聚氨酯型固化剂改良表层砂土抗渗透特性试验

刘瑾+亓孝辉+张达+汪勇+冯巧+王芊+肖敏慧��

摘要：针对聚氨酯型固化剂（简称“OH固化剂”）改良表层砂土抗渗透特性，采用TST70型常水头渗透仪和自制多孔渗透仪，将OH固化剂喷洒在砂土表层，在不同含量OH固化剂和不同养护时间条件下，对相同厚度砂土层和不同厚度砂土层的出水时间、出水量和渗透性进行室内试验，并对其抗渗机理进行探讨。结果表明：喷洒不同含量OH固化剂后，在土体表层形成不同厚度的固化层，从而增强砂土抗渗透性能；在相同养护时间下，随着OH固化剂含量的增加，固化层厚度变大，出水时间变长，出水量减少；在相同OH固化剂含量下，随着养护时间变长，出水时间变长，出水量减少；在砂土表层加OH固化剂，不影响土体整体的渗透性，对植物的正常生长不产生影响；出水量随土层深度的降低而减少；含量为7%和9%的OH固化剂在养护60 h以后出现不出水现象，达到很好的防渗效果。

关键词：地质工程；砂土；高分子固化剂；渗透试验；成膜试验；抗渗机理；固化层

中图分类号：P642文献标志码：A

Abstract： In order to find the penetration resistance of surface sandy soils stabilized by polyurethane soil stabilizers， based on TST70 constant head permeameter and selfmade multihole permeameter， the stabilizers with different contents were sprayed on the surface sandy soils with different curing time， and the effluent time， effluent yield and permeability were measured under the conditions of sandy soils with the same or different thicknesses. And the mechanism of penetration resistance of the stabilizer was discussed. The results show that after spraying the stabilizers with different contents， the curing layers with different thicknesses are formed on the surface， and the penetration resistance increases； because the contents of the stabilizers increase， the curing layers are thickened， and the effluent time is longer， and the effluent yields reduce under the condition of the same curing time； because the curing time increases， the effluent time is longer， and the effluent yields reduce under the condition of the same contents of the stabilizers； the addition of the stabilizers on the surface sandy soils has no influence on the permeability of soil and the growth of plant； the effluent yields reduce with the decrease of soil depth； the soil， which is stabilized by 7% and 9% contents of the stabilizers， has a good property of antiseepage after the curing time of 60 h.

Key words： geological engineering； sandy soil； polymeric stabilizer； penetration test； membrane forming test； impermeability mechanism； curing layer

0引言

公路、鐵路、水利、电力等工程在修建过程中由于开挖会形成大量裸露、极易被风化的土质边坡。随着降雨、风、生物的风化作用，这些边坡表面会形成大量冲沟，造成水土流失，形成很多地质灾害易发点，影响边坡稳定性，对建设工程和人类活动造成了极大的隐患，尤其是砂性土质边坡[15]。为了减少土质坡面侵蚀，工程领域主要采用喷混凝土、格构、铺草皮等方法。高分子固化剂作为一种新型的土体加固方法，已在国内外引起广泛关注：单志杰介绍了EN1离子固化剂加固黄土边坡机理[6]；

张伟锋等采用HEC固化剂加固黄土[7]；张丽萍研究了CONAID、LUKANG、EN1和SSA土壤固化剂对黄土坡面稳定抗冲刷性的防护效果[8]；刘瑾等研究了有机高分子固化剂对土体及边坡的稳定处理[912]。上述研究表明，高分子固化剂作为一种加固材料，能够在很大程度上改良坡面表层土的工程性质，从而起到生态护坡的作用。

降雨入渗是边坡失稳破坏的主要诱发因素之一[1321]。童龙云等研究了考虑降雨入渗过程的非饱和边坡稳定性[13]；颜斌等对黄土边坡降水入渗规律及其稳定性进行了研究[15]；陈涛等研究了HEC固化剂对土壤渗透性的影响[16]。因此，在边坡加固过程中，研究坡面表层土的抗渗透性是研究加固机理的重要工作之一。本文针对聚氨酯型固化剂在砂土边坡生态防护中改良表层砂土的抗渗透特性，采用TST70型常水头渗透仪和自制多孔渗透仪，进行了一系列室内试验研究，并对其抗渗机理进行了分析，以期对高分子固化剂生态护坡机理研究及其进一步推广应用提供参考。

1试验材料

聚氨酯型固化剂的主要成分是一种改性亲水性聚氨酯树脂，简称为OH固化剂，呈淡黄色乃至褐色油状体，以水为固化剂，与水反应生成具有良好力学性能的弹性凝胶体，具有高度安全性。OH固化剂在现有亲水性聚氨酯材料的基础上融合纳米改性、组成结构改变及功能材料复合技术，使改性后的复合材料具有耐久性强、可自然降解、生态环保等特征。OH固化剂密度为118 g·cm-3，20 ℃黏度为650～700 mPa·s，固化剂含量（质量分数，下同）为85%，凝固时间为30～1 800 s，保水量超过40倍。

试验砂土样取自江苏省南京市江宁区砂土。砂土的风干含水率（质量比）为2%，颗粒粒径为0075～0100 mm的含量为21%，颗粒粒径为010～025 mm的含量为317%，颗粒粒径为025～050 mm的含量为489%，颗粒粒径为05～10 mm的含量为171%，颗粒粒径为1～2 mm的含量为02%。粒径分布见图1。

2试验方案与结果分析

针对OH固化剂改良表层砂土的抗渗透特性，开展了成膜试验、单孔渗透试验和多孔渗透试验。

2.1成膜试验

2.1.1试验方案

成膜试验取风干砂土样500 g，将砂土放置塑料容器中，该塑料容器的口径为10 cm，深度为6 cm。将不同含量的OH固化剂喷洒到砂土样中，形成不同厚度的固化层，测量不同OH固化剂含量和不同养护时间下固化层厚度，为进行单孔渗透试验和多孔渗透试验进行准备。测试内容包括：①准备8个试样，喷洒50 mL含量为5%的OH固化剂，观察00、01、05、10、30、60、120、240 h后固化层厚度；②将每个试样分别喷洒50 mL含量分别为0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化剂，240 h后观察固化层厚度和硬度。

2.1.2结果分析

含量为5%的OH固化剂养护00、01、05、10、30、60、120、240 h后会形成厚度分别为00、03、07、12、20、25、25、25 cm的固化层，其中养護60、120、240 h后的固化层厚度一样且表层较硬（图2）。从图3可知，含量为0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化剂养护240 h后形成的固化层厚度分别为00、00、20、25、30、35 cm，其中含量为5%、7%、9%的OH固化剂形成的固化层较硬。

2.2单孔渗透试验

2.2.1试验方案

单孔渗透试验仪器采用TST70型常水头渗透仪（图4）。该渗透仪是标准土工试验采用的仪器，也是工程普遍常用的仪器，适用于砂类土及含少量砾石的无凝聚性土。先取代表性风干砂土样3 250 g，共分为13层，每层约250 g，称取质量精确至1 g，每层砂土厚约222 cm，装入渗透仪内，然后用木锤击实至干密度为144 g·cm-3，再进行分层饱和，其中最后4 cm砂土不进行饱和，喷洒50 mL含量分别为0%、1%、3%、5%、7%、9%的OH固化剂，在表层加密封胶，防止水从渗透仪侧壁渗漏。在室温下分别养护00（参照样）、30、60、120、240 h，打开供水管向渗透仪供水，使水面始终保持在同一液面高度。测试内容包括：①将底部出水孔接5 cm水管，出水孔出水后，记录不同含量OH固化剂在不同养护时间下，出水孔的初次出水时间和出水量，其中出水孔出水后，每隔3 min接一次水，共记录5次；②按照标准土工试验，待出水量稳定后，测定砂土的渗透系数。

2.2.2结果分析

不同含量OH固化剂养护00、30、60、120、240 h对应出水时间和出水量见表1～5。OH固化剂含量越高，出水时间越长。当OH固化剂含量〖CM（22〗为5%及更大时，OH固化剂对出水时间影响较大；

随着养护时间的增长，出水时间变长，含量为7%、9%的OH固化剂在养护60 h后基本不透水。以养护60 h的OH固化剂为例，出水量在3 min以后逐渐达到稳定状态。从9～12 min出水量可以看出：在相同养护时间内，出水量随着OH固化剂含量的升高而减少；在相同OH固化剂含量条件下，养护60 h后出水量达到稳定状态。

本次试验测定砂土渗透系数采用标准土工试验的渗透系数计算公式

式中：k为试样的渗透系数；ΔQ为Δt时段内通过试样的渗流量；A为试样横截面积；L为两相邻测压管间距离，取10 cm；h为相邻测压管间平均水头差，h=05（H1-H3），其中H1、H3分别为测压管1、3的水位高度。

根据式（1）计算得到含量为0%、1%、3%、5%、7%的OH固化剂渗透系数分别为260、256、252、273、270 cm·s-1。

当出水稳定后，在渗透仪中土表层喷洒不同含量的OH固化剂并不影响整个土体的渗透系数，但会增强土体的抗渗透能力。图5是含量分别为1%、3%、5%、7%、9%的OH固化剂渗透反应后表层固化层的状态。含量为1%的OH固化剂形成的固化层基本呈松散状态，含量为3%的OH固化剂形成的固化层完整性与硬度均较差，含量为5%～9%的OH固化剂形成的固化层完整性较好，硬度随着OH固化剂含量的升高而增大。

2.3多孔渗透试验

2.3.1试验方案

多孔渗透试验仪器采用自主研发的多孔渗透仪（图6）。该仪器内径为20 cm，高度为1 m，渗透仪一侧共有10个孔，各孔间隔10 cm，最上部孔为溢水孔（图6中孔1），距离渗透仪顶端为5 cm，其余下部孔为出水孔，各出水孔深度代表对应土层深度。其中，孔10代表土层深度为90 cm，孔9代表土层深度为80 cm，依次递减。首先，一共加土40.70 kg，称取质量精确至

1 g，分9层加土，每层加砂土452 kg，击实至干密度为144 g·cm-3；然后，分层从底部依次向上饱和砂土，饱和至留有上部干砂土4 cm；接着，打开各出水孔排水并静置240 h之后，喷洒200 mL含量分别为0%、1%、3%、5%的OH固化剂并喷密封胶；养护240 h后，打开供水管向渗透仪供水，使水面始终保持在同一液面高度。

測试内容包括：记录不同含量OH固化剂下，深度为90 cm土层的初次出水时间和各土层深度出水量；测某一深度的出水量时，关闭其余各孔，依次向上，每次只测一个孔的数据，各出水孔出水后，每隔3 min接一次水，共记录5次。

2.3.2结果分析

含量为0%、1%、3%、5%的OH固化剂养护240 h后，对应各土层深度出水时间和出水量见表6～9。随着OH固化剂含量的升高，养护240 h之后，深度为90 cm的出水孔出水时间逐渐增大，含量为3%和5%的OH固化剂产生的作用比较明显，出水时间在25 min之后。含量为3%的OH固化剂各土层深度出水量在3 min后基本达到稳定状态。选取9～12 min出水量观察不同含量OH固化剂对应各土层深度出水量情况：在相同土层深度下，出水量随着OH固化剂含量的升高而减少，且出水量在相同OH固化剂含量下随土层深度的减少而减小。试验后固化层状态见图7。从图7可以看出，含量为1%的OH固化剂形成的固化层基本呈松散状态，含量为3%的OH固化剂形成的固化层较松散，不形成一个整体，含量为5%的OH固化剂形成的固化层较完整且硬度较高。

3机理分析

试验结果表明，OH固化剂可以在很大程度上提高砂土的抗渗透性能。随着OH固化剂含量的升高和养护时间的增长，形成的固化层越稳定，加固后的砂土具有很强的抗渗透性能。

OH固化剂为一系列聚氨酯预聚体与表面活性剂的混合物[22]。预聚体端基带有活性异氰酸基（—NCO），分子结构式见图8。在应用过程中，预聚体加水稀释搅拌后，发生化学反应转变形成乳白色的聚脲，具体反应过程见图9。

喷洒OH固化剂后，随着水分的挥发散失，OH固化剂将快速在砂土表面以及内部形成空间网络状结构，填充砂土中孔隙及包裹砂土颗粒，从而在砂土颗粒和OH固化剂之间形成物理或化学联系，同时高分子通过自身的空间网络结构特点，与砂土颗粒表面基团发生物理或化学反应，将砂土颗粒粘结成网络状结构，从而在表面形成一定厚度的多孔质弹性且有植物生理性能的固化层。固化层的弹性和力学性能良好，具有橡胶的弹性伸缩，较高含量的OH固化剂能够阻挡水下渗到土层，从而起到提高土层抗渗能力。该固化层具有良好的抗风蚀、抗紫外线降解可控性，以及保水、保温和保肥性，能促进植物生长。通常情况下，喷洒含量为2%～4%的OH固化剂14 d后植物便可发芽生长，当植物生长2～3个生命周期后，OH固化剂的固化层便可逐渐自然降解，从而过渡到后期的生物可持续固砂。喷洒OH固化剂前后的砂土颗粒内部结构见图10。

在成膜试验中，含量为5%的OH固化剂随着养护时间的变长，砂土颗粒与OH固化剂粘结更为紧密，形成的固化层逐渐增厚，6 h后基本达到稳定状态，形成2.5 cm厚的固化层；当养护时间相同时，OH固化剂随着含量的增加，与砂土颗粒结合的量变多，形成的固化层也越来越厚。在单孔渗透试验中，OH固化剂喷洒在砂土表面形成的固化层随含量、养护时间的增加而变厚；在表层喷洒OH固化剂的情况下，水透过较低含量固化层渗透到下部土层，下部土层的渗透性不会因上部土层喷洒OH固化剂而发生变化。在多孔渗透试验中，随着OH固化剂含量的升高，固化层越来越厚，阻止水流下渗的能力增强，各土层的出水量也减少。

4结语

（1）OH固化剂含量达到3%就可以大幅度提高砂土的抗渗透性能。工程边坡表面喷洒相当量的OH固化剂可以在土体表层形成2 cm左右的固化层，该固化层抗渗性能较好，可对边坡起到抗冲刷作用，但不改变整体砂土层的渗透特性。若想继续提高砂土的抗渗能力，将OH固化剂含量提高至5%即可。若喷洒含量超过7%的OH固化剂可对砂土层起到隔水效果。

（2）OH固化剂与水反应后短时间内可发生凝胶固化，60 h后固化层可达到稳定状态，起到抗雨抗渗效果，在施工过程中可以起到节约时间的作用。为了工程稳定性，施工养护时间建议在240 h以上，即给予240 h以上的晴天养护。

（3）在OH固化剂作用下，出水量随土层深度的减少而减少，即在相同OH固化剂含量条件下，较浅地层在同一水流条件下渗水量比较深地层的少。随着OH固化剂含量的增加，各深度土层出水量整体呈减少趋势。

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收稿日期：20160727

基金项目：国家自然科学基金项目（41472241，41202208）；江苏省自然科学基金项目（BK20141415）

作者简介：刘瑾（1983），女，福建漳州人，教授，工学博士，Email：jinliu920@163.com。

文章编号：16726561（2017）01012609