聚丙烯酰胺改善流态固化处理效果的试验研究

林泓民,商志阳,彭 劼*

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏 南京 210098;2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院, 上海 200235;3.河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心,江苏 南京 210098)

长江中下游河漫区广泛分布着高含水率软土,这些软土含水率数倍于自身液限、刚度差、强度低、难以自然成型、未经处理几乎无法利用,大量闲置很大程度上会造成资源和空间上的浪费,这无疑对城市化建设带来一定的阻力[1]。传统处理的方法有许多,主要包括自然脱水、机械脱水、流态固化等几种手段[2]。流态固化土是通过加入水泥等固化剂,搅拌成具有一定流动性的混合料[3]后,通过浇筑和养护,硬化后形成具有强度的岩土工程材料。相比之下,流态固化技术减少了压实的工作量,处理量大,经济效益高,优点明显[4]。

流态固化土的应用主要考虑其流动度、无侧限抗压强度、耐久性等因素,一般认为流动度是其最主要的性能之一[5-6]。近年来,流态固化法是处理疏浚软土、管廊回填问题中的常用方法[7-10]。然而对于流态固化土这类流体而言,宏观的流动度指标稍显粗略,朱鹏等[11-12]借用流变学的工具探究其内在联系,推导了满足宾汉姆流体方程的流态固化土动切力和流动度的关系,且与实测数据拟合效果优异,这为流态固化土大规模浇筑提供了宝贵的指导建议。

流态固化土在实际施工中,经常受限于即拌即用的施工工艺,导致流动度波动大影响回填效果[13],一般在水泥浆中掺入起到增稠、缓凝、保水作用的水溶性聚合物[14-16]。聚丙烯酰胺(PAM)作为一种典型的水溶性聚合物,引起了国内外学者的关注[17]。通过研究发现,PAM的掺入改变了水泥砂浆的微观结构,且对其流动性产生显著影响[18];将PAM水泥净浆、胶材的流动度影响进行比较,发现随着PAM掺量的增大,二者流动度均得到降低,且水泥净浆影响更为显著[19-20]。

综上所述,PAM对水泥基材料的性能均有明显提升。然而,国内外对PAM改性流态固化土的综合研究仍然缺乏。本文以长江中下游河漫区道路工程为背景,结合现场软土的工程特性,通过室内试验确定了流态固化方案,研究了PAM对流态固化土的改善效果,对该方法的进一步推广具有一定的指导意义和参考价值。

1 软土特性及处理方法的室内试验

1.1 试验材料

本项目中的开挖土取自于南京江北新区横江大道,其基础物理力学性质如表1所示。本研究所用水泥为海螺牌PO42.5普通硅酸盐水泥,其物理性质如表2所示。所选用的PAM为阴离子型PAM。作为一种典型的水溶性聚合物,主要由疏水主链和官能团-CONH2组成[21],外观常为白色粉末状,几乎不溶于有机试剂,溶于水时呈无色黏稠胶体状、无味、pH值呈中性,当温度高于120 ℃时其物理性质不稳定。

表1 土样基本物理力学性质指标Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil samples

表2 水泥的物理性能Tab.2 Physical properties of cement

1.2 室内试验及流态固化方案

1.2.1 流动性测试

按照表3的配制方案将原状土、蒸馏水、水泥、PAM混合搅拌,搅拌后进行流动性测试。处理后的流态固化土必须具备一定的流动性,本文采用美国、日本的平板圆筒法[22],即将直径和高度为8 cm的圆筒装满流态固化土,向上提起圆筒后测量坍塌体在平板上形成的最大直径与最小直径的平均值,如图1。

图1 平板圆筒法示意图Fig.1 Schematic diagram of flat cylinder method

表3 不同PAM掺量下的流态固化室内试验配合比方案表Tab.3 Table of mix proportion schemes for flow state curing laboratory tests with different PAM dosages

1.2.2 黏滞性测试

针对70%液固比、10%水泥含量、PAM掺量为0‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰、0.5‰的流态固化土,采用黏滞性试验,分析其掺入PAM后的变化关系。黏滞性试验采用奥地利安东帕生产的MCR302旋转流变仪,适用于低黏度液体、黏弹性液体、熔体、糊状样品、交替、软固体等样品的测试。可供选择的测试模式有六种。本试验选择旋转测试模式,该模式可测得剪切应力、剪切速率等参数的相关曲线,其中剪切速率的范围为0.01 s-1～2 500 s-1,为减少时间对试验过程的影响,每次测试时间固定为10 min。

2 试验结果

2.1 流态固化土的流动性

2.1.1 液固比、水泥对流动度的影响

液固比是影响土体流动度的重要因素之一。图2表示了仅掺入10%水泥的土体流动度与液固比之间的关系。随着液固比的升高,70%、73%、76%、80%液固比所对应的流动度为292.5、322.5、382.5、432.5 mm,流动度与液固比正相关。这是因为土中大量的自由水增加了土体流动性,从而提高了流动度,这与丁建文等[8]的研究结果一致。

图2 流动度与液固比关系Fig.2 Relationship between fluidity and liquid-solid ratio

水泥的添加可以降低流态固化土的流动度,这是因为水泥与水混合之后会迅速发生水化反应,消耗了其中一部分水,所以流动度有所降低,但改善效果并不明显[23]。如图3所示,在不同液固比状态下,流态固化土的流动度随着灰土比的增大而小幅度减少。若只添加水泥降低流动度,以此符合流态固化土施工过程中对于流动度的要求,则水泥用量过大,且不经济环保。

图3 流动度与灰土比关系Fig.3 Relationship between fluidity and cement-soil ratio

2.1.2 PAM对流动度的影响

PAM的掺入可显著降低待处理回填土的流动度,以满足流态固化施工要求。由于土体液固比介于70%～80%,即使添加一定量水泥,其大多数流动度仍超过300 mm,不满足现场回填要求。不同PAM掺入量的流动度数据如图4所示。加入PAM后,不同液固比土体的流动度与掺量负相关,且掺量小于0.03%时,下降幅度最大。这是因为PAM分子链上的氨基(-NH2)可以与水分子形成氢键,从而限制了水分子的运动[24]。此外,聚合物链与氢键纠缠形成的网络结构进一步增加了分子间的吸引力[25]。为满足流动度在(200±20)mm的要求,掺量建议控制在0.02%～0.03%。

图4 PAM添加量与流动度关系Fig.4 Relationship between the amount of PAM added and fluidity

2.1.3 净流动度

从图4可知,掺入PAM后,不同液固比土体的流动度变化值略有不同。为了量化PAM增稠的效果,本文借鉴了净流动度[26]参数。

d=D-f

(1)

式中,d为净流动度;D为试验测得的流动度;f为土体试样的初始直径。

在本文流动度试验中,所用容器的直径为80 mm,因而式(1)中f取值为80 mm。净流动度消除了土体试样初始直径的影响,可以进一步真实地反映待处理土体的流动性能。

将不同液固比土体在不同PAM添加量下的净流动度值及降低比例进行了对比,结果见图5、图6。从图5可以发现净流动度与PAM掺量呈负相关,其趋势与流动度一致。由图6可得,在分别添加0.01%、0.02%、0.03%、0.05%比例的PAM后,不同液固比土体的净流动度的降低比例分别维持在70%、50%、35%、15%。以上可以表明,在添加一定比例的PAM增稠剂后,待处理土体的净流动度降低比例是基本保持一致的,因初始液固比不同波动较小。在工程实际应用中,已知某液固比下的土体在添加增稠剂后净流动度的降低比例,可以预测同类土体其他液固比条件下的净流动度,从而预测增稠剂的流动改善效果。

图5 液固比与净流动度关系Fig.5 Relationship between liquid solid ratio and net fluidity

图6 液固比与净流动度降低比例关系Fig.6 Relation between liquid-solid ratio and net fluidity reduction ratio

2.1.4 流动度讨论

本文通过室内试验证明了PAM掺量会对土体流动度产生影响。事实上,许多学者在流态固化领域已经使用其他外掺剂改善土体的流动度。通过整理现有高液固比(液固比大于两倍液限)土体改良的文章,发现不同文献在取得良好效果时所对应的外掺剂千差万别,且掺量比例未统一,不易总结出其间的规律。在混凝土领域常用外掺剂与干土比值即灰土比作为考量外掺剂的关键指标。本文受其启发,计算已有文献中发挥作用的外掺剂对应的灰土比变化值,并统计外掺剂加入前后的流动度变化值,并将数据汇总于表4。

表4 现有文献外掺剂数据汇总表Tab.4 Summary of admixture data in existing literature

通过整理分析以上学者和本文试验数据可以发现,针对高液固比土体,最初加入水泥时重塑土的流动度改变较为明显。但若想进一步降低流动度以达到施工标准,针对水泥土流动度的改善,大多数添加辅助外掺剂或继续加入水泥的措施改善效果一般,且原材料耗损量大。在对比中可以发现,本文采用的PAM可以大幅度减小水泥土的流动度以期符合流态固化施工要求,处理效果明显,且掺入比较小,可以获得较大的工程效益。

2.2 流态固化土的黏滞性

2.2.1 黏滞曲线类型

图7 黏滞曲线方程Fig.7 Viscosity curve equation

2.2.2 PAM对黏滞性的影响

水泥土与掺入0.1‰PAM的黏滞曲线如图8(a)所示,不同PAM掺量的黏滞曲线变化如图8(b)所示。总体来看,PAM的掺入可以显著提高流体的黏滞性。由图8(a)可知,水泥土和掺入PAM后的水泥土从黏滞性曲线来看,可认为是两条不过原点的直线,都为流动度较大的宾汉姆流体,因此一定掺量的PAM并没有改变流体类型。二者的剪切应力都随着剪切速率的增大而增大,但从斜率上可知,加入PAM后流体黏性增强,这说明PAM对水泥浆体的絮凝效果较好,促进了水泥浆体结构的形成[14]。从8(b)可知,PAM掺量的增加对流体黏滞性有一定的影响。四种流体的剪切应力都与剪切速率正相关,但相同的剪切速率下,PAM掺量越多,剪切应力越高,流体黏滞性越大,而黏滞性可以看作是流动度的微观体现,这与上文流动度测试的结论一致。

图8 流态固化土黏滞曲线Fig.8 Viscosity curve of fluid-solidified soil

2.2.3 时间对黏滞性的影响

图9是各流体在一定时间静置后的黏滞性曲线,易得出PAM的缓凝作用使得水泥土的黏滞性更加稳定。从图9(a)可得,随着时间的推移,水泥水化过程的发生,使得水泥土的稠度迅速增加[15],并且在100 s-1的剪切速率下,剪切应力随着时间不断增大,两个小时后剪切应力近乎提高到原来三倍。因此在工程实际中,无其他外掺剂的水泥土在搅拌后若未能迅速浇筑,则其快速黏滞的特点将极大地影响施工流程。由图9可以看出,加入0.1‰的PAM后,黏滞性在前两个小时几乎没有明显变化,相当稳定。掺入0.2‰和0.3‰PAM的水泥土虽然随着时间黏滞性发生了波动,但在相同剪切速率下,剪切应力值的波动不超过20%。但掺入0.5‰的PAM后,黏滞性波动略为明显,剪切应力最大波动接近50%,但仍然比未加PAM的水泥土稳定。

图9 流态固化土黏滞曲线与时间关系图Fig.9 Relationship between viscosity curve and time of fluid-solidified soil

PAM之所以可以稳定水泥土稠度,是因为其与水泥中Ca2+发生相互作用,延缓了C-S-H凝胶的生成[16],从而稳定了稠度。PAM易吸附在水泥颗粒表面,交联水泥颗粒。PAM也会起到润滑缓凝作用,类似于其他水溶性聚合物,但这种作用通常弱于絮凝作用。黏滞曲线的变化是絮凝效应和润滑缓凝效应相互竞争的结果。当PAM含量达到一定值时,随着时间的推移,PAM的润滑作用开始表现出优势,在水泥浆体中的润滑作用比絮凝作用更明显。PAM可以吸附在水泥颗粒表面,进一步减小了水泥与水的接触面积。这可能会导致溶液中浓度的降低,延缓水化产物的沉淀[24]。

2.2.4 拟合方程

为了定量地分析流态固化土的黏滞曲线、流动度之间的关系,各参数见表5。由表可得,流态固化土的剪切应力与剪切速率都线性相关,拟合度较好,即符合宾汉姆流体条件。随着PAM的掺入,动切力与黏滞系数因PAM的絮凝作用均得到了提升[11]。同时可以发现,宏观层面的流动度与黏滞参数也存在某种联系。我们通常认为黏滞系数表征了流体开始流动后流动快慢,而动切力则决定了流体在力作用(土体自重)下能否进行流动。黄英豪等[12]通过幂函数拟合了流动度与动切力的关系,因此本文也对二者进行幂函数拟合,详见图10。该函数较好地拟合了动切力与宏观流动度的关系,我们可以看出黏滞参数是决定软土宏观流动性的内在原因,拟合方程很好地将二者紧密连接起来,这对今后大规模的流态固化施工具有一定的参考价值。

图10 动切力与流动度关系Fig.10 Relationship between dynamic shear force and fluidity

表5 黏滞曲线参数Tab.5 Viscosity curve parameters

3 结论

1)仅掺入水泥时,液固比是影响流态固化土的重要指标之一。随着灰土比的增加,流动度虽然有所降低,但影响不显著。PAM的掺入可以快速降低含水泥流态固化土的流动度。针对液固比为70%～80%的软土,PAM的掺量为0.02%～0.03%时,工程效果最佳。

2)不同初始含水率的水泥土在添加一定比例的PAM后其净流动度降低比例处于相同水平。PAM的加入缓解了前2个小时水泥固化土快速硬化的缺陷,有效地提高了施工流程的自由度。

3)提出了可以预测软土流态固化土动切力和流动度关系的经验公式,此公式可为流态固化土大规模浇筑提供设计参数和施工指导。