雙聚雙交聯(lián)固化黃土抗壓試驗(yàn)及機(jī)理研究

任 童，裴向軍，朱利君，張曉超

（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

黃土結(jié)構(gòu)常會(huì)出現(xiàn)變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行加固。土壤固化劑作為一種新型工程材料能改善土壤性質(zhì)和土體結(jié)構(gòu)，通過(guò)凝聚和膠結(jié)作用把細(xì)粒土變?yōu)檩^大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減少土顆粒之間的孔隙，提高土體的強(qiáng)度。但是這些土壤固化劑最重要的問(wèn)題是強(qiáng)度低，容易發(fā)生脆性破壞，不能完全滿足實(shí)際工程施工需要。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多單位和學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始了長(zhǎng)期的研究和探索。董邑寧等［1］采用固化劑ZDYT-1加固蕭山黏土，分析了摻入比和含水率對(duì)強(qiáng)度的影響，描述了抗壓強(qiáng)度與變形系數(shù)的關(guān)系。賀智強(qiáng)等［2］分析了木質(zhì)素加固黃土的工程特性。劉瑾等［3］選取聚氨酯型固化劑對(duì)砂性土進(jìn)行改良，分析了改良砂性土的破壞模式，得出聚氨酯型固化劑改良砂性土最佳摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間。裴向軍等［4］發(fā)現(xiàn)改性CMC通過(guò)滲析與膠結(jié)作用，能提高土體水穩(wěn)性和抗沖蝕性。張虎元等［5］探討了抗疏力固化劑在我國(guó)黃土地區(qū)運(yùn)用的可行性。張麗萍等［6］研究得出了SSA固化劑在黃土中使用的最佳摻量和養(yǎng)護(hù)齡期。本文選取雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑對(duì)黃土進(jìn)行改良，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等參數(shù)，研究固化劑摻量、干密度、養(yǎng)護(hù)條件對(duì)固化黃土的影響，分析其應(yīng)力應(yīng)變特性、破壞模式及加固機(jī)理，為黃土加固過(guò)程中該固化劑的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括陜西延安Q3黃土和雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑。黃土的天然密度為1.60 g/cm3，天然含水率為1.7%，液限為26.1%，塑限為15.7%，塑性指數(shù)為10.4。雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑是由兩種有機(jī)溶液和兩種無(wú)機(jī)溶液通過(guò)混合形成的復(fù)合型材料，外觀為透明的無(wú)色水溶液，無(wú)刺激性氣味，無(wú)毒無(wú)害，表觀黏度為16～17 mPa·s。

1.2 試驗(yàn)方法

把烘干黃土過(guò)2 mm篩，制備固化劑摻量C分別為18%、20%、22%、24%、26%，干密度ρd分別為1.40、1.45、1.50 g/cm3的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，抗壓強(qiáng)度試樣在50 mm（直徑）×100 mm（高）的圓柱形模具內(nèi)手工壓實(shí)，在室內(nèi)通風(fēng)干燥處自然養(yǎng)護(hù)。通過(guò)CSS-44100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定養(yǎng)護(hù)好的試樣的抗壓強(qiáng)度，每組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為3個(gè)平行試樣結(jié)果的算術(shù)平均值，當(dāng)平均值和單個(gè)試樣的測(cè)試值之間的差異超過(guò)平均值的±15%時(shí)，剔除該試樣的測(cè)試值，計(jì)算剩下2個(gè)試樣的平均值。把素黃土（不摻加固化劑）設(shè)為對(duì)照組，分析固化黃土的抗壓強(qiáng)度特性及影響因素。

2 結(jié)果分析

2.1 固化黃土抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量的關(guān)系

由圖1可以看出，固化黃土抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量成線性關(guān)系，而且相關(guān)性較好（確定系數(shù)R2都在0.9以上）。另外，固化黃土的強(qiáng)度隨摻量的增大而增大，干密度為1.40 g/cm3時(shí)，C=20%、22%、24%、26%對(duì)應(yīng)的固化黃土強(qiáng)度相比于C=18%時(shí)增長(zhǎng)幅度分別為6.82%、29.18%、27.56%、5.92%，干密度為1.45 g/cm3時(shí)對(duì)應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度分別為26.50%、45.35%、13.54%、13.71%，在這兩種干密度下，C由20%增長(zhǎng)到22%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，之后增長(zhǎng)幅度放緩；干密度為1.50 g/cm3時(shí)，C=18%、22%、24%對(duì)應(yīng)的固化黃土強(qiáng)度相比于C=0%時(shí)增長(zhǎng)幅度分別為15.42%、24.62%、15.46%，C=24%、26%時(shí)固化黃土的強(qiáng)度降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)干密度較大時(shí)，土粒之間的孔隙較小，固化劑摻量較大時(shí)，試樣比表面積有限，吸附不了這么多固化劑，導(dǎo)致固化黃土成形后因塑性過(guò)大而影響了試樣的脫模，同時(shí)固化黃土實(shí)際含有的固化劑沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)摻量，強(qiáng)度降低。因此，應(yīng)基于實(shí)際工程的需要選用固化劑的摻量。

圖1 固化黃土抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量的關(guān)系

2.2 固化黃土抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

由圖2可以看出，固化黃土的強(qiáng)度相比素黃土大幅提高。

圖2 固化黃土抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

C=18%、20%時(shí)固化黃土抗壓強(qiáng)度隨干密度的增大而增大。C=22%～26%時(shí)固化黃土抗壓強(qiáng)度隨干密度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。因此，干密度在1.40～1.45 g/cm3范圍變化時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化明顯，干密度在1.45～1.50 g/cm3范圍變化時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:固化劑的黏結(jié)力和外部的夯擊搗實(shí)能量是決定固化黃土單軸抗壓強(qiáng)度的兩個(gè)主要因素。干密度較小時(shí)，固化劑的黏結(jié)作用大于夯擊作用，所以抗壓強(qiáng)度變化明顯；干密度較大時(shí)，夯擊作用遠(yuǎn)大于固化劑的黏結(jié)作用，所以抗壓強(qiáng)度變化不明顯。同時(shí)在夯擊作用下，顆粒間孔隙變得非常窄，較小的固化劑摻量有助于抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但摻量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)就起不了黏結(jié)作用了，甚至出現(xiàn)冒漿的現(xiàn)象，抑制抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)，所以強(qiáng)度先增大后減小。

2.3 固化黃土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)條件的關(guān)系

對(duì)干密度為1.50 g/cm3，固化劑摻量分別為0%、18%、20%、22%、24%、26%的試樣，對(duì)比烘干養(yǎng)護(hù)和自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)兩種條件下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖3可知，烘干養(yǎng)護(hù)的固化黃土的抗壓強(qiáng)度稍高于自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)固化黃土的。原因是烘干條件下溫度較高，試樣中水分揮發(fā)到空氣中的速率較快，固化劑形成的網(wǎng)狀膜硬化速率更快，這種網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)對(duì)土顆粒的連接和包裹作用有助于固化黃土強(qiáng)度的增大；與烘干養(yǎng)護(hù)持續(xù)高溫干燥的環(huán)境相比，在環(huán)境濕度相對(duì)較大的自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)條件下，固化黃土可能在干燥后又吸收空氣中的水分，延緩網(wǎng)狀膜的失水硬化，從而出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖3 固化黃土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

本文將應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力定義為抗壓強(qiáng)度（qu），相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變（εf），固化黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線的非線性使得其變形模量隨著應(yīng)力的變化而變化，并非定值。取抗壓強(qiáng)度的1/2與其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值的比值即應(yīng)力從0至qu間曲線的割線斜率作為固化黃土平均變形模量（E50）。類似地，采用抗壓強(qiáng)度與其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值的比值即應(yīng)力變化由0至qu曲線的割線斜率作為固化黃土極限變形模量（Ef）。

（1）破壞應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。當(dāng)固化黃土遭受壓縮破壞時(shí)，評(píng)價(jià)固化黃土變形特征的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是破壞應(yīng)變。破壞應(yīng)變小，材料為脆性破壞；破壞應(yīng)變大，則可認(rèn)為材料韌性較好。韌性材料常常被認(rèn)為是理想工程材料。圖4為固化黃土抗壓強(qiáng)度與破壞應(yīng)變的關(guān)系。由圖4可知，破壞應(yīng)變隨抗壓強(qiáng)度的增大而減小，當(dāng)干密度為1.40、1.45 g/cm3時(shí)，破壞應(yīng)變基本分布在0.4%～1.1%之間；當(dāng)qu＜600 kPa時(shí)，破壞應(yīng)變絕大部分分布在0.8%～1.1%之間，降低幅度大；當(dāng)qu＞600 kPa時(shí)，破壞應(yīng)變分布在0.4%～0.6%之間，降低幅度逐漸變小。當(dāng)干密度為1.50 g/cm3時(shí)，破壞應(yīng)變基本分布在0.6%～1.8%之間，降低幅度變化較小?？蓪⑵茐膽?yīng)變與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系擬合為乘冪關(guān)系，即εf=aqbu。其中:a、b為常數(shù)，當(dāng)干密度為1.40、1.45 g/cm3時(shí)，a=32.33、b=-0.592 0，確定系數(shù)R2=0.870 1；當(dāng)干密度為1.50 g/cm3時(shí)，a=9.48×10-6、b=-2.278 4，R2=0.931 4。雖然個(gè)別點(diǎn)存在偏離，但是大部分點(diǎn)能較為明顯地反映變化趨勢(shì)。

圖4 破壞應(yīng)變與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

（2）E50（Ef）與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。變形模量作為表征材料抵抗彈塑性變形能力的參數(shù)，可以用無(wú)側(cè)限條件下壓應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比來(lái)計(jì)算。計(jì)算E50（Ef）并點(diǎn)繪成圖（見(jiàn)圖5）可以發(fā)現(xiàn)，E50（Ef）與qu之間的關(guān)系為線性，擬合式為

（3）應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系擬合。土體應(yīng)力應(yīng)變曲線常用雙曲線方程σ=ε/（a+bε）［7］擬合，可變換為ε/σ=a+bε，其中ε為應(yīng)變，σ為應(yīng)力，a、b為參數(shù)，由此可見(jiàn)應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系。由試驗(yàn)結(jié)果可知，固化黃土應(yīng)力應(yīng)變并不是線性關(guān)系，所以使用雙曲線方程來(lái)擬合并不理想。由于固化黃土在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，試驗(yàn)條件對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變曲線下降段有所影響，精度達(dá)不到要求，因此選取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升段進(jìn)行研究，最后選用拋物線進(jìn)行模擬，擬合方程如下:

圖5 E50（E f）與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

以σ/qu為縱坐標(biāo)、ε/εf為橫坐標(biāo)，繪制實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖，試驗(yàn)參數(shù)A、B見(jiàn)表1。以干密度ρd=1.45 g/cm3為例（見(jiàn)圖6），實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線和模擬的拋物線曲線吻合情況較雙曲線模擬有明顯的改善。曲線在應(yīng)力應(yīng)變初期和彈塑性階段存在一定的偏差，彈性階段吻合效果令人滿意，這說(shuō)明拋物線模擬可以較好地反映實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本特征，但拋物線曲線對(duì)破壞后的點(diǎn)不能擬合。

表1 固化黃土拋物線模擬參數(shù)A、B值

圖6 固化黃土（干密度1.45 g/cm3）應(yīng)力應(yīng)變拋物線模擬

2.5 固化黃土的破壞方式

如圖7所示，素黃土有明顯的破壞面，整個(gè)試樣被破壞面貫穿；C=22%的固化黃土剪切破壞依然較明顯，但網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)與土顆粒牢固地黏結(jié)成為整體，使得裂縫短而窄；C=24%的固化黃土網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)作用進(jìn)一步增強(qiáng)，破壞形式為側(cè)面破裂，并在底部剝離一圈較薄的土塊（見(jiàn)圖8），但不會(huì)斷開(kāi)，內(nèi)部完整性較好。固化劑摻量為26%的固化黃土側(cè)向開(kāi)裂最為明顯，裂縫相比摻量為24%的固化黃土進(jìn)一步變短變窄，內(nèi)部完整性最好。說(shuō)明固化黃土的破壞方式與雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑形成的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

圖7 試樣破壞形態(tài)

圖8 試樣底部破壞形態(tài)

2.6 固化黃土的微觀分析

通過(guò)掃描電鏡（SEM）獲得土體微觀結(jié)構(gòu)照片，其中典型照片見(jiàn)圖9。由圖9可知，摻入固化劑的土樣明顯比未摻入固化劑的土樣更加密實(shí)，可發(fā)現(xiàn)雙聚雙交聯(lián)材料以白色物質(zhì)的形式附著在土顆粒表面和邊緣，其在顆粒間形成微觀致密的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)進(jìn)一步纏繞約束土顆粒，存在于固化劑中的活性官能團(tuán)吸附在土顆粒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顆粒間的相互聯(lián)系得到增強(qiáng)，從而改善了土體的強(qiáng)度。同時(shí)利用IPP（Image-Pro Plus 6.0）軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行定量分析，得出未摻入固化劑的試樣孔隙率為33%，平均孔隙面積為2.60μm2，摻入固化劑的試樣孔隙率為11.58%，平均孔隙面積為1.96μm2。加固化劑前后孔隙數(shù)量變化見(jiàn)圖10。雙聚雙交聯(lián)材料使得土顆粒間排列更緊密，孔隙面積減少，孔隙比降低，外力對(duì)其破壞更加困難，說(shuō)明雙聚雙交聯(lián)材料可以有效提高土體強(qiáng)度。

圖9 SEM照片

圖10 加固化劑前后孔隙數(shù)量變化

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑加固黃土的強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論:

（1）固化黃土抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系曲線呈拋物線形，干密度較小時(shí)，固化黃土的強(qiáng)度隨摻量的增加而增大，抗壓強(qiáng)度變化明顯；干密度較大時(shí)，固化黃土的強(qiáng)度隨摻量的增大先增大后減小，抗壓強(qiáng)度變化不明顯。

（2）烘干養(yǎng)護(hù)的固化黃土的抗壓強(qiáng)度稍高于自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)的固化黃土。

（3）固化黃土破壞應(yīng)變隨抗壓強(qiáng)度的增大而減小，為乘冪關(guān)系，變形模量與抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系，單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線可用拋物線較好地?cái)M合。

（4）固化黃土的破壞方式與雙聚雙交聯(lián)土壤固化劑形成的網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。這種網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)使得黃土顆粒間排列更緊密，孔隙面積減小，孔隙比降低，有效提高了黃土強(qiáng)度。