文研發(fā)了一種可固化粉土的膠結(jié)型高聚物，通過室內(nèi)試驗從宏觀方面探究含水率、高聚物摻量及養(yǎng)護齡期對固化粉土力學(xué)特性的影響，并借助掃描電子顯微鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）以及壓汞試驗（MIP），從微觀方面揭示粉土的固化規(guī)律和改良機理，旨在為粉土的加固提供新的思路，并為高聚物類固化劑的研究提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 試驗材料及方法

1.1 粉土

試驗用土取自鄭州某建設(shè)工地，取土深度為3 m，土的物理性能如表1 所示.土的顆粒分布曲線如圖1所示.由圖1 可見，粒徑大于0.075 mm 的顆粒質(zhì)量約為總質(zhì)量的34.48%，不超過總質(zhì)量的50%.參照JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》，該土為粉土.將土錘碎、晾曬、過2 mm 篩，封存?zhèn)溆?

表1 粉土的物理性能Table 1 Physical properties of the silt soil

圖1 粉土的顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution of silt soil

1.2 膠結(jié)型高聚物材料

試驗用高聚物為本課題組研發(fā)的一種膠結(jié)型聚氨酯類材料，由A、B 雙組分構(gòu)成：A 組分基本組成為多元醇、表面活性劑和阻燃劑等，密度為1.26 g/cm3；B 組分主要組成為增塑劑和聚合異氰酸酯，密度為1.17 g/cm3.雙組分按照質(zhì)量比1∶1 混合反應(yīng)，生成聚氨基甲酸酯高分子化合物（簡稱高聚物），其反應(yīng)固化時間可以通過添加催化劑加以調(diào)節(jié).本次試驗所用高聚物在20 ℃條件下的反應(yīng)凝固時間約為6 h，A、B 組分一經(jīng)混合即開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng).圖2 為高聚物抗壓強度隨齡期的變化.由圖2 可見，高聚物的1 d 抗壓強度超過1.2 MPa，3 d 基本達到最大強度.

圖2 高聚物抗壓強度隨齡期的變化Fig.2 Compressive strength of polymer varies with age

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 無側(cè)限抗壓強度（UCS）試驗

使用無側(cè)限抗壓強度來表征固化土的強度特性，主要研究高聚物摻量（質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的摻量、水固比等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）、粉土含水率和養(yǎng)護齡期對固化土力學(xué)特性的影響.無側(cè)限抗壓強度試驗方案設(shè)計如表2 所示.為使試驗結(jié)果更具代表性，每個參數(shù)制作6 個試樣，結(jié)果取其平均值，共計480 個試樣.

表2 無側(cè)限抗壓強度試驗方案設(shè)計Table 2 Design of UCS test scheme

1.3.2 滲透系數(shù)（k）試驗

抗?jié)B性是固化土的關(guān)鍵性能之一，根據(jù)已有的試驗結(jié)果，設(shè)置高聚物固化土的滲透系數(shù)影響因素取值水平.滲透系數(shù)試驗方案設(shè)計如表3 所示.為使試驗結(jié)果更具代表性，每個參數(shù)制作3 個試樣，結(jié)果取其平均值，總計60 個試樣.

表3 滲透系數(shù)試驗方案設(shè)計Table 3 Design of permeability coefficient test scheme

1.4 試驗方法

首先將高聚物A、B 組分混合攪拌，然后采用拌和的方式將其摻入土體中，根據(jù)GBT 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》制作試樣；然后，將試樣置于恒溫恒濕試驗箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，再使用三軸儀測試其無側(cè)限抗壓強度，使用變水頭滲透試驗測定固化土滲透系數(shù)；最后，取強度測試后的破碎小樣，進行SEM、XRD、MIP 試驗.

2 結(jié)果與討論

2.1 高聚物摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

圖3為不同含水率下高聚物摻量與固化土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系.由圖3 可見：含水率為8%時，在相同齡期下，高聚物摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響顯著；以含水率8%、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d 試樣為例，高聚物摻量為5%時，固化土的無側(cè)限抗壓強度為0.75 MPa，高聚物摻量為10%時，固化土的無側(cè)限抗壓強度為2.89 MPa，高聚物摻量提高了1 倍，但固化土的無側(cè)限抗壓強度提高了2.8 倍以上；高聚物摻量為13%、15%時，與高聚物摻量為5%的試樣相比，固化土的無側(cè)限抗壓強度增加了4.3倍和7.3倍以上；高聚物摻量越高，固化土的強度越高，符合一般外摻固化劑土壤強度的增長規(guī)律；純素土的28 d 無側(cè)限抗壓強度為0.22 MPa，固化土的28 d無側(cè)限抗壓強度與純素土相比，提高了2.5~27.7 倍，這充分證明了本文所用的滲透型高聚物對粉土具有較好的固化效果.

從圖3 中可以明顯看出，固化土無側(cè)限抗壓強度的變化與高聚物材料的關(guān)系是非線性的，固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著高聚物摻量的增加，走勢逐漸陡峭.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在摻量較少時，高聚物在粉土中分布不均勻，只能填充部分土顆粒間的大孔隙；隨著摻量的增多，高聚物除了能夠填充土顆粒間的大孔隙，還能對相鄰的土顆粒進行粘黏，形成“高聚物-土顆粒”團聚體，同時會逐漸形成高聚物骨架以及高聚物薄膜，因此固化土的無側(cè)限抗壓強度有了極大的提升.其他含水率試樣無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律與含水率為8%的試樣相同.

圖3 不同含水率下高聚物摻量與固化土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig.3 Relationship between polymer content and UCS of solidified silt soil at different water contents

2.2 齡期對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

圖4為固化土無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系.由圖4 可見，當(dāng)高聚物摻量和含水率相同時，試樣養(yǎng)護齡期越長，其無側(cè)限抗壓強度越大，呈明顯的線性關(guān)系.高聚物在土中反應(yīng)跟在空氣中不同，其在空氣中反應(yīng)時，集聚程度高，反應(yīng)產(chǎn)生熱量會加固反應(yīng)進程.高聚物摻入粉土后，其在土中比較分散，聚集程度低，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量散失快，所以反應(yīng)緩慢，導(dǎo)致了固化土的強度在28 d 內(nèi)逐漸增長.這與水泥固化土強度的發(fā)展規(guī)律相似［21?22］，但是高摻量高聚物固化土的初始強度及28 d 強度均高于水泥固化土，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能.

圖4 固化土無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系Fig.4 Relationship between UCS and curing time of solidified silt soil

2.3 粉土含水率對固化土強度的影響

圖5為粉土含水率與固化土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系.由圖5 可見：相同齡期、同一高聚物摻量條件下，隨著粉土含水率增加，固化土試樣的無側(cè)限抗壓強度隨之下降；以高聚物摻量為15%，養(yǎng)護齡期28 d試樣為例，當(dāng)含水率從8%增加至10%時，無側(cè)限抗壓強度下降了約30.0%，含水率由13%增加至15%時，無側(cè)限抗壓強度下降了約23.0%，平均下降幅度約為27.0%；對于高聚物摻量為5%的試樣，其無側(cè)限抗壓強度隨含水率增高而下降的幅度較小，平均降幅約為7.1%.

從圖5 同樣可以看出：高聚物摻量為5%的試樣，其無側(cè)限抗壓強度隨粉土含水率的變化較小，表現(xiàn)出部分線性關(guān)系；其他摻量下的試樣為非線性變化，即隨著含水率的升高，無側(cè)限抗壓強度的下降趨勢有所緩和.這是因為，在含水率較小時，粉土中水的存在，將會影響高聚物與土顆粒的黏結(jié).當(dāng)含水率在較低范圍內(nèi)變化時，這種影響比較明顯，含水率為無側(cè)限抗壓強度的主要影響因素；當(dāng)含水率處于較高水平時，由于大量水分的存在，土顆粒表面被水膜包裹，影響高聚物與土顆粒的粘結(jié)能力，含水率在較高范圍內(nèi)變化時，這種粘結(jié)能力對強度的影響會明顯減弱，主要是高聚物對粉土大孔隙的填充作用影響其無側(cè)限抗壓強度.

2.4 高聚物摻量對固化土滲透性的影響

圖6為含水率為8%時高聚物摻量與固化土滲透系數(shù)的關(guān)系.由圖6 可見：

（1）在相同齡期下，隨著高聚物摻量的增加，固化土的滲透系數(shù)逐漸減小.這是因為在相同條件下，高聚物摻量增大，反應(yīng)后產(chǎn)物會增多，這會導(dǎo)致土的密實度增加，從而使固化土的滲透系數(shù)逐漸減小.

（2）隨著高聚物摻量的增加，滲透系數(shù)下降曲線的趨勢并不相同，在高聚物摻量處于較低水平時，滲透系數(shù)下降較為“陡峭”，在高聚物摻量處于較高水平時，滲透系數(shù)下降較為“平緩”.這是因為高聚物摻量較少時，土顆粒間的大孔隙是主要的滲流通道，摻入粉土中的高聚物基本填充于土顆粒間的較大孔隙.隨著高聚物摻量的增多，大孔隙基本被填充后，土顆粒間的微孔隙將被繼續(xù)填充，而小孔隙對滲透系數(shù)的影響較小，因而在高聚物摻量較高時，滲透系數(shù)隨高聚物摻量的變化就較小.這一結(jié)論與水泥土試驗規(guī)律相近，且高聚物固化土與水泥土的滲透系數(shù)基本處于同一數(shù)量級［23］.

3 高聚物固化粉土微觀分析

前文分別討論了高聚物摻量、粉土含水率、養(yǎng)護齡期對固化土無側(cè)限抗壓強度及滲透系數(shù)的影響，這些宏觀性能的改變往往由微觀特性引起，因此從微觀角度分析固化土的性質(zhì)具有重要意義.

3.1 SEM 結(jié)果及分析

圖7為高聚物對粉土不同作用形式的SEM 圖像.由圖7 可見：

（1）含水率8%、未摻高聚物的粉土中土顆粒分布松散，孔隙較大，土顆粒在震動、擠壓等外力作用下仍具有可壓縮變形的能力.

（2）高聚物固化土的作用形式分為3 種：一是如圖7（b）所示，高聚物“覆蓋”并“包裹”土顆粒，相互連接形成分布面積較大的片狀，并黏附于土顆粒上，形成一層不透水、不透氣的“薄膜”，同時由于該層不透水膜的存在，減弱了水在粉土內(nèi)的滲透能力，從而降低了粉土的滲透性；二是如圖7（c）所示，高聚物填充于相鄰?fù)令w粒之間的縫隙中，黏連了相鄰的土顆粒，提高了土體的密實度；三是如圖7（d）所示，高聚物黏連相鄰的土顆粒，雖然沒有完全填充土顆粒間的孔隙，但是通過“橋接”的方式，形成高聚物骨架.高聚物正是通過以上3 種作用方式，從而大大提高土的強度與抗?jié)B性［21?24］.

圖7 高聚物對粉土不同作用形式的SEM 圖像Fig.7 SEM images of different polymer interaction forms

3.2 EDS 結(jié)果及分析

圖8為素土及高聚物固化土試樣表面的元素分布.由圖8 可見，摻入高聚物后，固化土顆粒表面C、N、O 的含量明顯增加.這是因為高聚物是有機高分子化合物，其中的異氰酸酯（R-N=C=O）和多元醇（nHO-OH）均具有較高的C、N、O 含量，這3 個元素含量的增加，表明聚合物已經(jīng)有效地附著在土顆粒的表面.

圖8 素土及高聚物固化土試樣的EDS 測試結(jié)果Fig.8 EDS test results of pure and solidified silt soil samples

3.3 XRD 結(jié)果及分析

圖9為素土及高聚物固化土的XRD 圖譜.由圖9可見，摻入高聚物前后，試樣并沒有出現(xiàn)新的衍射峰，只是衍射峰強度略有波動.這表明在將高聚物摻入到粉土中之后，土壤的礦物組成沒有改變，并沒有形成新的物質(zhì).衍射峰強度不同的原因是由于測試的是2 個樣品且位置隨機，因此物質(zhì)在粉土中的分布不同，導(dǎo)致衍射峰強度不同.由此可以判斷，在粉土和高聚物之間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也未產(chǎn)生新的化合物.

圖9 素土及高聚物固化土的XRD 圖譜Fig.9 XRD patterns of pure silt soil and solidified silt soil

3.4 MIP 結(jié)果及分析

孔隙結(jié)構(gòu)特征對粉土的強度有著重要的影響，而高聚物的摻入會改變粉土的孔隙特征，因此研究高聚物摻入前后粉土孔隙結(jié)構(gòu)的變化，對揭示高聚物固化機制有重要的意義.

圖10為含水率為8%時不同高聚物摻量試樣的孔隙直徑分布圖，MIP 試驗同時獲得的其他物理特性如表4 所示.其中,Natural silt soil 是現(xiàn)場取樣的粉土，Remoulded silt soil 是將現(xiàn)場取樣粉土篩分、壓實成型后的土樣.由圖10 可見，固化土的中間孔徑隨著高聚物摻量的增加逐漸減小，總孔容積也隨著高聚物摻量的增加逐漸降低，說明高聚物摻量越高，土質(zhì)越致密.

圖10 含水率為8%時不同高聚物摻量試樣的孔隙直徑分布圖Fig.10 Pore diameter distribution diagram of samples with different polymer contents under 8% water content

由表4 可見：高聚物摻量為15%試樣的堆積密度更大，表明其更致密；孔隙率的顯著降低也表明了隨著高聚物摻量的增加，土質(zhì)越來越致密.

表4 不同高聚物摻量試樣的物理性質(zhì)Table 4 Physical properties of samples with different polymer content

由以上分析可知，高聚物固化土高效可行，可以通過降低土體孔隙率進而明顯提高土體的強度.

4 結(jié)論

（1）高聚物能夠?qū)Ψ弁吝M行有效固化，明顯提升粉土的無側(cè)限抗壓強度.固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著高聚物摻量的增加而提高，隨粉土含水率的增加而減小，隨著養(yǎng)護時間的延長而提高.高聚物摻量為15%、粉土含水率為8%固化土的28 d 無側(cè)限抗壓強度為6.24 MPa.

（2）高聚物摻入粉土中后，并沒有與粉土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而是通過“覆蓋”、“填充”和“橋接”等作用來填充、擠密、連接粉土，形成較大的土顆粒團聚體，提高了粉土的密實度，充分填充了大孔隙，從而提高了粉土的強度.

（3）當(dāng)粉土含水率為8%、高聚物摻量為15%時，固化土的性能優(yōu)異，為較優(yōu)的固化土配合比.