聚丙烯酰胺改善流態(tài)固化處理效果的試驗(yàn)研究

林泓民,商志陽,彭 劼*

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院, 上海 200235;3.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098)

長(zhǎng)江中下游河漫區(qū)廣泛分布著高含水率軟土,這些軟土含水率數(shù)倍于自身液限、剛度差、強(qiáng)度低、難以自然成型、未經(jīng)處理幾乎無法利用,大量閑置很大程度上會(huì)造成資源和空間上的浪費(fèi),這無疑對(duì)城市化建設(shè)帶來一定的阻力[1]。傳統(tǒng)處理的方法有許多,主要包括自然脫水、機(jī)械脫水、流態(tài)固化等幾種手段[2]。流態(tài)固化土是通過加入水泥等固化劑,攪拌成具有一定流動(dòng)性的混合料[3]后,通過澆筑和養(yǎng)護(hù),硬化后形成具有強(qiáng)度的巖土工程材料。相比之下,流態(tài)固化技術(shù)減少了壓實(shí)的工作量,處理量大,經(jīng)濟(jì)效益高,優(yōu)點(diǎn)明顯[4]。

流態(tài)固化土的應(yīng)用主要考慮其流動(dòng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、耐久性等因素,一般認(rèn)為流動(dòng)度是其最主要的性能之一[5-6]。近年來,流態(tài)固化法是處理疏浚軟土、管廊回填問題中的常用方法[7-10]。然而對(duì)于流態(tài)固化土這類流體而言,宏觀的流動(dòng)度指標(biāo)稍顯粗略,朱鵬等[11-12]借用流變學(xué)的工具探究其內(nèi)在聯(lián)系,推導(dǎo)了滿足賓漢姆流體方程的流態(tài)固化土動(dòng)切力和流動(dòng)度的關(guān)系,且與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合效果優(yōu)異,這為流態(tài)固化土大規(guī)模澆筑提供了寶貴的指導(dǎo)建議。

流態(tài)固化土在實(shí)際施工中,經(jīng)常受限于即拌即用的施工工藝,導(dǎo)致流動(dòng)度波動(dòng)大影響回填效果[13],一般在水泥漿中摻入起到增稠、緩凝、保水作用的水溶性聚合物[14-16]。聚丙烯酰胺(PAM)作為一種典型的水溶性聚合物,引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[17]。通過研究發(fā)現(xiàn),PAM的摻入改變了水泥砂漿的微觀結(jié)構(gòu),且對(duì)其流動(dòng)性產(chǎn)生顯著影響[18];將PAM水泥凈漿、膠材的流動(dòng)度影響進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)隨著PAM摻量的增大,二者流動(dòng)度均得到降低,且水泥凈漿影響更為顯著[19-20]。

綜上所述,PAM對(duì)水泥基材料的性能均有明顯提升。然而,國(guó)內(nèi)外對(duì)PAM改性流態(tài)固化土的綜合研究仍然缺乏。本文以長(zhǎng)江中下游河漫區(qū)道路工程為背景,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)軟土的工程特性,通過室內(nèi)試驗(yàn)確定了流態(tài)固化方案,研究了PAM對(duì)流態(tài)固化土的改善效果,對(duì)該方法的進(jìn)一步推廣具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 軟土特性及處理方法的室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本項(xiàng)目中的開挖土取自于南京江北新區(qū)橫江大道,其基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。本研究所用水泥為海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥,其物理性質(zhì)如表2所示。所選用的PAM為陰離子型PAM。作為一種典型的水溶性聚合物,主要由疏水主鏈和官能團(tuán)-CONH2組成[21],外觀常為白色粉末狀,幾乎不溶于有機(jī)試劑,溶于水時(shí)呈無色黏稠膠體狀、無味、pH值呈中性,當(dāng)溫度高于120 ℃時(shí)其物理性質(zhì)不穩(wěn)定。

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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 室內(nèi)試驗(yàn)及流態(tài)固化方案

1.2.1 流動(dòng)性測(cè)試

按照表3的配制方案將原狀土、蒸餾水、水泥、PAM混合攪拌,攪拌后進(jìn)行流動(dòng)性測(cè)試。處理后的流態(tài)固化土必須具備一定的流動(dòng)性,本文采用美國(guó)、日本的平板圓筒法[22],即將直徑和高度為8 cm的圓筒裝滿流態(tài)固化土,向上提起圓筒后測(cè)量坍塌體在平板上形成的最大直徑與最小直徑的平均值,如圖1。

圖1 平板圓筒法示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat cylinder method

表3 不同PAM摻量下的流態(tài)固化室內(nèi)試驗(yàn)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 黏滯性測(cè)試

針對(duì)70%液固比、10%水泥含量、PAM摻量為0‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰、0.5‰的流態(tài)固化土,采用黏滯性試驗(yàn),分析其摻入PAM后的變化關(guān)系。黏滯性試驗(yàn)采用奧地利安東帕生產(chǎn)的MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀,適用于低黏度液體、黏彈性液體、熔體、糊狀樣品、交替、軟固體等樣品的測(cè)試。可供選擇的測(cè)試模式有六種。本試驗(yàn)選擇旋轉(zhuǎn)測(cè)試模式,該模式可測(cè)得剪切應(yīng)力、剪切速率等參數(shù)的相關(guān)曲線,其中剪切速率的范圍為0.01 s-1～2 500 s-1,為減少時(shí)間對(duì)試驗(yàn)過程的影響,每次測(cè)試時(shí)間固定為10 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 流態(tài)固化土的流動(dòng)性

2.1.1 液固比、水泥對(duì)流動(dòng)度的影響

液固比是影響土體流動(dòng)度的重要因素之一。圖2表示了僅摻入10%水泥的土體流動(dòng)度與液固比之間的關(guān)系。隨著液固比的升高,70%、73%、76%、80%液固比所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)度為292.5、322.5、382.5、432.5 mm,流動(dòng)度與液固比正相關(guān)。這是因?yàn)橥林写罅康淖杂伤黾恿送馏w流動(dòng)性,從而提高了流動(dòng)度,這與丁建文等[8]的研究結(jié)果一致。

圖2 流動(dòng)度與液固比關(guān)系Fig.2 Relationship between fluidity and liquid-solid ratio

水泥的添加可以降低流態(tài)固化土的流動(dòng)度,這是因?yàn)樗嗯c水混合之后會(huì)迅速發(fā)生水化反應(yīng),消耗了其中一部分水,所以流動(dòng)度有所降低,但改善效果并不明顯[23]。如圖3所示,在不同液固比狀態(tài)下,流態(tài)固化土的流動(dòng)度隨著灰土比的增大而小幅度減少。若只添加水泥降低流動(dòng)度,以此符合流態(tài)固化土施工過程中對(duì)于流動(dòng)度的要求,則水泥用量過大,且不經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

圖3 流動(dòng)度與灰土比關(guān)系Fig.3 Relationship between fluidity and cement-soil ratio

2.1.2 PAM對(duì)流動(dòng)度的影響

PAM的摻入可顯著降低待處理回填土的流動(dòng)度,以滿足流態(tài)固化施工要求。由于土體液固比介于70%～80%,即使添加一定量水泥,其大多數(shù)流動(dòng)度仍超過300 mm,不滿足現(xiàn)場(chǎng)回填要求。不同PAM摻入量的流動(dòng)度數(shù)據(jù)如圖4所示。加入PAM后,不同液固比土體的流動(dòng)度與摻量負(fù)相關(guān),且摻量小于0.03%時(shí),下降幅度最大。這是因?yàn)镻AM分子鏈上的氨基(-NH2)可以與水分子形成氫鍵,從而限制了水分子的運(yùn)動(dòng)[24]。此外,聚合物鏈與氫鍵糾纏形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了分子間的吸引力[25]。為滿足流動(dòng)度在(200±20)mm的要求,摻量建議控制在0.02%～0.03%。

圖4 PAM添加量與流動(dòng)度關(guān)系Fig.4 Relationship between the amount of PAM added and fluidity

2.1.3 凈流動(dòng)度

從圖4可知,摻入PAM后,不同液固比土體的流動(dòng)度變化值略有不同。為了量化PAM增稠的效果,本文借鑒了凈流動(dòng)度[26]參數(shù)。

d=D-f

(1)

式中,d為凈流動(dòng)度;D為試驗(yàn)測(cè)得的流動(dòng)度;f為土體試樣的初始直徑。

在本文流動(dòng)度試驗(yàn)中,所用容器的直徑為80 mm,因而式(1)中f取值為80 mm。凈流動(dòng)度消除了土體試樣初始直徑的影響,可以進(jìn)一步真實(shí)地反映待處理土體的流動(dòng)性能。

將不同液固比土體在不同PAM添加量下的凈流動(dòng)度值及降低比例進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見圖5、圖6。從圖5可以發(fā)現(xiàn)凈流動(dòng)度與PAM摻量呈負(fù)相關(guān),其趨勢(shì)與流動(dòng)度一致。由圖6可得,在分別添加0.01%、0.02%、0.03%、0.05%比例的PAM后,不同液固比土體的凈流動(dòng)度的降低比例分別維持在70%、50%、35%、15%。以上可以表明,在添加一定比例的PAM增稠劑后,待處理土體的凈流動(dòng)度降低比例是基本保持一致的,因初始液固比不同波動(dòng)較小。在工程實(shí)際應(yīng)用中,已知某液固比下的土體在添加增稠劑后凈流動(dòng)度的降低比例,可以預(yù)測(cè)同類土體其他液固比條件下的凈流動(dòng)度,從而預(yù)測(cè)增稠劑的流動(dòng)改善效果。

圖5 液固比與凈流動(dòng)度關(guān)系Fig.5 Relationship between liquid solid ratio and net fluidity

圖6 液固比與凈流動(dòng)度降低比例關(guān)系Fig.6 Relation between liquid-solid ratio and net fluidity reduction ratio

2.1.4 流動(dòng)度討論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)證明了PAM摻量會(huì)對(duì)土體流動(dòng)度產(chǎn)生影響。事實(shí)上,許多學(xué)者在流態(tài)固化領(lǐng)域已經(jīng)使用其他外摻劑改善土體的流動(dòng)度。通過整理現(xiàn)有高液固比(液固比大于兩倍液限)土體改良的文章,發(fā)現(xiàn)不同文獻(xiàn)在取得良好效果時(shí)所對(duì)應(yīng)的外摻劑千差萬別,且摻量比例未統(tǒng)一,不易總結(jié)出其間的規(guī)律。在混凝土領(lǐng)域常用外摻劑與干土比值即灰土比作為考量外摻劑的關(guān)鍵指標(biāo)。本文受其啟發(fā),計(jì)算已有文獻(xiàn)中發(fā)揮作用的外摻劑對(duì)應(yīng)的灰土比變化值,并統(tǒng)計(jì)外摻劑加入前后的流動(dòng)度變化值,并將數(shù)據(jù)匯總于表4。

表4 現(xiàn)有文獻(xiàn)外摻劑數(shù)據(jù)匯總表Tab.4 Summary of admixture data in existing literature

通過整理分析以上學(xué)者和本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),針對(duì)高液固比土體,最初加入水泥時(shí)重塑土的流動(dòng)度改變較為明顯。但若想進(jìn)一步降低流動(dòng)度以達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn),針對(duì)水泥土流動(dòng)度的改善,大多數(shù)添加輔助外摻劑或繼續(xù)加入水泥的措施改善效果一般,且原材料耗損量大。在對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn),本文采用的PAM可以大幅度減小水泥土的流動(dòng)度以期符合流態(tài)固化施工要求,處理效果明顯,且摻入比較小,可以獲得較大的工程效益。

2.2 流態(tài)固化土的黏滯性

2.2.1 黏滯曲線類型

圖7 黏滯曲線方程Fig.7 Viscosity curve equation

2.2.2 PAM對(duì)黏滯性的影響

水泥土與摻入0.1‰PAM的黏滯曲線如圖8(a)所示,不同PAM摻量的黏滯曲線變化如圖8(b)所示?？傮w來看,PAM的摻入可以顯著提高流體的黏滯性。由圖8(a)可知,水泥土和摻入PAM后的水泥土從黏滯性曲線來看,可認(rèn)為是兩條不過原點(diǎn)的直線,都為流動(dòng)度較大的賓漢姆流體,因此一定摻量的PAM并沒有改變流體類型。二者的剪切應(yīng)力都隨著剪切速率的增大而增大,但從斜率上可知,加入PAM后流體黏性增強(qiáng),這說明PAM對(duì)水泥漿體的絮凝效果較好,促進(jìn)了水泥漿體結(jié)構(gòu)的形成[14]。從8(b)可知,PAM摻量的增加對(duì)流體黏滯性有一定的影響。四種流體的剪切應(yīng)力都與剪切速率正相關(guān),但相同的剪切速率下,PAM摻量越多,剪切應(yīng)力越高,流體黏滯性越大,而黏滯性可以看作是流動(dòng)度的微觀體現(xiàn),這與上文流動(dòng)度測(cè)試的結(jié)論一致。

圖8 流態(tài)固化土黏滯曲線Fig.8 Viscosity curve of fluid-solidified soil

2.2.3 時(shí)間對(duì)黏滯性的影響

圖9是各流體在一定時(shí)間靜置后的黏滯性曲線,易得出PAM的緩凝作用使得水泥土的黏滯性更加穩(wěn)定。從圖9(a)可得,隨著時(shí)間的推移,水泥水化過程的發(fā)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,剪切應(yīng)力隨著時(shí)間不斷增大,兩個(gè)小時(shí)后剪切應(yīng)力近乎提高到原來三倍。因此在工程實(shí)際中,無其他外摻劑的水泥土在攪拌后若未能迅速澆筑,則其快速黏滯的特點(diǎn)將極大地影響施工流程。由圖9可以看出,加入0.1‰的PAM后,黏滯性在前兩個(gè)小時(shí)幾乎沒有明顯變化,相當(dāng)穩(wěn)定。摻入0.2‰和0.3‰PAM的水泥土雖然隨著時(shí)間黏滯性發(fā)生了波動(dòng),但在相同剪切速率下,剪切應(yīng)力值的波動(dòng)不超過20%。但摻入0.5‰的PAM后,黏滯性波動(dòng)略為明顯,剪切應(yīng)力最大波動(dòng)接近50%,但仍然比未加PAM的水泥土穩(wěn)定。

圖9 流態(tài)固化土黏滯曲線與時(shí)間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between viscosity curve and time of fluid-solidified soil

PAM之所以可以穩(wěn)定水泥土稠度,是因?yàn)槠渑c水泥中Ca2+發(fā)生相互作用,延緩了C-S-H凝膠的生成[16],從而穩(wěn)定了稠度。PAM易吸附在水泥顆粒表面,交聯(lián)水泥顆粒。PAM也會(huì)起到潤(rùn)滑緩凝作用,類似于其他水溶性聚合物,但這種作用通常弱于絮凝作用。黏滯曲線的變化是絮凝效應(yīng)和潤(rùn)滑緩凝效應(yīng)相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。當(dāng)PAM含量達(dá)到一定值時(shí),隨著時(shí)間的推移,PAM的潤(rùn)滑作用開始表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì),在水泥漿體中的潤(rùn)滑作用比絮凝作用更明顯。PAM可以吸附在水泥顆粒表面,進(jìn)一步減小了水泥與水的接觸面積。這可能會(huì)導(dǎo)致溶液中濃度的降低,延緩水化產(chǎn)物的沉淀[24]。

2.2.4 擬合方程

為了定量地分析流態(tài)固化土的黏滯曲線、流動(dòng)度之間的關(guān)系,各參數(shù)見表5。由表可得,流態(tài)固化土的剪切應(yīng)力與剪切速率都線性相關(guān),擬合度較好,即符合賓漢姆流體條件。隨著PAM的摻入,動(dòng)切力與黏滯系數(shù)因PAM的絮凝作用均得到了提升[11]。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),宏觀層面的流動(dòng)度與黏滯參數(shù)也存在某種聯(lián)系。我們通常認(rèn)為黏滯系數(shù)表征了流體開始流動(dòng)后流動(dòng)快慢,而動(dòng)切力則決定了流體在力作用(土體自重)下能否進(jìn)行流動(dòng)。黃英豪等[12]通過冪函數(shù)擬合了流動(dòng)度與動(dòng)切力的關(guān)系,因此本文也對(duì)二者進(jìn)行冪函數(shù)擬合,詳見圖10。該函數(shù)較好地?cái)M合了動(dòng)切力與宏觀流動(dòng)度的關(guān)系,我們可以看出黏滯參數(shù)是決定軟土宏觀流動(dòng)性的內(nèi)在原因,擬合方程很好地將二者緊密連接起來,這對(duì)今后大規(guī)模的流態(tài)固化施工具有一定的參考價(jià)值。

圖10 動(dòng)切力與流動(dòng)度關(guān)系Fig.10 Relationship between dynamic shear force and fluidity

表5 黏滯曲線參數(shù)Tab.5 Viscosity curve parameters

3 結(jié)論

1)僅摻入水泥時(shí),液固比是影響流態(tài)固化土的重要指標(biāo)之一。隨著灰土比的增加,流動(dòng)度雖然有所降低,但影響不顯著。PAM的摻入可以快速降低含水泥流態(tài)固化土的流動(dòng)度。針對(duì)液固比為70%～80%的軟土,PAM的摻量為0.02%～0.03%時(shí),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后其凈流動(dòng)度降低比例處于相同水平。PAM的加入緩解了前2個(gè)小時(shí)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)提出了可以預(yù)測(cè)軟土流態(tài)固化土動(dòng)切力和流動(dòng)度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式,此公式可為流態(tài)固化土大規(guī)模澆筑提供設(shè)計(jì)參數(shù)和施工指導(dǎo)。