摘" 要：針對(duì)砂性土黏聚力低顆粒松散的問(wèn)題，采用聚氨酯對(duì)砂性土進(jìn)行固化處理。分別制備不同聚氨酯固化劑含量、不同類(lèi)型聚氨酯和不同密度的聚氨酯固化砂樣品，并采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)聚氨酯固化砂性土的抗壓性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明，聚氨酯固化劑含量的增加可提高砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但對(duì)峰值應(yīng)變的影響不大，為聚氨酯固化劑在巖土工程中的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：砂性土;聚氨酯;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;溫度;應(yīng)力-應(yīng)變曲線

中圖分類(lèi)號(hào)：TU441.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0069-05

Abstract： In order to solve the problem of low cohesion and loose particles of sandy soil， polyurethane was used to solidify sandy soil. Polyurethane cured sand samples with different polyurethane curing agent content， different types of polyurethane and different density were prepared， and the unconfined compressive strength was used to characterize the compressive properties of polyurethane solidified sandy soil. The results show that the increase of the content of polyurethane curing agent can improve the unconfined compressive strength of sandy soil， but has little effect on the peak strain， which provides some data reference for the application of polyurethane curing agent in geotechnical engineering.

Keywords： sandy soil; polyurethane; unconfined compressive strength; temperature; stress-strain curve

土體的黏聚力、摩擦力和剛度是巖土工程中的重要技術(shù)指標(biāo)[1]。砂土黏聚力弱導(dǎo)致砂層結(jié)構(gòu)松散，極易發(fā)生液化、滑坡、沖蝕、崩塌等現(xiàn)象[2]。砂土常見(jiàn)于邊坡處理、路基施工、地下開(kāi)挖等重要的巖土工程項(xiàng)目中，在水流、地震和其他地質(zhì)因素或人類(lèi)活動(dòng)的影響下，未經(jīng)處理的砂體極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)而造成嚴(yán)重的工程事故和經(jīng)濟(jì)損失[3]。例如，地震時(shí)砂土液化造成的砂層下沉和沙土涌出[4];臨水砂土邊坡在水侵蝕下發(fā)生顆粒變細(xì)、路堤坍塌和土壤養(yǎng)分流失;在基坑和地下工程開(kāi)挖過(guò)程中，容易引發(fā)涌水、流砂及基坑壁坍塌等問(wèn)題。因此，砂性土必須通過(guò)一些改良方法進(jìn)行改性后，方能滿足巖土結(jié)構(gòu)安全和工程建設(shè)的需要。工程建設(shè)中常用水泥、石灰、粉煤灰等作為土體的固化材料，這些添加劑通過(guò)與土壤中的水分或其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，與土壤形成板結(jié)的整體，從而有效提高了砂性土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[5-6]。但是，該類(lèi)型固化方法改良后的土體脆性較大，當(dāng)荷載引起的應(yīng)力超過(guò)板結(jié)土體的屈服應(yīng)力時(shí)，土體結(jié)構(gòu)極易發(fā)生突然失穩(wěn)[7]。此外，這些傳統(tǒng)的化學(xué)添加劑會(huì)改變土壤結(jié)構(gòu)，提高周?chē)h(huán)境的pH，這一效應(yīng)對(duì)植物生長(zhǎng)和自然環(huán)境是十分不利的[8]。

近年來(lái)，聚合物在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用受到了越來(lái)越多的關(guān)注，由于其具備固化高效、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在土壤加固中具有良好的應(yīng)用前景。聚合物土壤固化劑分子上的官能團(tuán)，可與土壤表面的分子或離子結(jié)構(gòu)發(fā)生物化作用，進(jìn)而有效提高土壤顆粒間的黏聚力，提高土壤的力學(xué)強(qiáng)度。Lee等[9]對(duì)比了水泥和黃原膠生物聚合物分別作為穩(wěn)定劑土壤的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，驗(yàn)證了黃原膠生物聚合物作為土壤穩(wěn)定劑的可行性，黃原膠生物聚合物可以有效提高土壤的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和延展性。Rezaeimalek等[10]采用亞甲基二苯基二異氰酸酯（MDI）與水對(duì)砂性土進(jìn)行了固化處理，研究表明在聚合物與水的比例為2∶1時(shí)，被穩(wěn)定土壤的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)5 000 kPa，且經(jīng)過(guò)750微應(yīng)變幅度100萬(wàn)次的疲勞作用后，被穩(wěn)定的土體仍然可以線彈性承載，說(shuō)明該方法下固化的砂性土耐疲勞性能優(yōu)異。Ma等[11]將聚氨酯有機(jī)聚合物與劍麻纖維應(yīng)用于砂性土的力學(xué)性能改良，增加聚合物含量、纖維含量和干密度對(duì)聚合物-纖維-砂復(fù)合材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直接抗拉強(qiáng)度具有顯著的提升作用。聚合物和纖維復(fù)合加固可以有效地防止應(yīng)力作用下裂縫的擴(kuò)展和發(fā)展。Xiao等[12]發(fā)現(xiàn)聚氨酯有機(jī)聚合物泡沫處理的土壤具有較好的強(qiáng)度和延展性，聚氨酯泡沫膠黏劑改良土壤的脆性指數(shù)比石灰加固的土壤的脆性指數(shù)低得多。Tao等[13]針對(duì)鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度低、可壓縮性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用聚氨酯泡沫膠黏劑對(duì)原生土壤進(jìn)行了化學(xué)固土處理。一系列三軸固結(jié)排水試驗(yàn)和加州承載力比試驗(yàn)表明，聚氨酯泡沫膠黏劑能有效改善鈣質(zhì)砂的力學(xué)性能。顆粒級(jí)配對(duì)穩(wěn)定鈣質(zhì)砂的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)有顯著影響。王銀梅等[7，14-15]自主研發(fā)了SH型固沙劑，改良后的土壤的抗剪強(qiáng)度和持水性得到了顯著增強(qiáng)。Liu等[16]針對(duì)砂性土結(jié)構(gòu)松散的問(wèn)題分別開(kāi)發(fā)了OPS有機(jī)高分子土壤固化劑[17]、STW生態(tài)土壤穩(wěn)定劑[18-19]和聚氨酯型固沙劑[20]等多種砂性土改良料，并對(duì)改良后的砂性土進(jìn)行強(qiáng)度、抗沖刷、滲透及抗風(fēng)蝕等測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)高分子土壤固化劑能夠很好地增強(qiáng)土體黏聚力[21]、促進(jìn)表層固化[22]、減少水土流失[20]，可用于坡面防護(hù)、水土保持、防塵固沙、沙漠化治理等[21]。王穎等[23]采用核磁共振技術(shù)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試研究了聚氨酯固化后砂土的微觀性能和抗壓強(qiáng)度特性，揭示了浸水作用對(duì)聚氨酯固化沙土的圍觀性能和力學(xué)強(qiáng)度的影響?？追避幍萚24]通過(guò)對(duì)不同濃度、相同密度和特定濃度不同密度的高分子固化劑改良砂土進(jìn)行的壓縮特性研究發(fā)現(xiàn)，密度恒定時(shí)，沙土壓縮模量和壓縮回彈模量均隨高分子固化劑濃度的增加而增大，而壓縮系數(shù)則隨高分子固化劑濃度的增加而減小;而當(dāng)高分子固化劑濃度恒定時(shí)，壓縮模量和壓縮回彈率隨砂土密度增大而增大，而壓縮系數(shù)隨砂土密度增大而減小。

上述研究表明，與水泥、石灰、粉煤灰等傳統(tǒng)的土體固化材料相比，聚合物固化土壤固化養(yǎng)生時(shí)間短、固化強(qiáng)度高、可賦予板結(jié)土體一定的延展性，滿足對(duì)土體力學(xué)強(qiáng)度的要求，可以防止土體的突然失穩(wěn)。此外，部分有機(jī)聚合物固化材料還可以為植物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境，具備良好的環(huán)保性[25]。值得注意的是高分子聚合物多具備一定的溫度敏感性，以往的研究多在室溫條件下進(jìn)行，因此開(kāi)展對(duì)高分子固化土壤在不同溫度下的力學(xué)特性研究是十分有必要的。聚氨酯具有合成便捷、固化時(shí)間可調(diào)、力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異等特點(diǎn)，本文采用雙組分聚氨酯作為固化劑對(duì)砂性土進(jìn)行了改良，分析了不同聚氨酯用量、不同固化劑、不同干密度對(duì)聚氨酯固化砂性土在高低溫下的壓縮力學(xué)性能的影響。為高分子固化劑改良砂性土不同溫度下的強(qiáng)度特性分析和在巖土工程中的應(yīng)用提供一定的理論參考。

1" 試驗(yàn)材料和方法

1.1" 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用砂性土取自蘿北縣云山石墨新材料有限公司年產(chǎn)20萬(wàn)t石墨精粉選礦工程項(xiàng)目尾礦庫(kù)EPC總承包項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)。所用聚氨酯固化劑為自制雙組分聚氨酯，A組分為異氰酸酯：密度為1.23 g/cm3，黏度為210 MPa·s，水解氯≤0.2%;B組分為聚醚多元醇，含水量≤0.05%，密度為1.08 g/cm3，黏度為170 MPa·s。

1.2" 試樣制備和試驗(yàn)方法

將砂土樣品自然風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，將聚氨酯固化劑按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、3%和5%分別與砂土混合制備不同聚氨酯固化劑含量的試樣;制備A和B組分分別為0.85∶1（PU-1）、1∶1（PU-2）和1.15∶1（PU-3）的3種聚氨酯預(yù)聚體作為固化劑，以聚氨酯固化劑總含量為3%制備固化砂土樣品;在聚氨酯固化劑含量為3%恒定的前提下，制備密度分別為1.4、1.5、1.6 g/cm3的樣品。試樣的制備按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的方法進(jìn)行，試樣尺寸為直徑39.1 mm×高度80 mm，采取靜壓法成型，成型后靜置48 h后，將樣品分別置于-18 ℃、25 ℃和60 ℃環(huán)境箱中保溫24 h后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試方法按JTG E40—2007中規(guī)定的方法進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)平行試樣的算數(shù)平均值。

2" 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1" 聚氨酯用量的影響

由圖1可知，聚氨酯固化劑含量越高，固化后砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。聚氨酯凝膠包裹砂土顆粒后在固化后的樣品中形成一個(gè)聯(lián)結(jié)交錯(cuò)的三維網(wǎng)絡(luò)是聚氨酯固化砂性土樣品形成強(qiáng)度的原因，固化劑含量增加可使包裹砂土顆粒的膠凝膜厚度增加，也可以更好地填充砂土顆粒間的空隙。此外，由圖1還可以發(fā)現(xiàn)，相同固化劑含量的砂土樣品在不同溫度下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不同。隨著溫度由-18 ℃升高至60 ℃，聚氨酯固化砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是由于聚氨酯是一種具備一定的溫度敏感性有機(jī)高分子材料，其力學(xué)強(qiáng)度主要源自于分子間的化學(xué)鍵。溫度升高后分子鏈間的相互作用減弱，作用力減小，對(duì)外荷載的抵抗能力降低。

聚氨酯含量越小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越平緩;聚氨酯固化劑含量越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰形越顯著;說(shuō)明聚氨酯固化劑含量增加可以有效增加砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)固化劑含量較低時(shí)，包裹砂土顆粒的聚氨酯較少，在固化基體內(nèi)部形成的內(nèi)聚力較低;當(dāng)固化劑含量增加，砂土顆粒逐漸被足夠的聚氨酯黏結(jié)劑所包裹，樣品的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力逐漸增強(qiáng);固化劑含量繼續(xù)增加，在所有砂土顆粒被足夠的聚氨酯包裹的同時(shí)，砂土顆粒間的空隙也逐漸被聚氨酯填充，進(jìn)而可以繼續(xù)改善砂土的力學(xué)強(qiáng)度，但過(guò)多的固化劑會(huì)在重力作用下積聚在試樣的底部，無(wú)法均勻分散在砂土中，對(duì)試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)并不顯著。

由圖1還可以發(fā)現(xiàn)，相同含量固化劑的試樣高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平緩，低溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰形更加顯著，而常溫下的應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀介于二者之間。這是因?yàn)楣袒暗膹?qiáng)度幾乎全部源自于聚氨酯與砂土顆粒間的黏結(jié)和聚氨酯在砂土顆粒間的橋接作用，而聚氨酯作為一種高分子材料，高溫使分子間的作用力減弱，分子鏈在荷載作用下產(chǎn)生位移，使材料具備了一定的延展性;而低溫作用下，聚氨酯逐漸由彈性體狀態(tài)向玻璃態(tài)過(guò)渡，分子鏈的柔順度降低，變形能力降低，導(dǎo)致樣品發(fā)生脆性破壞。

2.2" 聚氨酯硬段（軟段）含量的影響

3種聚氨酯固化砂性土在-18 ℃與常溫25 ℃間的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差24.3%～27.0%，而與高溫60 ℃下樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差近40.7%～50.9%。此外，固化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨聚氨酯中的硬段含量增加而提高。在聚氨酯固化劑用量恒定的情況下，增加聚氨酯中硬段的含量即增加異氰酸酯的用量將會(huì)使固化后形成的聚氨酯內(nèi)聚能增大，交聯(lián)程度增加，分子鏈結(jié)晶程度增加結(jié)構(gòu)規(guī)整，材料的硬度、剛度和強(qiáng)度都會(huì)增加。

由圖2可知，聚氨酯固化砂性土在高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線先緩慢增長(zhǎng)至峰值后逐漸下降并趨于穩(wěn)定;常溫下的聚氨酯固化砂性土呈現(xiàn)出更為明顯的峰形，峰值荷載較高溫時(shí)有所提升，但峰值荷載所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小;低溫下聚氨酯固化砂性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并未呈現(xiàn)出完整的峰形曲線，尤其是PU-3型聚氨酯固化砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值荷載后立即破壞，試樣完全失去了塑性變形能力。這一現(xiàn)象表明低溫可提升樣品的抗壓強(qiáng)度，但會(huì)削弱樣品的變形能力;而高溫則可以提升樣品的變形能力，但其承載能力較低。各溫度下3種樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值關(guān)系為PU-3gt;PU-2gt;PU-1，而峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和試件失效時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變關(guān)系為PU-3lt;PU-2lt;PU-1，尤其是PU-3固化劑固化后的樣品，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在高溫下可達(dá)400 kPa，但是其極限應(yīng)變僅為15%。這是因?yàn)樵诠潭ň郯滨ズ康那疤嵯?，增加聚氨酯種的硬段，其軟段就會(huì)相應(yīng)地減少。硬段增加會(huì)提高聚氨酯的交聯(lián)度，聚氨酯內(nèi)的結(jié)晶程度增加，內(nèi)聚能增加，分子鏈的空間位阻加大，分子運(yùn)動(dòng)阻力增加，這就使得聚氨酯主鏈剛性增大，降低了聚氨酯分子鏈的柔順性，而低溫又會(huì)加劇這一效應(yīng)。反之，硬段含量少軟段含量多的聚氨酯固化劑，固化后的交聯(lián)度小，分子內(nèi)的結(jié)晶程度低，內(nèi)聚能小，分子鏈位移的阻力較小，體現(xiàn)在宏觀力學(xué)性能上即為樣品的抗壓強(qiáng)度降低，但其分子鏈柔順變形能力增強(qiáng)，溫度越高這一效應(yīng)越顯著。

2.3" 密度的影響

由圖3可知，隨著密度由1.4 g/cm3增加至1.6 g/cm3，聚氨酯固化砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在60 ℃、25 ℃和-18 ℃下分別增長(zhǎng)了15.7%、18.7%和22.1%。隨著樣品密度的增加，單位體積內(nèi)砂的顆粒數(shù)量增加，從而使顆粒間的空隙減小，其可壓縮性降低，能夠提供更大的承載能力。而同一密度下的聚氨酯固化砂性土在不同溫度下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由于聚氨酯固化劑的溫度敏感性，同樣呈現(xiàn)出高溫低強(qiáng)、低溫高強(qiáng)的特點(diǎn)。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同密度樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值不同，密度越大峰值越大，在達(dá)到峰值前各密度下的聚氨酯固化砂性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，差異并不顯著。密度對(duì)峰值后的應(yīng)變延伸也影響不大，各密度下的延伸性能基本相同。高溫狀態(tài)下3種密度的樣品變形能力較好，應(yīng)變率可延伸至20%;常溫下3種密度樣品變形能力關(guān)系為ρ=1.4 g/cm3lt;ρ=1.5 g/cm3lt;ρ=1.6 g/cm3;低溫下3種密度的樣品在峰值荷載后均基本喪失了塑性變形能力。

3" 結(jié)論

本研究制備了不同聚氨酯固化劑含量、不同類(lèi)型聚氨酯固化劑和不同干密度的砂土樣品，采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試了聚氨酯固化砂性土樣品在不同溫度下的抗壓力學(xué)特性，得出以下結(jié)論。

1）隨著聚合物含量的增加，聚氨酯間結(jié)合強(qiáng)度和分布密度提高，砂性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著聚氨酯固化劑含量的增加而提高，但對(duì)峰值應(yīng)變的影響不大，聚氨酯含量為4%時(shí)樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度最為顯著。

2）聚氨酯的軟硬段比例對(duì)固化后的砂性土的抗壓強(qiáng)度影響顯著，增加硬段減少軟段可以提升穩(wěn)定砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但對(duì)試樣的延展性不利。減少硬段而增加軟段有助于提升試樣的延展性，但對(duì)強(qiáng)度提升不利。合理控制軟硬段比例是固化砂性土獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

3）聚氨酯固化砂性土密度的增加不影響應(yīng)力-應(yīng)變趨勢(shì)，但密集的砂土顆粒有效減少了固化后的空隙率，強(qiáng)度性能顯著提高。

4）聚氨酯通過(guò)包裹砂土顆粒和聯(lián)結(jié)被包裹的顆粒單元在固化樣品內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的整體，表現(xiàn)出了較為良好的力學(xué)強(qiáng)度特性，但聚氨酯固化砂性土在不同溫度下的抗壓力學(xué)特性不同，呈現(xiàn)出高溫低強(qiáng)大變形，低溫高強(qiáng)小變形的特點(diǎn)。在聚氨酯固化劑的工程應(yīng)用中，其高溫變形失穩(wěn)和低溫脆斷失穩(wěn)問(wèn)題應(yīng)被予以重視。

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