聚氨酯聚合物/剑麻纤维改良砂土剪切特性研究

王梓，刘瑾，马晓凡，兰小威，梅绪哲，祁长青

（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

0 引言

砂土呈散体状态、结构松散、砂颗粒间无粘结，导致其力学和水理性质都较粘性土有很大的差异。同时砂土层在地震荷载作用下易产生液化，降低或丧失承载力。在降雨条件下，砂土层具有强透水性，容易产生涌水、涌砂等问题。除此之外，表层砂土容易被雨水冲刷带走，造成坡面破坏，且砂土颗粒间孔隙是水流向坡体下渗的良好通道，容易在坡体中形成软弱带和产生动、静水压力，加大边坡失稳风险。因此，对砂土进行有效的加固处理，具有重要的社会意义和工程经济效益。

剪切破坏是常发生在砂土层的一种破坏模式，其剪切破坏特征受颗粒级配等多种因素影响（崔明娟等，2015；郭鸿和陈茜，2017）。陆勇等（2014）通过直剪试验研究了砂土的剪切力学特性受法向应力和颗粒粒径的影响规律。Gutierrez et al.（2009）提出了考虑主应力旋转的砂土直剪本构模型，研究了主应力旋转条件下的砂土剪切特征，并通过已有试验结果对该模型进行了验证。陈立平等（2013）从细观层面研究了砂土颗粒在剪切作用下的摩擦特性和破坏特征。董超等（2017）通过直剪试验研究废旧轮胎橡胶颗粒粒径对砂土抗剪强度的影响，分析了砂土改良后的抗剪强度变化特征。李丽华等（2016）深入研究废旧轮胎碎片加筋路基工作机理，通过室内模型试验，利用数字照相无标点变形测量系统，结合地基土压力分布和P-S曲线，研究了废旧轮胎碎片加筋路基的加筋机理和破坏模式。鲁博等（2018）通过对砂土的抗剪强度试验结果进行统计，分析了砂土内摩擦角和黏聚力随不同颗粒粒组含量、密实度的变化趋势及规律。

目前，在工程实践中主要通过物理-化学和化学等方法对砂土进行加固改良（饶运章，2004），从而提高砂土的抗剪强度等性质。宋金岩等（2012）通过三轴不固结不排水试验研究了玻璃纤维掺量和长度对抗剪强度特性的影响，得出抗剪强度与纤维掺量呈非线性关系，与纤维长度近似呈线性关系。孔玉侠等（2018）以聚丙烯纤维加筋南京细砂为主要研究对象，通过不同围压下的常规三轴压缩试验，研究了不同纤维质量百分比含量对南京细砂强度、变形以及剪胀特性的影响。王磊等（2014）建立了纤维加筋土的本构模型，通过三轴剪切试验对模型进行了验证，得出在大变形问题中该模型能较好预测加筋土的应力应变关系的结论。谢约翰等（2019）提出纤维加筋与微生物固化相结合的改性方法，将质聚丙烯纤维与石英砂均匀混合，然后基于微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术对土样进行固化，并开展了一系列无侧限抗压试验。李丽华等（2017）为了深入了解纤维加筋土的剪切强度特性，通过土工合成材料直剪仪，以砂土为研究对象、玻璃纤维为加筋材料，在控制含水量、纤维掺量和相对密实度条件下开展一系列的直剪试验。各类高分子类材料也被运用于土体的化学改良，通过试验研究，这些高分子材料均能有效改善土体性质（董金梅等，2013，2014；朱燕等，2020）。周翠英（2019）等通过直接剪切试验、崩解试验等室内试验研究了生态酯类材料改良砂土的力学和水理性质，表明生态酯类材料是一种性能较好的砂土改良剂。陈志昊等（2019）采用高分子固化剂和聚丙烯纤维对砂土进行加固，研究了改良砂土的抗拉强度与固化剂和纤维掺量的关系，并对其加固机理进行了分析研究。王颖等（2019）将腻子粉作为钙源，磷酸氢二铵（DAP）溶液作为原料，研究了在软弱砂土中原位制备羟基磷灰石（HAP）加固软弱砂土的新方法，并采用XRD与SEM分析了HAP的加固机理。沈道健（2017）开展了巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）诱导碳酸钙沉淀影响因素及灌浆胶结砂土强度试验研究，并对微生物固化砂柱内部微观结构进行了观测研究以探明胶结机理。前人的研究成果表明物理加固和化学加固在一定程度上均能很好地改良砂土的工程特性，然而目前对纤维与高分子聚合物复合加固砂土的研究较少。

本文对聚氨酯聚合物-剑麻纤维-砂土复合材料进行一系列的直接剪切试验研究，并根据试验结果结合扫描电子显微镜（SEM）图像分析了不同条件对于砂土复合材料的剪切性能的影响，以期为今后的工程实践应用提供一定的参考价值。

1 试验方案

1.1 试验材料

本试验中所使用的砂土取自南京江宁地区。试验所用砂土经过2 mm筛子筛选后的物理力学参数见表1，颗粒分析试验得到的结果如图1所示，属于级配不良的砂土。

表1 砂土的物理力学参数

图1 砂土的级配图

本试验中使用的剑麻纤维来自广西，具有质地坚韧、抗拉性强、耐磨性强、耐酸碱等特性，具有广泛的应用价值，是一种环保型的硬质纤维，剑麻纤维的详细物理力学参数如表2所示。

表2 剑麻纤维物理力学参数

本试验使用的高分子加固剂是一种聚氨酯预聚物，其外观呈淡黄色透明粘稠液体状，含有大量的异氰酸酯（—NCO），是一种可反应性的半成品，其性能如表3所示。这种类型的组合使预聚体在与水混合时能够快速反应生成聚脲，保水性非常好，性质稳定且不溶于水，而且具有很好的抗冲击强度、柔韧性、防腐蚀等特点，有望通过凝胶化后优异的粘接特性为砂土提供额外的抗剪性能。

表3 聚氨酯聚合物的性能

1.2 试验仪器

试验中的直接剪切试验采用由南京宁曦土壤仪器有限公司制造的ZJ型应变控制式直剪仪（四联，无级调速）。该仪器配置主要由应变控制式直剪仪（四联无极调速）、剪切盒、剪切盒塑料导轨、砝码、吊盘部件、透水石、测力环部件、百分表等部件组成（图2）。

图2 直剪试验装置

1.3 试样制备

砂土先经过烘箱烘干后冷却至室温，再与剑麻纤维均匀混合，然后将聚氨酯预聚物与水（取砂土质量的10%）反应后的溶液倒入混合快速搅拌均匀后，装在直径为61.8 mm、高度为20 mm的直剪盒中压实5分钟，最后放在室内条件下养护两天后进行直剪试验。每种不同试验条件参数的试样各制作4个平行样，分别加载在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向压力下进行直剪试验。

2 试验结果与分析

设计了不同砂土干密度（1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3、1.55 g/cm3）、不同剑麻纤维含量（0.2%、0.4%、0.6%、0.8%）以及不同聚氨酯有机聚合物含量（1%、2%、3%、4%）来研究砂土复合材料的剪切特性。

2.1 密度影响分析

为了研究砂土干密度对砂土复合材料剪切特性的影响，在剑麻纤维含量（0.4%）和聚氨酯有机聚合物含量（1%）参数条件相同的情况下，设计了1.40 g/cm3、1.45 g/cm3、1.50 g/cm3以及1.55 g/cm3四个不同干密度砂土试样进行直剪试验，试验结果见图3。

从试验结果可以发现（图3a），在相同法向应力下，随着砂土密度的增大，试样的剪切峰值强度也有着逐渐增大的趋势。这表明砂土密度的增大，能够有效提高砂土的抗剪强度。当砂土密度从1.40 g/cm3增大到1.45 g/cm3时，砂土复合材料的黏聚力增幅较大，随后随着砂土密度的增大，砂土黏聚力的增大趋势趋于平缓（图3b）；砂土的内摩擦角在砂土密度增大的过程中也有增大的趋势，表明了砂土密度的增大，也有利于增大砂土的内摩擦角（图3b）。

图3 不同干密度砂土试样的剪切性能

砂土处于低密度时（图4a），砂土的密实度低、孔隙较多，砂粒之间的间距大，砂粒间的电作用力相对较弱，在受到剪切应力作用时，剪切带上的砂粒易产生位移，导致剪切破裂面的形成，所以剪切峰值强度较低。当砂土密度增大后（图4b），砂土中的孔隙能够被更多小粒径砂粒所填充，砂粒间的嵌合度更高、咬合力增大，挤压了砂土之中聚合物，使聚合物粘连作用得到更好的发挥，各砂粒间的间距减小，砂粒间的电作用力引力增大，整个砂土内部也较为密实，所以砂土的黏聚力也随之增大，但当砂土中的砂粒达到饱和时，黏聚力的增大趋势就会减小。而砂土密度的增大，使得砂粒之间的相互接触增多，对于剑麻纤维的挤压接触也会增大，受到剪应力作用时，就需要克服更大的砂粒之间的摩擦阻力、剑麻纤维与砂粒间的滑动摩擦力、聚氨酯聚合物的粘结阻力，所以砂土的内摩擦角会随着砂土密度的增大呈上升趋势。

图4 砂土密度变化示意图

因此，砂土密度对于砂土的剪切性能有着很显著的影响。增大砂土密度为聚氨酯聚合物的粘结和剑麻纤维的机械摩擦提供了良好的条件，砂粒的内部接触通过增强界面相互作用也进一步加强砂土的稳定性，从而产生更强的剪切阻力。

2.2 剑麻纤维含量影响分析

基于砂土质量分别设计了在1.5 g/cm3砂土密度以及不同聚氨酯聚合物条件下，0.2%、0.4%、0.6%和0.8%的剑麻纤维含量来研究不同剑麻纤维含量对于砂土复合材料剪切特性的影响。不同剑麻纤维含量下的试验结果见图5。

从图5a 中可知，处于中低聚氨酯聚合物含量的砂土随着剑麻纤维含量的增大，黏聚力总体上呈现一定的上升；但在高聚氨酯聚合物含量条件下，随着剑麻纤维含量的逐渐增大，砂土的黏聚力表现出一定的下降趋势；4%聚氨酯聚合物含量的砂土在各剑麻纤维含量下黏聚力都为最低，而且与剑麻纤维含量的增大呈反比关系；同时3%聚酯聚合物与0.4%～0.6%的剑麻纤维含量混合能够使砂土的黏聚力提升效果最优。从图5b中可以看出随着聚氨酯聚合物含量的逐渐增大，各剑麻纤维含量的砂土的内摩擦角有着先增大后减小的现象；在高聚氨酯聚合物含量条件下，砂土的内摩擦角会随着剑麻纤维含量的增大而有一定的减小；其中2%聚氨酯聚合物含量下，砂土在各剑麻纤维含量下都相较于其他聚氨酯聚合物含量的内摩擦角更大。

图5 不同剑麻纤维含量下砂土的抗剪强度参数

结合电镜扫描图（图6a）可以发现，由于剑麻纤维表面粗糙，聚氨酯聚合物能够粘附在其表面，同时将砂粒与剑麻纤维紧密地粘连在一起，另外剑麻纤维本身具有一定的韧性，可以抑制周围部分砂粒的位移，还能为周围的砂粒提供一定的滑动摩擦阻力。从整体上看，均匀分布在砂土中的剑麻纤维，互相粘连在一起，形成牢固的球网状结构（图6b），可以将砂粒包裹在其中，形成一个更为牢固的土体，提升了砂土的黏聚力和内摩擦力。但是当剑麻纤维含量过高时，过量的剑麻纤维形成格栅将砂粒阻隔，起到阻碍砂粒接触的作用，减小了砂粒间的滑动阻力，因此会导致砂土的黏聚力和内摩擦力都有所下降。

图6 砂土复合材料电镜扫描图（a）及剑麻纤维作用示意图（b）

2.3 聚氨酯有机聚合物含量影响分析

为了研究聚氨酯有机聚合物含量对砂土抗剪性能的影响，分别设计了砂土质量的1%、2%、3%、4%共4种不同的聚氨酯有机聚合物含量对于砂土复合材料剪切特性的影响，试验结果见图7。

从图7可知，当聚氨酯聚合物含量从低浓度增大时，砂土的黏聚力和内摩擦角均有所增大；但当聚合物含量增大到4%含量时，砂土的黏聚力和内摩擦角都显著减小；同时在3%聚氨酯聚合物含量下的各剑麻纤维含量的砂土的黏聚力整体强度最大，各剑麻纤维含量的砂土处于2%聚氨酯聚合物含量条件下的内摩擦角最大。表明了适量的聚氨酯聚合物的添加，能够有效的提升砂土整体的抗剪性能。

图7 不同聚氨酯有机聚合物含量下砂土的抗剪强度参数

砂土在0.6%剑麻纤维、不同聚氨酯聚合物含量下的应力-位移曲线如图8所示。从图中可知，在相同法向压力下，随着聚合物含量的逐渐提升，砂土的抗剪强度先增大后减小，其中在聚氨酯聚合物含量为2%时砂土的抗剪强度达到最优，聚氨酯聚合物含量为4%的砂土抗剪强度相对最低。同时可以发现随着聚氨酯聚合物含量的递增，砂土剪切破坏时的剪切位移增大，表明了聚氨酯聚合物含量的添加能够延缓剪切破裂面的产生。

图8 各法向应力下的剪应力—剪切位移曲线

在扫描电子显微镜下可以观察到（图9a），未直接接触的砂粒之间通过聚氨酯聚合物的粘连作用粘结在一起，这种粘连作用能够有效地限制砂粒的位置；部分粒径较小的砂粒能够被聚氨酯聚合物粘连成一个大粒径的颗粒体，从而改变了砂土的颗粒级配，起到了增大砂土内摩擦力的作用；同时聚氨酯聚合物粘连在砂粒之间，当砂粒受到剪切作用力时，聚氨酯聚合物不仅能够提供一定的耐磨性，还由于其具有良好的柔韧性和抗冲击强度，起到类似于缓冲气垫的作用（图9b），将作用在砂粒上的剪应力吸收并分散，削弱剪应力在砂粒间的传导，从而间接达到提高抗剪性能的作用。但是当采用高含量的聚氨酯聚合物处理砂土时，砂粒就会被聚氨酯聚合物包覆，起到了降低砂粒表面的粗糙度的作用，削弱了砂粒之间的滑动摩擦，砂粒之间的咬合嵌锁效应减小，导致砂土的抗剪性能大幅下降。

图9 砂土复合材料电镜扫描图（a）及聚氨酯聚合物作用示意图（b）

3 结论

本文采用直接剪切试验研究了密度、剑麻纤维含量以及聚氨酯聚合物含量对砂土复合材料剪切特性的影响，得到以下结论：

（1）随着砂土密度的增大，砂土复合材料的抗剪性能也相应增大，两者之间呈正比关系。增大砂土密度也能更好地发挥聚氨酯聚合物的粘结作用和剑麻纤维的摩擦作用，砂粒间的嵌合也更为紧密，使砂土内部更加稳固，从而产生更强的剪切阻力。

（2）在聚氨酯聚合物含量较低时，剑麻纤维在0.4%～0.6%的掺量之间能够提升砂土的剪切性能；过多的剑麻纤维掺入，会阻碍砂粒间的嵌锁及咬合，削弱砂土的稳定性。

（3）2%～3%聚氨酯聚合物含量的砂土抗剪性能更为优异。中低含量的聚氨酯聚合物能够起到粘结砂粒、填充孔隙、增加砂粒粘滞阻力的作用，从而提升砂土的整体强度；高含量的聚氨酯聚合物会削弱砂粒间的滑动摩擦，降低砂土的剪切性能。