聚氨酯固化砂性土在不同溫度下的抗壓性能試驗研究

摘" 要：針對砂性土黏聚力低顆粒松散的問題，采用聚氨酯對砂性土進行固化處理。分別制備不同聚氨酯固化劑含量、不同類型聚氨酯和不同密度的聚氨酯固化砂樣品，并采用無側限抗壓強度對聚氨酯固化砂性土的抗壓性能進行表征。結果表明，聚氨酯固化劑含量的增加可提高砂性土的無側限抗壓強度，但對峰值應變的影響不大，為聚氨酯固化劑在巖土工程中的應用提供一定的數據參考。

關鍵詞：砂性土;聚氨酯;無側限抗壓強度;溫度;應力-應變曲線

中圖分類號：TU441.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0069-05

Abstract： In order to solve the problem of low cohesion and loose particles of sandy soil， polyurethane was used to solidify sandy soil. Polyurethane cured sand samples with different polyurethane curing agent content， different types of polyurethane and different density were prepared， and the unconfined compressive strength was used to characterize the compressive properties of polyurethane solidified sandy soil. The results show that the increase of the content of polyurethane curing agent can improve the unconfined compressive strength of sandy soil， but has little effect on the peak strain， which provides some data reference for the application of polyurethane curing agent in geotechnical engineering.

Keywords： sandy soil; polyurethane; unconfined compressive strength; temperature; stress-strain curve

土體的黏聚力、摩擦力和剛度是巖土工程中的重要技術指標[1]。砂土黏聚力弱導致砂層結構松散，極易發生液化、滑坡、沖蝕、崩塌等現象[2]。砂土常見于邊坡處理、路基施工、地下開挖等重要的巖土工程項目中，在水流、地震和其他地質因素或人類活動的影響下，未經處理的砂體極易發生地質災害，進而造成嚴重的工程事故和經濟損失[3]。例如，地震時砂土液化造成的砂層下沉和沙土涌出[4];臨水砂土邊坡在水侵蝕下發生顆粒變細、路堤坍塌和土壤養分流失;在基坑和地下工程開挖過程中，容易引發涌水、流砂及基坑壁坍塌等問題。因此，砂性土必須通過一些改良方法進行改性后，方能滿足巖土結構安全和工程建設的需要。工程建設中常用水泥、石灰、粉煤灰等作為土體的固化材料，這些添加劑通過與土壤中的水分或其他物質發生反應，與土壤形成板結的整體，從而有效提高了砂性土的強度和穩定性[5-6]。但是，該類型固化方法改良后的土體脆性較大，當荷載引起的應力超過板結土體的屈服應力時，土體結構極易發生突然失穩[7]。此外，這些傳統的化學添加劑會改變土壤結構，提高周圍環境的pH，這一效應對植物生長和自然環境是十分不利的[8]。

近年來，聚合物在工程領域內的應用受到了越來越多的關注，由于其具備固化高效、力學性能優異、耐腐蝕等優點，在土壤加固中具有良好的應用前景。聚合物土壤固化劑分子上的官能團，可與土壤表面的分子或離子結構發生物化作用，進而有效提高土壤顆粒間的黏聚力，提高土壤的力學強度。Lee等[9]對比了水泥和黃原膠生物聚合物分別作為穩定劑土壤的無側限抗壓強度，驗證了黃原膠生物聚合物作為土壤穩定劑的可行性，黃原膠生物聚合物可以有效提高土壤的無側限抗壓強度和延展性。Rezaeimalek等[10]采用亞甲基二苯基二異氰酸酯（MDI）與水對砂性土進行了固化處理，研究表明在聚合物與水的比例為2∶1時，被穩定土壤的無側限抗壓強度可達5 000 kPa，且經過750微應變幅度100萬次的疲勞作用后，被穩定的土體仍然可以線彈性承載，說明該方法下固化的砂性土耐疲勞性能優異。Ma等[11]將聚氨酯有機聚合物與劍麻纖維應用于砂性土的力學性能改良，增加聚合物含量、纖維含量和干密度對聚合物-纖維-砂復合材料無側限抗壓強度和直接抗拉強度具有顯著的提升作用。聚合物和纖維復合加固可以有效地防止應力作用下裂縫的擴展和發展。Xiao等[12]發現聚氨酯有機聚合物泡沫處理的土壤具有較好的強度和延展性，聚氨酯泡沫膠黏劑改良土壤的脆性指數比石灰加固的土壤的脆性指數低得多。Tao等[13]針對鈣質砂的抗剪強度低、可壓縮性強的特點，采用聚氨酯泡沫膠黏劑對原生土壤進行了化學固土處理。一系列三軸固結排水試驗和加州承載力比試驗表明，聚氨酯泡沫膠黏劑能有效改善鈣質砂的力學性能。顆粒級配對穩定鈣質砂的應力-應變響應有顯著影響。王銀梅等[7，14-15]自主研發了SH型固沙劑，改良后的土壤的抗剪強度和持水性得到了顯著增強。Liu等[16]針對砂性土結構松散的問題分別開發了OPS有機高分子土壤固化劑[17]、STW生態土壤穩定劑[18-19]和聚氨酯型固沙劑[20]等多種砂性土改良料，并對改良后的砂性土進行強度、抗沖刷、滲透及抗風蝕等測試，研究發現，有機高分子土壤固化劑能夠很好地增強土體黏聚力[21]、促進表層固化[22]、減少水土流失[20]，可用于坡面防護、水土保持、防塵固沙、沙漠化治理等[21]。王穎等[23]采用核磁共振技術和無側限抗壓強度測試研究了聚氨酯固化后砂土的微觀性能和抗壓強度特性，揭示了浸水作用對聚氨酯固化沙土的圍觀性能和力學強度的影響。孔繁軒等[24]通過對不同濃度、相同密度和特定濃度不同密度的高分子固化劑改良砂土進行的壓縮特性研究發現，密度恒定時，沙土壓縮模量和壓縮回彈模量均隨高分子固化劑濃度的增加而增大，而壓縮系數則隨高分子固化劑濃度的增加而減小;而當高分子固化劑濃度恒定時，壓縮模量和壓縮回彈率隨砂土密度增大而增大，而壓縮系數隨砂土密度增大而減小。

上述研究表明，與水泥、石灰、粉煤灰等傳統的土體固化材料相比，聚合物固化土壤固化養生時間短、固化強度高、可賦予板結土體一定的延展性，滿足對土體力學強度的要求，可以防止土體的突然失穩。此外，部分有機聚合物固化材料還可以為植物生長提供適宜的環境，具備良好的環保性[25]。值得注意的是高分子聚合物多具備一定的溫度敏感性，以往的研究多在室溫條件下進行，因此開展對高分子固化土壤在不同溫度下的力學特性研究是十分有必要的。聚氨酯具有合成便捷、固化時間可調、力學強度優異等特點，本文采用雙組分聚氨酯作為固化劑對砂性土進行了改良，分析了不同聚氨酯用量、不同固化劑、不同干密度對聚氨酯固化砂性土在高低溫下的壓縮力學性能的影響。為高分子固化劑改良砂性土不同溫度下的強度特性分析和在巖土工程中的應用提供一定的理論參考。

1" 試驗材料和方法

1.1" 試驗材料

試驗用砂性土取自蘿北縣云山石墨新材料有限公司年產20萬t石墨精粉選礦工程項目尾礦庫EPC總承包項目施工現場。所用聚氨酯固化劑為自制雙組分聚氨酯，A組分為異氰酸酯：密度為1.23 g/cm3，黏度為210 MPa·s，水解氯≤0.2%;B組分為聚醚多元醇，含水量≤0.05%，密度為1.08 g/cm3，黏度為170 MPa·s。

1.2" 試樣制備和試驗方法

將砂土樣品自然風干后過2 mm篩，將聚氨酯固化劑按質量分數1%、3%和5%分別與砂土混合制備不同聚氨酯固化劑含量的試樣;制備A和B組分分別為0.85∶1（PU-1）、1∶1（PU-2）和1.15∶1（PU-3）的3種聚氨酯預聚體作為固化劑，以聚氨酯固化劑總含量為3%制備固化砂土樣品;在聚氨酯固化劑含量為3%恒定的前提下，制備密度分別為1.4、1.5、1.6 g/cm3的樣品。試樣的制備按照JTG E40—2007《公路土工試驗規程》中規定的方法進行，試樣尺寸為直徑39.1 mm×高度80 mm，采取靜壓法成型，成型后靜置48 h后，將樣品分別置于-18 ℃、25 ℃和60 ℃環境箱中保溫24 h后進行無側限抗壓強度測試，測試方法按JTG E40—2007中規定的方法進行，試驗結果取3個平行試樣的算數平均值。

2" 試驗結果分析

2.1" 聚氨酯用量的影響

由圖1可知，聚氨酯固化劑含量越高，固化后砂土的無側限抗壓強度越高。聚氨酯凝膠包裹砂土顆粒后在固化后的樣品中形成一個聯結交錯的三維網絡是聚氨酯固化砂性土樣品形成強度的原因，固化劑含量增加可使包裹砂土顆粒的膠凝膜厚度增加，也可以更好地填充砂土顆粒間的空隙。此外，由圖1還可以發現，相同固化劑含量的砂土樣品在不同溫度下的無側限抗壓強度不同。隨著溫度由-18 ℃升高至60 ℃，聚氨酯固化砂性土的無側限抗壓強度逐漸降低。這是由于聚氨酯是一種具備一定的溫度敏感性有機高分子材料，其力學強度主要源自于分子間的化學鍵。溫度升高后分子鏈間的相互作用減弱，作用力減小，對外荷載的抵抗能力降低。

聚氨酯含量越小，應力-應變曲線越平緩;聚氨酯固化劑含量越大，應力-應變曲線的峰形越顯著;說明聚氨酯固化劑含量增加可以有效增加砂性土的無側限抗壓強度。當固化劑含量較低時，包裹砂土顆粒的聚氨酯較少，在固化基體內部形成的內聚力較低;當固化劑含量增加，砂土顆粒逐漸被足夠的聚氨酯黏結劑所包裹，樣品的抗壓強度和抗變形能力逐漸增強;固化劑含量繼續增加，在所有砂土顆粒被足夠的聚氨酯包裹的同時，砂土顆粒間的空隙也逐漸被聚氨酯填充，進而可以繼續改善砂土的力學強度，但過多的固化劑會在重力作用下積聚在試樣的底部，無法均勻分散在砂土中，對試樣強度增長的貢獻并不顯著。

由圖1還可以發現，相同含量固化劑的試樣高溫下的應力-應變曲線較為平緩，低溫下的應力-應變曲線峰形更加顯著，而常溫下的應力應變曲線形狀介于二者之間。這是因為固化砂的強度幾乎全部源自于聚氨酯與砂土顆粒間的黏結和聚氨酯在砂土顆粒間的橋接作用，而聚氨酯作為一種高分子材料，高溫使分子間的作用力減弱，分子鏈在荷載作用下產生位移，使材料具備了一定的延展性;而低溫作用下，聚氨酯逐漸由彈性體狀態向玻璃態過渡，分子鏈的柔順度降低，變形能力降低，導致樣品發生脆性破壞。

2.2" 聚氨酯硬段（軟段）含量的影響

3種聚氨酯固化砂性土在-18 ℃與常溫25 ℃間的無側限抗壓強度相差24.3%～27.0%，而與高溫60 ℃下樣品的無側限抗壓強度相差近40.7%～50.9%。此外，固化砂的無側限抗壓強度隨聚氨酯中的硬段含量增加而提高。在聚氨酯固化劑用量恒定的情況下，增加聚氨酯中硬段的含量即增加異氰酸酯的用量將會使固化后形成的聚氨酯內聚能增大，交聯程度增加，分子鏈結晶程度增加結構規整，材料的硬度、剛度和強度都會增加。

由圖2可知，聚氨酯固化砂性土在高溫下的應力-應變曲線先緩慢增長至峰值后逐漸下降并趨于穩定;常溫下的聚氨酯固化砂性土呈現出更為明顯的峰形，峰值荷載較高溫時有所提升，但峰值荷載所對應的應變逐漸減小;低溫下聚氨酯固化砂性土的應力-應變曲線并未呈現出完整的峰形曲線，尤其是PU-3型聚氨酯固化砂的應力-應變曲線在達到峰值荷載后立即破壞，試樣完全失去了塑性變形能力。這一現象表明低溫可提升樣品的抗壓強度，但會削弱樣品的變形能力;而高溫則可以提升樣品的變形能力，但其承載能力較低。各溫度下3種樣品的無側限抗壓強度峰值關系為PU-3gt;PU-2gt;PU-1，而峰值所對應的應變和試件失效時對應的應變關系為PU-3lt;PU-2lt;PU-1，尤其是PU-3固化劑固化后的樣品，其無側限抗壓強度在高溫下可達400 kPa，但是其極限應變僅為15%。這是因為在固定聚氨酯含量的前提下，增加聚氨酯種的硬段，其軟段就會相應地減少。硬段增加會提高聚氨酯的交聯度，聚氨酯內的結晶程度增加，內聚能增加，分子鏈的空間位阻加大，分子運動阻力增加，這就使得聚氨酯主鏈剛性增大，降低了聚氨酯分子鏈的柔順性，而低溫又會加劇這一效應。反之，硬段含量少軟段含量多的聚氨酯固化劑，固化后的交聯度小，分子內的結晶程度低，內聚能小，分子鏈位移的阻力較小，體現在宏觀力學性能上即為樣品的抗壓強度降低，但其分子鏈柔順變形能力增強，溫度越高這一效應越顯著。

2.3" 密度的影響

由圖3可知，隨著密度由1.4 g/cm3增加至1.6 g/cm3，聚氨酯固化砂性土的無側限抗壓強度在60 ℃、25 ℃和-18 ℃下分別增長了15.7%、18.7%和22.1%。隨著樣品密度的增加，單位體積內砂的顆粒數量增加，從而使顆粒間的空隙減小，其可壓縮性降低，能夠提供更大的承載能力。而同一密度下的聚氨酯固化砂性土在不同溫度下的無側限抗壓強度由于聚氨酯固化劑的溫度敏感性，同樣呈現出高溫低強、低溫高強的特點。由圖3可以發現，不同密度樣品的應力-應變曲線的峰值不同，密度越大峰值越大，在達到峰值前各密度下的聚氨酯固化砂性土的應力-應變曲線基本重合，差異并不顯著。密度對峰值后的應變延伸也影響不大，各密度下的延伸性能基本相同。高溫狀態下3種密度的樣品變形能力較好，應變率可延伸至20%;常溫下3種密度樣品變形能力關系為ρ=1.4 g/cm3lt;ρ=1.5 g/cm3lt;ρ=1.6 g/cm3;低溫下3種密度的樣品在峰值荷載后均基本喪失了塑性變形能力。

3" 結論

本研究制備了不同聚氨酯固化劑含量、不同類型聚氨酯固化劑和不同干密度的砂土樣品，采用無側限抗壓強度試驗測試了聚氨酯固化砂性土樣品在不同溫度下的抗壓力學特性，得出以下結論。

1）隨著聚合物含量的增加，聚氨酯間結合強度和分布密度提高，砂性土的無側限抗壓強度隨著聚氨酯固化劑含量的增加而提高，但對峰值應變的影響不大，聚氨酯含量為4%時樣品的無側限抗壓強度提升幅度最為顯著。

2）聚氨酯的軟硬段比例對固化后的砂性土的抗壓強度影響顯著，增加硬段減少軟段可以提升穩定砂土的無側限抗壓強度，但對試樣的延展性不利。減少硬段而增加軟段有助于提升試樣的延展性，但對強度提升不利。合理控制軟硬段比例是固化砂性土獲得良好力學性能的關鍵因素。

3）聚氨酯固化砂性土密度的增加不影響應力-應變趨勢，但密集的砂土顆粒有效減少了固化后的空隙率，強度性能顯著提高。

4）聚氨酯通過包裹砂土顆粒和聯結被包裹的顆粒單元在固化樣品內部形成一個穩定的整體，表現出了較為良好的力學強度特性，但聚氨酯固化砂性土在不同溫度下的抗壓力學特性不同，呈現出高溫低強大變形，低溫高強小變形的特點。在聚氨酯固化劑的工程應用中，其高溫變形失穩和低溫脆斷失穩問題應被予以重視。

參考文獻：

[1] 袁聚云，陳璽元，顧曉強，等.廣東陽江海洋砂性土小應變硬化土模型參數的試驗研究[J].同濟大學學報（自然科學版），2022，50（6）：852-860.

[2] 傅旭，楊雙鎖，牛少卿，等.砂性土地層的注漿加固試驗研究[J].礦業研究與開發，2021，41（3）：52-56.

[3] 劉運威.陡坡地基上超高填路堤的變形特性與控制技術[D].福州：福州大學，2018.

[4] 馬利超.高粘粒含量砂性土液化可能性與動強度評價研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[5] SALAMATPOOR S， JAFARIAN Y， HAJIANNIA A. Physical and mechanical properties of sand stabilized by cement and natural zeolite[J]. European Physical Journal Plus， 2018， 133（5）.

[6] 朱劍鋒，饒春義，庹秋水，等.硫氧鎂水泥復合固化劑加固淤泥質土的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2019，38（S1）：3206-3214.

[7] 王銀梅.新型高分子材料固化黃土的抗剪強度特性[J].低溫建筑技術，2016，38（2）：116-118.

[8] 張冠華，孫金偉，牛俊，等.W-OH固化劑對玉米生長及土壤養分淋失的影響[J].水土保持學報，2017，31（5）：247-252，259.

[9] LEE S， CHUNG M， PARK H M， et al. Xanthan Gum Biopolymer as Soil-stabilization binder for road construction using local soil in sri lanka[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2019（31）：11.

[10] REZAEIMALEK S， HUANG J， BIN-SHAFIQUE S. Evaluation of curing method and mix design of a moisture activated polymer for sand stabilization[J]. Construction and Building Materials， 2017（146）：210-220.

[11] MA K， LIU J， JIANG C H， et al. Compressive and tensile strength of polymer-based fiber composite sand[J]. Journal of Central South University，2022，29（2）：528-545.

[12] XIAO Y， STUEDLEIN A W， CHEN Q S， et al. Stress-strain-strength response and ductility of gravels improved by polyurethane foam adhesive[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2018，144（2）.

[13] TAO G L， YUAN J H， CHEN Q S， et al. Chemical stabilization of calcareous sand by polyurethane foam adhesive [J].Construction and Building Materials， 2021：295.

[14] 王銀梅，韓文峰，諶文武.新型高分子材料固沙抗凍性能試驗研究[J].中國地質災害與防治學報，2006（4）：145-148.

[15] 胡乾亮，王銀梅，江長通.SH固化黃土的土-水特征曲線試驗[J].水電能源科學，2016，34（1）：128-130，135.

[16] LIU J， CHEN Z H， KANUNGO D P， et al. Topsoil reinforcement of sandy slope for preventing erosion using water-based polyurethane soil stabilizer[J]. Engineering Geology， 2019，252：125-135.

[17] 劉瑾，白玉霞，宋澤卓，等.OPS型固化劑改良砂土工程特性試驗研究[J].東南大學學報（自然科學版），2019，49（3）：495-501.

[18] 劉瑾，施斌，黃河，等.STW型生態土壤穩定劑改良工程粘性土脹縮性試驗研究[J].工程地質學報，2008，16（6）：820-825.

[19] 黃河，施斌，劉瑾，等.STW型生態土壤穩定劑用于防風固沙試驗研究[J].巖土工程學報，2008，30（12）：1900-1904.

[20] 劉瑾，施斌，顧凱，等.聚氨酯型固沙劑改性土室內試驗研究[J].防災減災工程學報，2013，33（1）：29-34.

[21] 劉瑾，馮巧，孫少銳，等.聚氨酯型固化劑加固砂性土抗壓試驗及破壞模式[J].地球科學與環境學報，2017，39（5）：704-710.

[22] 劉瑾，亓孝輝，張達，等.聚氨酯型固化劑改良表層砂土抗滲透特性試驗[J].地球科學與環境學報，2017，39（1）：126-134.

[23] 王穎，劉瑾，馬曉凡，等.基于核磁共振的聚氨酯固化砂土浸水作用分析[J].巖土工程學報，2020，42（12）：2342-2349.

[24] 孔繁軒，羊東，劉瑾，等.聚氨酯型固化劑改良砂土的固結特性試驗研究[J].勘察科學技術，2019（4）：1-6.

[25] 李輝.固化劑對運動場草坪坪床性質和草坪草生長的影響[D].北京：北京林業大學，2020.