聚氨酯型固化剂加固砂性土抗压试验及破坏模式

刘 瑾，冯 巧，孙少锐，汪 勇，白玉霞，宋泽卓，冯嘉馨，李 鼎

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

聚氨酯型固化剂加固砂性土抗压试验及破坏模式

刘 瑾，冯 巧，孙少锐，汪 勇，白玉霞，宋泽卓，冯嘉馨，李 鼎

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

针对砂性土结构松散的问题，采用聚氨酯型固化剂对其进行改良，对不同固化剂含量及养护时间的改良砂性土进行了无侧限抗压试验，并对其加固程度及破坏模式进行分析。结果表明：聚氨酯型固化剂改良的砂性土无侧限抗压强度得到一定程度的提高；当养护时间一定时，改良砂性土的抗压强度和残余强度随着固化剂含量增加而增加，峰值应变反而减小；当固化剂含量一定时，改良砂性土的抗压强度、残余强度及峰值应变均随着养护时间增加而增加；抗压强度、残余强度及峰值强度在含量为30%，养护时间为48 h时，基本达到最佳加固效果；在无侧限压缩破坏后，养护初期的破坏形态为“X”形、“Y”形剪切带破坏，在养护中期为“花瓣状”破坏，养护后期为锥形缝合线状破坏。

地质工程；砂性土；高分子固化剂；无侧限抗压试验；抗压强度；残余强度；破坏模式

0 引 言

土体的强度与内部结构密切相关，土体的结构一般由颗粒骨架及颗粒间的胶结情况决定。砂性土结构松散，在工程上容易出现变形、坍塌、冲蚀、液化等破坏现象，在风的作用下搬运、堆积，污染环境，造成交通设施积沙、沙埋，破坏农田水利设施，从而给国民经济及人民的日常生活带来巨大损失。因此，砂性土常常需通过一些加固方法改良，以满足工程建设需要。

高分子聚合物由于其良好的加固效果，被广泛运用于砂性土改良中。高分子聚合物与土颗粒表面的相互化学作用同时包裹土颗粒和填充颗粒间的孔隙形成网状膜结构，从而提高土体的强度。Callebaut等早在1979年就对高分子固化剂改良土壤效果及水分蒸发情况进行了研究[1]；Bae等发现聚乙烯亚胺、聚丙烯酰胺和水性聚氧化乙烯对蒙脱石黏土矿物的粉尘污染具有较好的防治效果[2-4]；庄峰等在水泥砂浆中加入丙烯酸改性聚醋酸乙烯酯乳液(聚合物乳液)，研究掺量对砂浆保水性、吸水率、黏结强度和压折比的影响，发现在砂浆中加入适量的聚合物乳液,可以明显改善砂浆性能[5]；王银梅等自主研发了新型高分子固沙材料SH，对其抗冻、抗老化性能进行测试，并与水泥固化效果做对比[6-9]；刘瑾等对STW 型生态土壤稳定剂改良土壤做了系统性的研究[10-14]。

上述研究表明，高分子聚合物在土体加固中被广泛运用，但不同固化程度的改良土体具有不同的工程特性，尤其是针对砂性土地基及路基，改良砂性土的固化程度直接影响工程效果。为了研究高分子聚合物改良砂性土的固化过程，提高固化程度，使改良效果达到最佳，本试验选取聚氨酯型固化剂对砂性土进行改良。针对不同养护时间的改良砂性土试样，通过无侧限抗压试验测定其抗压强度、残余强度及峰值应变等参数，对不同固化程度改良砂性土试样的破坏模式进行分析，得出聚氨酯型固化剂改良砂性土最佳掺量及养护时间，为高分子聚合物加固砂性土地基及路基提供依据。

1 试验方案

1.1 试验材料

图1 砂性土粒径分布Fig.1 Distribution of Sand Particle Size

图2 聚氨酯型固化剂Fig.2 Polyurethane Soil Stabilizer

本次试验所用土样为南京江宁地区的砂性土,颗粒及级配见图1。试验中所采用聚氨酯型固化剂见图2，其为浅黄色透明液体状的改性亲水性聚氨酯复合材料，密度为1.18 g·cm-3，黏度为650～700 mPa·s，固含量为85%，凝固时间为30～1 800 s，抱水性不低于40倍。

1.2 试验过程

将取回的砂性土风干，并过2 mm(10目)筛，土样的风干含水率为2.0%。试验中选取的固化剂含量(质量分数，下同)分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%。试验过程中，首先称取适量风干土，将定量的聚氨酯型固化剂溶液同风干土充分搅拌，待固化剂和土混合均匀再倒入特制压实装置，置备成直径39.1 mm、高80 mm 的土样，分别养护6、12、24、48、72 h。本试验共开展了26组试验，每组土样按上述方法压制3个平行样,并采用平均值作为结果进行分析。所采用的试验仪器为南京土壤仪器厂生产的应变控制式无侧限压力仪，速率控制在2.4 mm·min-1。

2 试验结果

本试验研究聚氨酯型固化剂改良砂性土不同养护时间无侧限抗压强度的影响及破坏模式，其结果见图3。从图3可以看出，聚氨酯型固化剂改良砂性土的无侧限抗压强度具有增强效果。

图3为改良砂性土在密度为1.4 g·cm-3时不同养护时间的应力应变曲线。曲线在达到峰值前变化较快，达到峰值后缓慢减小，最后基本趋近平稳。在相同养护时间下，含量越小，改良砂性土的应力-应变曲线形态越平稳，含量越大，曲线峰形越明显。含量为10%、20%时的曲线相似，呈现出平缓的形态；含量为30%、40%、50%时，改良砂性土的应力-应变曲线峰形较低含量时更加明显，随着含量增加，峰值有所增加，但是可明显观察到3条曲线的形态非常相似，形变特征没有太大差异。这说明当含量低于20%时，聚氨酯型固化剂对砂性土的强度及形变改良效果还不够好，当含量在30%左右时，聚氨酯型固化剂对砂性土的性能有较为显著的提高。

图3 改良砂性土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain Curves of Reinforced Sandy Soil

图4～6给出了不同养护时间下聚氨酯型固化剂改良砂性土的抗压强度、峰值强度形变及残余强度随固化剂含量的变化。从图4、5可以看出，在不同养护时间下，随着固化剂含量的增加，改良砂性土的抗压强度和残余强度增加，并且养护时间越长，强度随含量增长的速度越快。从图6可以看出，在不同养护时间下，随着改良砂性土在抗压强度达到峰值时的应变随着固化剂含量增加而逐渐减小，并且减小的速度越来越快。这说明聚氨酯型固化剂可以在一定程度上提高砂性土的强度，并且含量越高提升的程度越大，聚氨酯型固化剂还可以提高改良砂性土抵抗形变的能力，实际工程应用中具有较重要的意义。然而，固化剂含量并不是越高越好，较高含量的固化剂固化时间短，施工难度大；根据试验结果，含量为30%左右较好。

图4 不同养护时间下改良砂性土抗压强度曲线Fig.4 Curves of Peak Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

图5 不同养护时间下改良砂性土残余强度曲线Fig.5 Curves of Residual Strength of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

图6 不同养护时间下改良砂性土峰值应变曲线Fig.6 Curves of Peak Strain of Reinforced Sandy Soil at Different Curing Time

图7 不同固化剂含量下改良砂性土残余强度曲线Fig.7 Curves of Residual Strength of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

图8 不同固化剂含量下改良砂性土抗压强度曲线Fig.8 Curves of Peak Strength of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

图9 不同固化剂含量下改良砂性土峰值应变曲线Fig.9 Curves of Peak Strain of Reinforced Sandy Soil with Different Contents of Soil Stabilizer

图7～9给出了不同含量的聚氨酯型固化剂改良砂性土的抗压强度、峰值强度应变及残余强度随养护时间的变化。从图7～9可以看出，随着养护时间的增加，改良砂性土的抗压强度、残余强度及峰值强度应变逐渐增加，在48 h后增长的速度变慢，在72 h后基本趋于稳定。在加固后6 h左右，改良砂性土的强度较低且发生形变时容易破坏；改良砂性土在加固后12 h左右，抗压强度、残余强度及强度到达峰值时的应变都急剧增加，尤其是峰值应变增加最快，在含量为30%、40%、50%时分别增长了52.70%、57.51%、39.71%。

聚氨酯型固化剂主要成分为聚氨酯预聚体，高分子长链上带有可与土颗粒表面及水反应的官能团，可加强土颗粒间的联系。同时，聚氨酯溶液包裹、填充在土颗粒间，形成网络膜状结构，进一步提高了土体强度。在改良后6 h，由于时间较短，聚氨酯预聚体来不及充分与土颗粒反应，所以提高的强度有限；在改良后12 h，改良土体各方面强度有较快提升，说明聚氨酯在改良砂性土的前12 h起到快速加固的作用。

3 无侧限压缩条件下改良砂性土试样破坏形态

土样的破坏形态与土体颗粒间结构发展变化、自身强度特性密切相关，土体结构取决于颗粒形状、矿物成分、孔隙性状及沉积环境。土体破坏一般是结构发生破坏，在试验过程中，外部荷载使土体发生剪切，随着外部荷载持续作用形成明显剪切带，土体结构破坏主要集中在剪切带上[15-16]。

砂性土结构松散，经过聚氨酯型固化剂改良后，与土颗粒表面的水发生化学作用，该聚氨酯中含有大量的分子长链和异氰酸酯基，当聚氨酯型固化剂稀释溶解官能团，与土颗粒表面基团发生化学反应，将土颗粒黏结成网络状的结构整体，从而提高改性土的强度。因此，聚氨酯固化剂特殊的高分子网络状结构可以有效提高松散土颗粒的内聚力。

聚氨酯型固化剂对砂性土的改良有显著效果。改良后的砂性土无侧限抗压强度增强，抵抗形变破坏的能力提高，破坏后土体残余的强度也得到提高。图10为不同压缩阶段试样形态。试验前，试样为无侧限抗压试验的标准尺寸，通过聚氨酯型固化剂改良后压制成均匀柱体；开始压缩后，试样发生轻微变形，这是轴向应力增长最快的阶段；轴向应力增长趋势变缓，逐渐达到峰值后，强度不再增加；达到峰值后，随着轴向应变的增加，轴向应力逐渐减小，试样发生破坏。

图10 不同试验阶段试样形态Fig.10 Modes of Samples in Different Stages

图(a)为剪切破坏状态；图(b)、(c)、(d)为“花瓣状”破坏状态；图(e)为缝合线状破坏状态图11 不同养护时间的试样破坏形态Fig.11 Failure Modes of Samples at Different Curing Time

聚氨酯型固化剂改良砂性土的效果与加固程度有关，改良后的砂性土需要一定养护时间才能完全反应形成网状膜，达到较好的加固效果。改良砂性土的加固程度可以通过试验中试样的破坏模式反映。加固程度越大，高分子网状膜与土颗粒之间作用力越大，从而改变砂性土颗粒松散的结构，在宏观上，土体的强度性能得到提高，强度峰值时试样的形变也更大。

图11为改良砂性土试样在不同养护时间呈现的破坏模式。在试样养护初期(6 h)，由于时间较短，聚氨酯型固化剂的高分子活性官能团与土颗粒表面的水并未充分反应，不能形成完整的网状膜，发生破坏时多出现明显剪切带，通常出现“X”形、“Y”形裂隙；随着养护时间的增加，固化剂形成的网状膜结构逐渐形成，与土颗粒间的作用力增加，试样的抗压强度和破坏时产生的形变明显增加，破坏形式多为侧面鼓胀破裂，并且随着荷载持续作用下形成“花瓣状”破坏现象，这种现象尤其是在密度较低的试样中较为明显；随着养护时间继续增加，试样中的水分挥发，高分子网状膜作用进一步增强，试样在持续荷载作用下形成“卷皮状”破坏，试样会侧向开裂但并不会上、下断开，这是高分子链进一步增强的结果，此时聚氨酯型固化剂改良砂性土的抗压强度较高，同时破坏时形变较高；当较长时间后，试样中水分进一步挥发，高分子网状膜的弹性性质降低，此时的破坏表现为在试样的中部产生类似锥形缝合线破坏带，形成“V”形破裂。试样的破坏模式和聚氨酯型固化剂形成的网状膜性质密切相关，高分子链在不同加固程度表现出不同的弹性性质改变土体结构，进而影响改良砂性土的破坏模式。

4 结 语

(1)聚氨酯型固化剂可以在一定程度上提高砂性土的强度。随着固化剂含量的增加，改良砂性土的抗压强度和残余强度提高，峰值应变逐渐减小；随着养护时间的增加，改良砂性土的抗压强度、残余强度及峰值应变先增加后减缓，最后趋于平稳。

(2)聚氨酯型固化剂改良砂性土的加固程度主要与养护时间和固化剂含量有关。养护时间越长，固化程度越高，48 h为最佳养护时间。含量越大，固化程度越高，但较高含量的固化剂固化时间短，施工难度大，含量为30%左右可以取得较好的加固效果。

(3)聚氨酯型固化剂加固砂性土的破坏模式与养护时间相关。养护时间6 h后，试样为“X”形、“Y”形剪切带破坏；养护时间12～48 h后，试样为“花瓣状”破坏；养护时间72 h后，试样为锥形缝合线状破坏。

[1] CALLEBAUT F,GABRIALS D,BOODT M D.The Effect of Polymer Structure on Soil Physico-chemical Properties and Soil Water Evaporation[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,1979,29(12):723-729.

[2] BAE S,INYANG H I.Effects of Various Polyethylenimine Solutions on Desiccation of Na-montmorillonite[J].Soil and Sediment Contamination,2001,10(6):675-685.

[3] BAE S,INYANG H I,GALVAO T C D B,et al.Soil Desiccation Rate Integration into Empirical Dust Emission Models for Polymer Suppressant Evaluation[J].Journal of Hazardous Materials,2006,132(1):111-117.

[4] INYANG H I,BAE S,MBAMALU G,et al.Aqueous Polymer Effects on Volumetric Swelling of Na-montmorillonite[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2007,19(1):84-90.

[5] 庄 峰,张方英,杜江勇,等.丙烯酸改性聚醋酸乙烯酯乳液对砂浆性能的影响[J].石河子大学学报：自科版,2012,30(3):381-385.

ZHUANG Feng,ZHANG Fang-ying,DU Jiang-yong,et al.Effect of Acrylic Acid Modified Polyvinyl Acetate Emulsion on Property of Mortar[J].Journal of Shihezi University:Natural Science,2012,30(3):381-385.

[6] 王银梅,孙冠平,谌文武,等.SH固沙剂固化沙体的强度特征[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增2):2883-2887.

WANG Yin-mei,SUN Guan-ping,CHEN Wen-wu,et al.Strength Characteristics of Sand Fixated by SH[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Eng-ineering,2003,22(S2):2883-2887.

[7] 王银梅,韩文峰,谌文武,等.新型高分子固化材料耐老化性能的试验研究[J].工程地质学报,2004,12(3):318-322.

WANG Yin-mei,HAN Wen-feng,CHEN Wen-wu,et al.Experimental Study on Resistances to Aging of a New Polymer Solidified,Material[J].Journal of Engineering Geology,2004,12(3):318-322.

[8] 王银梅,杨重存,谌文武,等.新型高分子材料SH加固黄土强度及机理探讨[J].岩石力学与工程学报,2005,24(14):2554-2559.

WANG Yin-mei,YANG Zhong-cun,CHEN Wen-wu,et al.Strength Characteristics and Mechanism of Loess Solidified with New Polymer Material SH[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(14):2554-2559.

[9] 王银梅,韩文峰,谌文武.新型高分子材料固沙抗冻性能试验研究[J].中国地质灾害与防治学报,2006,17(4):145-148.

WANG Yin-mei,HAN Wen-feng,CHEN Wen-wu.Experimental Study on the Freezing-thawing Resistance of Sand Fixation with a New Polymer Material[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2006,17(4):145-148.

[10] 刘 瑾,施 斌,黄 河,等.STW型生态土壤稳定剂改良工程黏性土胀缩性试验研究[J].工程地质学报,2008,16(6):820-825.

LIU Jin,SHI Bin,HUANG He,et al.Experimental Study on Swelling and Shrinking Property of Clay Treated with STW Polymer Soil Stabilizer[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(6)：820-825.

[11] 刘 瑾,施 斌,姜洪涛,等.STW型高分子土壤稳定剂改良黏性土团聚体水稳性实验研究[J].水文地质工程地质,2009,36(2):77-80，94.

LIU Jin,SHI Bin,JIANG Hong-tao,et al.Experimental Study on the Water-stability Property of Clay Aggregates Stabilized by STW Polymer Soil Stabilizer[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2009,36(2):77-80，94.

[12] 刘 瑾,亓孝辉,张 达,等.聚氨酯型固化剂改良表层砂土抗渗透特性试验[J].地球科学与环境学报,2017,39(1):126-134.

LIU Jin,QI Xiao-hui,ZHANG Da,et al.Experiment on Penetration Resistance of Surface Sandy Soil Stabilized by Polyurethane Soil Stabilizers[J].Journal of Earth Sciences and Environment,2017,39(1):126-134.

[13] 刘 瑾.新型高分子土壤稳定剂的研制及其应用研究[D].南京：南京大学,2011.

LIU Jin.Experimental Study on Development and Application of Polymer Soil Stabilizers [D].Nanjing：Nanjing University，2011.

[14] 黄 河,施 斌,刘 瑾,等.STW型生态土壤稳定剂改性膨胀土水理性质试验研究[J].岩土工程学报,2008,30(8):1236-1240.

HUANG He,SHI Bin,LIU Jin,et al.Water-physical Properties of Expansive Soils Modified by STW Ecotypic Soil Stabilizer[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2008,30(8):1236-1240.

[15] 曲 涛,范晓秋,刘 鑫.水泥砂浆固化土抗压强度特性试验[J].河海大学学报：自然科学版,2012,40(2):173-179.

QU Tao,FAN Xiao-qiu,LIU Xin.Experimental Study of Compressive Strength Properties of Soils Stabilized by Cement Mortar[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2012,40(2):173-179.

[16] 罗爱忠,邵生俊,方 娟,等.不同结构性黄土的单轴抗压试验及破坏模式[J].土木建筑与环境工程,2014,36(4):74-80.

LUO Ai-zhong,SHAO Sheng-jun,FANG Juan,et al.Single Compression Experimental Analysis and Failure Mode of Loess with Different Structural[J].Journal of Civil,Architectural and Environmental Engineering,2014,36(4):74-80.

UnconfinedCompressionTestandFailureModeofSandySoilStabilizedbyPolyurethaneSoilStabilizer

LIU Jin, FENG Qiao, SUN Shao-rui, WANG Yong, BAI Yu-xia, SONG Ze-zhuo, FENG Jia-xin, LI Ding

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, Jiangsu, China)

The sandy soil is unconsolidated. The characteristics of strength and failure pattern of the sandy soil reinforced by polyurethane soil stabilizer were analyzed according to the unconfined compression test. The results show that the unconfined compressive strength of reinforced sandy soil increases with the increase of polyurethane contents, while the peak strains decrease; at the same curing time, the compressive strength, residual strength of reinforced sandy soil increase with the increase of polyurethane content, while the peak strain decreases; at the same polyurethane content, the compressive strength, residual strength and peak strain of reinforced sandy soil increase with the increase of curing time; the effects of compressive strength, residual strength and peak strength are best with the polyurethane content of 30% and at the curing time of 48 h; for the unconfined compression test, the failure modes of samples are X-shape or Y-shape shear bands after the curing time of 6 h, petal-shape after the curing time of 12-48 h, and zigzag-shape after the curing time of 72 h.

geological engineering; sandy soil; polyurethane soil stabilizer; unconfined compression test; peak strength; residual strength; failure mode

P642；TU432

A

2017-05-22

江苏省水利厅水利科技重大技术攻关项目(2017010)；国家自然科学基金项目(41472241)；江苏省自然科学基金项目(BK20141415)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2016B05914)

刘 瑾(1983-),女,福建漳州人,教授,工学博士，E-mail:jinliu920@163.com。

1672-6561(2017)05-0704-07