考慮顆粒級(jí)配影響的高聚物改良鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

陳青生， 李宇軒， 肖衡林， 彭 彎， 張琎煒

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430068)

鈣質(zhì)砂是海洋生物成因的特殊巖土介質(zhì)，其富含碳酸鈣、碳酸鎂以及其他難溶碳酸鹽類物質(zhì)，廣泛分布于中國(guó)南海海域，其特殊的形成機(jī)制，生成了高孔隙比、內(nèi)摩擦角大、顆粒形狀不規(guī)則、顆粒易破碎等特征，使其工程力學(xué)性質(zhì)與陸源砂相比有顯著的區(qū)別[1-5]。中國(guó)對(duì)于南海南沙群島的開發(fā)與利用將隨著“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出而進(jìn)一步加強(qiáng)，其中各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和使用過程中將不可避免出現(xiàn)鈣質(zhì)砂地基問題[6]。若直接采用鈣質(zhì)砂作為地基土體，很容易出現(xiàn)地基不均勻沉降。因此，對(duì)南海鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行地基加固處理十分必要。

然而，當(dāng)前中外對(duì)鈣質(zhì)砂地基處理的研究尚處于初步探索階段，鈣質(zhì)砂地基評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)尚無(wú)規(guī)范可借鑒[7]。采用水泥、石灰等固化劑改良土體特性是當(dāng)前地基處理最有效的方法之一。然而，一方面，固化土體強(qiáng)度雖然可大幅度提升, 但其剛度和脆性也顯著提高，機(jī)場(chǎng)跑道、道路路基等在動(dòng)荷載作用下，極易出現(xiàn)道面斷裂和地基不均勻沉降，嚴(yán)重影響其正常運(yùn)行，易造成安全事故；另一方面，大量使用水泥等強(qiáng)堿性固化劑將破化土體酸堿平衡，嚴(yán)重危及海洋植被生長(zhǎng)，破壞海洋生態(tài)。當(dāng)前，澳大利亞等一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家已明文規(guī)定限制水泥、石灰等強(qiáng)堿性固化劑在地基處理中的使用[8-10]。因此，對(duì)南海鈣質(zhì)砂地基，特別是機(jī)場(chǎng)跑道、路基等，若能采用柔韌性、抗裂性能較好且環(huán)保的膠凝材料，使改良土體強(qiáng)度提高明顯，但剛度變化不大，則可望明顯改善鈣質(zhì)砂不良工程特性，從而作為回填材料廣泛應(yīng)用于南海島礁建設(shè)。

高聚物是一種高分子量化合物，由大量相同的、簡(jiǎn)單的基本鏈節(jié)作為結(jié)構(gòu)單元經(jīng)由共價(jià)鍵重復(fù)連接而成，研究表明以聚氨酯泡沫膠黏劑為代表的高聚物具有良好的材料特性[11]，如強(qiáng)度提高快、密度小、黏結(jié)性高、韌性好、環(huán)保持久，是非水敏感性材料，長(zhǎng)期不干縮、不變質(zhì)。近年來(lái)，許多中外學(xué)者開始嘗試將高聚物在巖土工程領(lǐng)域展開應(yīng)用。例如：劉建成[12]進(jìn)行了聚氨酯砂土固結(jié)機(jī)理的研究，并將其應(yīng)用于新疆吉木乃縣的某處砂土質(zhì)邊坡坡面防護(hù)，取得了良好的砂土固化效果。張猛[13]對(duì)高聚物材料以及混合料的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)的探究，確定了統(tǒng)一的施工過程。此外，一些學(xué)者還將高聚物應(yīng)用于改良堆石料力學(xué)特性，例如：劉漢龍等[14-15]、劉平等[16]通過試驗(yàn)研究指出，高聚物可填充堆石顆粒間孔隙，增強(qiáng)堆石顆粒之間的膠結(jié)能力，能有效減少顆粒破碎、重組顆粒排列，減小殘余變形，其表現(xiàn)出良好的抗震性能。然而，利用高聚物對(duì)顆粒多孔隙、形狀不規(guī)則、且極易破碎的鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行地基加固的研究至今尚無(wú)人問津。

鑒于此，本文以中國(guó)南海某島礁典型回填工程為背景，提出采用環(huán)保固化劑高聚物對(duì)鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固。通過開展直接剪切試驗(yàn)以及SEM(scanning electron microscope)微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，研究高聚物固化鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)隨著高聚物摻量和鈣質(zhì)砂顆粒級(jí)配變化的演變規(guī)律，以及高聚物改良鈣質(zhì)砂力學(xué)性能的微觀機(jī)理，從而為將環(huán)保固化劑高聚物應(yīng)用于南海島礁鈣質(zhì)砂地基加固提供一些試驗(yàn)和理論參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 鈣質(zhì)砂

采用的鈣質(zhì)砂取自南海某島礁典型回填工程所采用的鈣質(zhì)砂材料，為無(wú)膠結(jié)松散珊瑚碎屑沉積物，主要為珊瑚斷枝和生物碎屑。首先需對(duì)砂樣進(jìn)行清洗，去除鹽分后自然風(fēng)干備用。為保證試驗(yàn)條件的一致性以及結(jié)果的可靠性，對(duì)鈣質(zhì)砂原始試樣進(jìn)行篩分，去掉粒徑大于4 mm的顆粒，保留粒徑小于4 mm的顆粒，定義為本試驗(yàn)所用的天然級(jí)配鈣質(zhì)砂樣(級(jí)配1)。為了研究高聚物對(duì)不同顆粒級(jí)配鈣質(zhì)砂的改良效果，考慮粗細(xì)顆粒含量的影響，另設(shè)計(jì)了兩種不同顆粒級(jí)配鈣質(zhì)砂樣(級(jí)配2、級(jí)配3)。三種級(jí)配的顆分曲線如圖1所示，基本參數(shù)如表1所示。

圖1 土樣顆分曲線Fig.1 Grain size distribution curves of samples

表1 土樣級(jí)配系數(shù)

1.1.2 高聚物

試驗(yàn)選用的高聚物為聚氨酯泡沫膠黏劑(polyurethane foam adhesive，PFA)屬于硬質(zhì)發(fā)泡類，由A料和B料雙組分構(gòu)成。A液多為異氰酸酯，B液為聚合物多元醇。聚氨酯泡沫膠黏劑在使用時(shí)將A液與B液在常溫下按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行稱量后快速攪拌數(shù)秒后即發(fā)生反應(yīng)膨脹(圖2)。

1.1.3 制樣方法

制備試樣時(shí)為避免鈣質(zhì)砂發(fā)生顆粒破碎，以干密度ρ=1.5 g/cm3作為控制標(biāo)準(zhǔn)，改良鈣質(zhì)砂中高聚物的摻量Rw(高聚物質(zhì)量與試樣總質(zhì)量之比)分別為4.5%、6%、7.5%。稱取一定量配好的三種級(jí)配鈣質(zhì)砂顆粒放入器具內(nèi)，并加入B液，充分混合后再加入A液，并攪拌均勻。待A、B液混合均勻后，在60 s內(nèi)置入試驗(yàn)?zāi)＞邇?nèi)，并將表面壓平整，待養(yǎng)護(hù)7 d后，飽和完成脫膜，即可得到高聚物鈣質(zhì)砂試樣。以級(jí)配1為例，試樣如圖3所示。

圖2 聚氨酯高聚物A、B液及其反應(yīng)效果Fig.2 Polyurethane foam adhesive A, B liquid and its reaction

圖3 高聚物膠凝鈣質(zhì)砂直剪試樣Fig.3 PFA-improved specimens for direct shear tests

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式直剪儀(ZJ型，南京土壤儀器)，制備的試樣為Φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀樣。將制好的不同級(jí)配，不同高聚物的試樣在應(yīng)變控制式直剪儀中進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.005 mm/h。固結(jié)完成后施加垂直壓力，對(duì)各組土樣均施50、100、200、400 kPa的法向應(yīng)力，進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率為0.8 mm/min。

1.2.2 SEM微觀試驗(yàn)

采用SU8010高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣進(jìn)行SEM試驗(yàn)，試驗(yàn)前將不同級(jí)配、不同高聚物摻量的鈣質(zhì)砂試樣取少許樣品進(jìn)行烘干，然后對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，最后分別觀察試樣的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪應(yīng)力-位移曲線特征

圖4為顆粒級(jí)配相同條件下不同摻量高聚物改良鈣質(zhì)砂的剪應(yīng)力-位移曲線。由于篇幅所致，僅以某一種高聚物改良鈣質(zhì)砂(級(jí)配1)為例進(jìn)行分析其應(yīng)力應(yīng)變特征。從圖4(a)可以看出：在給定垂直壓力條件下，高聚物摻量為0的未改良鈣質(zhì)砂在剪切過程中均未出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力峰值，其剪應(yīng)力開始時(shí)隨著剪切位移的增加而持續(xù)增大，而后趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出硬化特征。

當(dāng)高聚物摻量Rw=4.5%時(shí)，改良鈣質(zhì)砂初期剪應(yīng)力增長(zhǎng)率明顯增大，即試樣模量顯著提高。此外，相對(duì)于未改良的鈣質(zhì)砂，改良鈣質(zhì)砂具有峰值，但剪應(yīng)力達(dá)到峰值后略微下降，剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)出的軟化特征并不明顯[圖4(b)]。

當(dāng)高聚物摻量Rw=6%和Rw=7.5%時(shí)，改良鈣質(zhì)砂的剪應(yīng)力-剪切位移曲線分別如圖4(c)、圖4(d)所示。其特征和鈣質(zhì)砂(Rw=4.5%)相比，軟化特性趨于明顯。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因可以解釋為：在峰值剪應(yīng)力作用下，高聚物固化鈣質(zhì)砂顆粒間的膠結(jié)顆粒被剪破，其膠結(jié)作用逐漸消散，剪應(yīng)力顯著減小，在此過程中試樣破壞截面上的摩擦為滑動(dòng)摩擦，剪應(yīng)力隨著剪切位移增加而逐漸趨于穩(wěn)定。

圖4 鈣質(zhì)砂的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-displacement curves of calcareous sand

2.2 抗剪強(qiáng)度特性

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論：

τf=c+σtanφ

(1)

式(1)中：τf為破壞截面上剪應(yīng)力，即土的抗剪強(qiáng)度，kPa；c為土的黏聚力，kPa;σ為破壞截面上的正應(yīng)力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)。圖5為各工況條件作用下鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線。由試驗(yàn)結(jié)果可知，高聚物摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響顯著，隨著高聚物摻量的增大，各顆粒級(jí)配條件下的高聚物改良鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線均向上平行移動(dòng)，即抗剪強(qiáng)度大幅度提高。例如：在200 kPa垂直壓力作用下，當(dāng)高聚物摻量從0增加至7.5%時(shí)，鈣質(zhì)砂在級(jí)配1下的抗剪強(qiáng)度從201 kPa大幅度增加至489 kPa。對(duì)比圖5(a)～圖5(c)可知，給定高聚物摻量條件下，鈣質(zhì)砂顆粒級(jí)配對(duì)改良鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度的影響也十分明顯。在給定垂直壓力和高聚物摻量條件下，鈣質(zhì)砂在級(jí)配1下的抗剪強(qiáng)度明顯高于級(jí)配2?；诖?，下面將進(jìn)一步分析以上因素(高聚物摻量及鈣質(zhì)砂顆粒級(jí)配)對(duì)高聚物改良鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度的影響。

圖5 高聚物改良鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度曲線Fig.5 Shear strength curves of PFA-improved calcareous sand

2.2.1 高聚物摻量對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度的影響

土的強(qiáng)度主要有黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，為了便于直觀分析高聚物摻量與黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系，分別繪制了高聚物摻量與鈣質(zhì)砂黏聚力和內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線，如圖6所示。由圖6可知，鈣質(zhì)砂的黏聚力隨著高聚物摻量的增大而增大。特別是，當(dāng)高聚物摻量大于4.5%時(shí)，改良鈣質(zhì)砂黏聚力隨高聚物摻量的增長(zhǎng)率快速提升[圖6(a)]。然而，高聚物摻量對(duì)土樣內(nèi)摩擦角影響不明顯，隨著高聚物摻量的增大，改良鈣質(zhì)砂內(nèi)摩擦角的變化幅度很小[圖6(b)]。由此可見，高聚物主要通過影響鈣質(zhì)砂顆粒之間的黏聚力來(lái)增大其抗剪強(qiáng)度，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。

圖6 高聚物摻量與鈣質(zhì)砂黏聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between polyurethane foam adhesive content and calcareous cohesive and internal friction angle

2.2.2 顆粒級(jí)配對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度的影響

土顆粒的粗細(xì)程度大多用平均粒徑D50[17]描述，其物理學(xué)含義是土中大于此粒徑以及小于此粒徑的土的占比均為50%，平均粒徑D50大，則表示整體上顆粒較粗，平均粒徑D50小，則整體顆粒較細(xì)。基于此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了給定高聚物摻量條件下不同級(jí)配的鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度與平均粒徑D50的關(guān)系曲線，如圖7所示。

從圖7中可以看出，鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度隨著級(jí)配中粗顆粒的增多而增大，特別是，采用高聚物對(duì)砂土試樣進(jìn)行改良后，級(jí)配對(duì)鈣質(zhì)砂強(qiáng)度的影響更加明顯。該現(xiàn)象可作如下解釋：當(dāng)破壞截面上下部分顆粒發(fā)生位移時(shí)，首先必須克服咬合力，對(duì)于砂土而言，顆粒越粗大，破壞截面發(fā)生變形時(shí)克服咬合力往上爬的坡越陡峭，其抗剪強(qiáng)度也就越大[18]，在加入高聚物后，由于粗顆粒含量較多，其孔隙更大，高聚物易于填充并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其抗剪強(qiáng)度變化也就越大。

圖7 鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度與平均粒徑D50關(guān)系曲線Fig.7 Correlation between shear strength and average particle size D50 of calcareous sand

2.3 高聚物微觀膠結(jié)機(jī)制

圖8為部分不同級(jí)配、不同高聚物摻量高聚物改良鈣質(zhì)的SEM微觀試驗(yàn)結(jié)果。圖8(a)是將顆粒放大200倍的結(jié)果，可以看到鈣質(zhì)砂顆粒本身形狀不規(guī)則，顆粒菱角突出，顆粒之間主要是點(diǎn)接觸。由于鈣質(zhì)砂顆粒之間留有較大的空隙，因此在高聚物的反應(yīng)過程中能為其提供良好的膠結(jié)環(huán)境，使得膠結(jié)反應(yīng)過程能夠較好地進(jìn)行。圖8(b)～圖8(d)為相同顆粒級(jí)配、不同高聚物摻量下鈣質(zhì)砂顆粒的表面微觀形貌，可以看出，鈣質(zhì)砂經(jīng)過高聚物膠結(jié)，鈣質(zhì)砂原有顆粒表面被高聚物包裹，高聚物包裹的細(xì)顆粒填充于大顆粒的空隙之間，且顆粒原有孔隙在一定程度上被高聚物填充。從圖8(a)～圖8(d)可以發(fā)現(xiàn)，隨著高聚物摻量的增加，在鈣質(zhì)砂表面包裹的高聚物明顯增多，鈣質(zhì)砂顆粒間的接觸方式由最初的點(diǎn)接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，在這一過程中形成的結(jié)構(gòu)物提高了土顆粒間的連接強(qiáng)度，讓松散的鈣質(zhì)砂試樣膠結(jié)成為一個(gè)整體，高聚物改良鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度也因此得到提升。

圖8(b)、圖8(e)、圖8(f)表示相同高聚物摻量、不同顆粒級(jí)配下鈣質(zhì)砂顆粒的表面微觀形貌，可以看出，當(dāng)鈣質(zhì)砂中細(xì)小顆粒較少時(shí)，高聚物主要包裹在大顆粒上，通過大顆粒將細(xì)小顆粒黏結(jié)在一起，隨著鈣質(zhì)砂中細(xì)小顆粒的增多，其黏結(jié)方式也會(huì)發(fā)生改變，高聚物會(huì)先將細(xì)小顆粒黏結(jié)成團(tuán)，然后與其他顆粒進(jìn)行黏結(jié)。根據(jù)圖8可以發(fā)現(xiàn)，雖然顆粒間的孔隙變小，但仍存在很寬的孔隙通道，因此增加高聚物的含量，高聚物的膠結(jié)作用可進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖8 不同高聚物膠結(jié)不同級(jí)配鈣質(zhì)砂的SEM試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Scanning electron microscope for calcareous sand with different particle size distributions and PFA content

3 結(jié)論

通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)和SEM掃描電鏡試驗(yàn)分析不同高聚物摻量和不同級(jí)配的鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度特性和高聚物膠結(jié)微觀機(jī)理，得到以下結(jié)論。

(1) 純鈣質(zhì)砂的剪應(yīng)力開始時(shí)隨著剪切位移的增加而持續(xù)增大，而后趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出硬化特征；當(dāng)高聚物摻量為Rw=4.5%時(shí)，改良鈣質(zhì)砂(級(jí)配1)初期剪應(yīng)力增長(zhǎng)率明顯增大，即試樣模量顯著提高，同時(shí)，其剪應(yīng)力在達(dá)到峰值后略微下降，剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)出的軟化特征不明顯；當(dāng)高聚物摻量為Rw=6%和Rw=7.5%時(shí)，試樣的模量和應(yīng)力峰值顯著提高，但改良鈣質(zhì)砂(級(jí)配1)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線的軟化特性趨于明顯。

(2)高聚物摻量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響顯著，隨著高聚物摻量的增大，各顆粒級(jí)配條件下的高聚物改良鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線均向上平行移動(dòng)，即抗剪強(qiáng)度大幅度提高。值得提醒的是，高聚物主要通過影響鈣質(zhì)砂的黏聚力來(lái)增加其抗剪強(qiáng)度，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響很小。

(3)顆粒級(jí)配對(duì)高聚物鈣質(zhì)砂的改良效果影響顯著。鈣質(zhì)砂中粗顆粒含量越多，其孔隙越大，高聚物反應(yīng)越明顯，其強(qiáng)度變化也越明顯。鈣質(zhì)砂的抗剪強(qiáng)度隨著級(jí)配中粗顆粒的增多而顯著增大。然而，當(dāng)試樣細(xì)顆粒較多時(shí)候，顆粒間的孔隙變小，高聚物鈣質(zhì)砂的改良效果減弱，但細(xì)顆粒鈣質(zhì)砂仍存在孔隙通道，隨著高聚物含量的增加，高聚物的膠結(jié)作用仍可進(jìn)一步加強(qiáng)。

(4)微觀試驗(yàn)結(jié)果表明，高聚物改良鈣質(zhì)砂的剪切強(qiáng)度，主要是通過高聚物包裹鈣質(zhì)砂顆粒表面，逐漸改變鈣質(zhì)砂顆粒間的接觸形式(由點(diǎn)接觸逐漸變?yōu)槊娼佑|)，進(jìn)而加強(qiáng)顆粒間的膠結(jié)作用。即高聚物主要通過包裹在土顆粒的表面或填充于顆粒間進(jìn)行膠結(jié)，增強(qiáng)土顆粒之間的連接強(qiáng)度，使得土體的抗剪強(qiáng)度得到提高。