考虑颗粒级配影响的高聚物改良钙质砂抗剪强度特性试验研究

陈青生， 李宇轩， 肖衡林， 彭 弯， 张琎炜

(湖北工业大学土木建筑与环境学院, 武汉 430068)

钙质砂是海洋生物成因的特殊岩土介质，其富含碳酸钙、碳酸镁以及其他难溶碳酸盐类物质，广泛分布于中国南海海域，其特殊的形成机制，生成了高孔隙比、内摩擦角大、颗粒形状不规则、颗粒易破碎等特征，使其工程力学性质与陆源砂相比有显著的区别[1-5]。中国对于南海南沙群岛的开发与利用将随着“建设海洋强国”战略目标的提出而进一步加强，其中各种基础设施建设和使用过程中将不可避免出现钙质砂地基问题[6]。若直接采用钙质砂作为地基土体，很容易出现地基不均匀沉降。因此，对南海钙质砂地基进行地基加固处理十分必要。

然而，当前中外对钙质砂地基处理的研究尚处于初步探索阶段，钙质砂地基评价标准在中国尚无规范可借鉴[7]。采用水泥、石灰等固化剂改良土体特性是当前地基处理最有效的方法之一。然而，一方面，固化土体强度虽然可大幅度提升, 但其刚度和脆性也显著提高，机场跑道、道路路基等在动荷载作用下，极易出现道面断裂和地基不均匀沉降，严重影响其正常运行，易造成安全事故；另一方面，大量使用水泥等强碱性固化剂将破化土体酸碱平衡，严重危及海洋植被生长，破坏海洋生态。当前，澳大利亚等一些西方发达国家已明文规定限制水泥、石灰等强碱性固化剂在地基处理中的使用[8-10]。因此，对南海钙质砂地基，特别是机场跑道、路基等，若能采用柔韧性、抗裂性能较好且环保的胶凝材料，使改良土体强度提高明显，但刚度变化不大，则可望明显改善钙质砂不良工程特性，从而作为回填材料广泛应用于南海岛礁建设。

高聚物是一种高分子量化合物，由大量相同的、简单的基本链节作为结构单元经由共价键重复连接而成，研究表明以聚氨酯泡沫胶黏剂为代表的高聚物具有良好的材料特性[11]，如强度提高快、密度小、黏结性高、韧性好、环保持久，是非水敏感性材料，长期不干缩、不变质。近年来，许多中外学者开始尝试将高聚物在岩土工程领域展开应用。例如：刘建成[12]进行了聚氨酯砂土固结机理的研究，并将其应用于新疆吉木乃县的某处砂土质边坡坡面防护，取得了良好的砂土固化效果。张猛[13]对高聚物材料以及混合料的力学特性进行了研究，并通过对现场注浆试验的探究，确定了统一的施工过程。此外，一些学者还将高聚物应用于改良堆石料力学特性，例如：刘汉龙等[14-15]、刘平等[16]通过试验研究指出，高聚物可填充堆石颗粒间孔隙，增强堆石颗粒之间的胶结能力，能有效减少颗粒破碎、重组颗粒排列，减小残余变形，其表现出良好的抗震性能。然而，利用高聚物对颗粒多孔隙、形状不规则、且极易破碎的钙质砂地基进行地基加固的研究至今尚无人问津。

鉴于此，本文以中国南海某岛礁典型回填工程为背景，提出采用环保固化剂高聚物对钙质砂地基进行加固。通过开展直接剪切试验以及SEM(scanning electron microscope)微观结构试验，研究高聚物固化钙质砂的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角等参数随着高聚物掺量和钙质砂颗粒级配变化的演变规律，以及高聚物改良钙质砂力学性能的微观机理，从而为将环保固化剂高聚物应用于南海岛礁钙质砂地基加固提供一些试验和理论参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 钙质砂

采用的钙质砂取自南海某岛礁典型回填工程所采用的钙质砂材料，为无胶结松散珊瑚碎屑沉积物，主要为珊瑚断枝和生物碎屑。首先需对砂样进行清洗，去除盐分后自然风干备用。为保证试验条件的一致性以及结果的可靠性，对钙质砂原始试样进行筛分，去掉粒径大于4 mm的颗粒，保留粒径小于4 mm的颗粒，定义为本试验所用的天然级配钙质砂样(级配1)。为了研究高聚物对不同颗粒级配钙质砂的改良效果，考虑粗细颗粒含量的影响，另设计了两种不同颗粒级配钙质砂样(级配2、级配3)。三种级配的颗分曲线如图1所示，基本参数如表1所示。

图1 土样颗分曲线Fig.1 Grain size distribution curves of samples

表1 土样级配系数

1.1.2 高聚物

试验选用的高聚物为聚氨酯泡沫胶黏剂(polyurethane foam adhesive，PFA)属于硬质发泡类，由A料和B料双组分构成。A液多为异氰酸酯，B液为聚合物多元醇。聚氨酯泡沫胶黏剂在使用时将A液与B液在常温下按质量比1∶1进行称量后快速搅拌数秒后即发生反应膨胀(图2)。

1.1.3 制样方法

制备试样时为避免钙质砂发生颗粒破碎，以干密度ρ=1.5 g/cm3作为控制标准，改良钙质砂中高聚物的掺量Rw(高聚物质量与试样总质量之比)分别为4.5%、6%、7.5%。称取一定量配好的三种级配钙质砂颗粒放入器具内，并加入B液，充分混合后再加入A液，并搅拌均匀。待A、B液混合均匀后，在60 s内置入试验模具内，并将表面压平整，待养护7 d后，饱和完成脱膜，即可得到高聚物钙质砂试样。以级配1为例，试样如图3所示。

图2 聚氨酯高聚物A、B液及其反应效果Fig.2 Polyurethane foam adhesive A, B liquid and its reaction

图3 高聚物胶凝钙质砂直剪试样Fig.3 PFA-improved specimens for direct shear tests

1.2 试验方案

1.2.1 直接剪切试验

直接剪切试验采用应变控制式直剪仪(ZJ型，南京土壤仪器)，制备的试样为Φ61.8 mm×20 mm的环刀样。将制好的不同级配，不同高聚物的试样在应变控制式直剪仪中进行固结，固结变形稳定标准为不大于0.005 mm/h。固结完成后施加垂直压力，对各组土样均施50、100、200、400 kPa的法向应力，进行快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min。

1.2.2 SEM微观试验

采用SU8010高分辨场发射扫描电子显微镜对样进行SEM试验，试验前将不同级配、不同高聚物掺量的钙质砂试样取少许样品进行烘干，然后对试样进行喷金处理，最后分别观察试样的细观结构。

2 试验结果与分析

2.1 剪应力-位移曲线特征

图4为颗粒级配相同条件下不同掺量高聚物改良钙质砂的剪应力-位移曲线。由于篇幅所致，仅以某一种高聚物改良钙质砂(级配1)为例进行分析其应力应变特征。从图4(a)可以看出：在给定垂直压力条件下，高聚物掺量为0的未改良钙质砂在剪切过程中均未出现明显的剪应力峰值，其剪应力开始时随着剪切位移的增加而持续增大，而后趋于稳定，呈现出硬化特征。

当高聚物掺量Rw=4.5%时，改良钙质砂初期剪应力增长率明显增大，即试样模量显著提高。此外，相对于未改良的钙质砂，改良钙质砂具有峰值，但剪应力达到峰值后略微下降，剪应力-位移曲线呈现出的软化特征并不明显[图4(b)]。

当高聚物掺量Rw=6%和Rw=7.5%时，改良钙质砂的剪应力-剪切位移曲线分别如图4(c)、图4(d)所示。其特征和钙质砂(Rw=4.5%)相比，软化特性趋于明显。出现上述现象的主要原因可以解释为：在峰值剪应力作用下，高聚物固化钙质砂颗粒间的胶结颗粒被剪破，其胶结作用逐渐消散，剪应力显著减小，在此过程中试样破坏截面上的摩擦为滑动摩擦，剪应力随着剪切位移增加而逐渐趋于稳定。

图4 钙质砂的剪应力-剪切位移曲线Fig.4 Shear stress-displacement curves of calcareous sand

2.2 抗剪强度特性

根据摩尔-库伦强度理论：

τf=c+σtanφ

(1)

式(1)中：τf为破坏截面上剪应力，即土的抗剪强度，kPa；c为土的黏聚力，kPa;σ为破坏截面上的正应力，kPa；φ为土的内摩擦角，(°)。图5为各工况条件作用下钙质砂抗剪强度包络线。由试验结果可知，高聚物掺量对抗剪强度的影响显著，随着高聚物掺量的增大，各颗粒级配条件下的高聚物改良钙质砂抗剪强度包络线均向上平行移动，即抗剪强度大幅度提高。例如：在200 kPa垂直压力作用下，当高聚物掺量从0增加至7.5%时，钙质砂在级配1下的抗剪强度从201 kPa大幅度增加至489 kPa。对比图5(a)～图5(c)可知，给定高聚物掺量条件下，钙质砂颗粒级配对改良钙质砂的抗剪强度的影响也十分明显。在给定垂直压力和高聚物掺量条件下，钙质砂在级配1下的抗剪强度明显高于级配2。基于此，下面将进一步分析以上因素(高聚物掺量及钙质砂颗粒级配)对高聚物改良钙质砂抗剪强度的影响。

图5 高聚物改良钙质砂抗剪强度曲线Fig.5 Shear strength curves of PFA-improved calcareous sand

2.2.1 高聚物掺量对钙质砂抗剪强度的影响

土的强度主要有黏聚力c和内摩擦角φ，为了便于直观分析高聚物掺量与黏聚力、内摩擦角关系，分别绘制了高聚物掺量与钙质砂黏聚力和内摩擦角的关系曲线，如图6所示。由图6可知，钙质砂的黏聚力随着高聚物掺量的增大而增大。特别是，当高聚物掺量大于4.5%时，改良钙质砂黏聚力随高聚物掺量的增长率快速提升[图6(a)]。然而，高聚物掺量对土样内摩擦角影响不明显，随着高聚物掺量的增大，改良钙质砂内摩擦角的变化幅度很小[图6(b)]。由此可见，高聚物主要通过影响钙质砂颗粒之间的黏聚力来增大其抗剪强度，对内摩擦角的影响较小。

图6 高聚物掺量与钙质砂黏聚力和内摩擦角关系曲线Fig.6 Relationship between polyurethane foam adhesive content and calcareous cohesive and internal friction angle

2.2.2 颗粒级配对钙质砂抗剪强度的影响

土颗粒的粗细程度大多用平均粒径D50[17]描述，其物理学含义是土中大于此粒径以及小于此粒径的土的占比均为50%，平均粒径D50大，则表示整体上颗粒较粗，平均粒径D50小，则整体颗粒较细。基于此，根据试验结果绘制了给定高聚物掺量条件下不同级配的钙质砂的抗剪强度与平均粒径D50的关系曲线，如图7所示。

从图7中可以看出，钙质砂的抗剪强度随着级配中粗颗粒的增多而增大，特别是，采用高聚物对砂土试样进行改良后，级配对钙质砂强度的影响更加明显。该现象可作如下解释：当破坏截面上下部分颗粒发生位移时，首先必须克服咬合力，对于砂土而言，颗粒越粗大，破坏截面发生变形时克服咬合力往上爬的坡越陡峭，其抗剪强度也就越大[18]，在加入高聚物后，由于粗颗粒含量较多，其孔隙更大，高聚物易于填充并进行化学反应，其抗剪强度变化也就越大。

图7 钙质砂抗剪强度与平均粒径D50关系曲线Fig.7 Correlation between shear strength and average particle size D50 of calcareous sand

2.3 高聚物微观胶结机制

图8为部分不同级配、不同高聚物掺量高聚物改良钙质的SEM微观试验结果。图8(a)是将颗粒放大200倍的结果，可以看到钙质砂颗粒本身形状不规则，颗粒菱角突出，颗粒之间主要是点接触。由于钙质砂颗粒之间留有较大的空隙，因此在高聚物的反应过程中能为其提供良好的胶结环境，使得胶结反应过程能够较好地进行。图8(b)～图8(d)为相同颗粒级配、不同高聚物掺量下钙质砂颗粒的表面微观形貌，可以看出，钙质砂经过高聚物胶结，钙质砂原有颗粒表面被高聚物包裹，高聚物包裹的细颗粒填充于大颗粒的空隙之间，且颗粒原有孔隙在一定程度上被高聚物填充。从图8(a)～图8(d)可以发现，随着高聚物掺量的增加，在钙质砂表面包裹的高聚物明显增多，钙质砂颗粒间的接触方式由最初的点接触逐渐转变为面接触，在这一过程中形成的结构物提高了土颗粒间的连接强度，让松散的钙质砂试样胶结成为一个整体，高聚物改良钙质砂的抗剪强度也因此得到提升。

图8(b)、图8(e)、图8(f)表示相同高聚物掺量、不同颗粒级配下钙质砂颗粒的表面微观形貌，可以看出，当钙质砂中细小颗粒较少时，高聚物主要包裹在大颗粒上，通过大颗粒将细小颗粒黏结在一起，随着钙质砂中细小颗粒的增多，其黏结方式也会发生改变，高聚物会先将细小颗粒黏结成团，然后与其他颗粒进行黏结。根据图8可以发现，虽然颗粒间的孔隙变小，但仍存在很宽的孔隙通道，因此增加高聚物的含量，高聚物的胶结作用可进一步加强。

图8 不同高聚物胶结不同级配钙质砂的SEM试验结果Fig.8 Scanning electron microscope for calcareous sand with different particle size distributions and PFA content

3 结论

通过室内直剪试验和SEM扫描电镜试验分析不同高聚物掺量和不同级配的钙质砂的抗剪强度特性和高聚物胶结微观机理，得到以下结论。

(1) 纯钙质砂的剪应力开始时随着剪切位移的增加而持续增大，而后趋于稳定，呈现出硬化特征；当高聚物掺量为Rw=4.5%时，改良钙质砂(级配1)初期剪应力增长率明显增大，即试样模量显著提高，同时，其剪应力在达到峰值后略微下降，剪应力-位移曲线呈现出的软化特征不明显；当高聚物掺量为Rw=6%和Rw=7.5%时，试样的模量和应力峰值显著提高，但改良钙质砂(级配1)的剪应力-剪切位移曲线的软化特性趋于明显。

(2)高聚物掺量对抗剪强度的影响显著，随着高聚物掺量的增大，各颗粒级配条件下的高聚物改良钙质砂抗剪强度包络线均向上平行移动，即抗剪强度大幅度提高。值得提醒的是，高聚物主要通过影响钙质砂的黏聚力来增加其抗剪强度，对内摩擦角的影响很小。

(3)颗粒级配对高聚物钙质砂的改良效果影响显著。钙质砂中粗颗粒含量越多，其孔隙越大，高聚物反应越明显，其强度变化也越明显。钙质砂的抗剪强度随着级配中粗颗粒的增多而显著增大。然而，当试样细颗粒较多时候，颗粒间的孔隙变小，高聚物钙质砂的改良效果减弱，但细颗粒钙质砂仍存在孔隙通道，随着高聚物含量的增加，高聚物的胶结作用仍可进一步加强。

(4)微观试验结果表明，高聚物改良钙质砂的剪切强度，主要是通过高聚物包裹钙质砂颗粒表面，逐渐改变钙质砂颗粒间的接触形式(由点接触逐渐变为面接触)，进而加强颗粒间的胶结作用。即高聚物主要通过包裹在土颗粒的表面或填充于颗粒间进行胶结，增强土颗粒之间的连接强度，使得土体的抗剪强度得到提高。