多因素条件下沙土固化的抗压强度影响分析

王广政，刘 枢，林俊宏，白林越，崔圣超

(陆军工程大学，江苏 南京 210007)

1 概述

近年来，高分子复合固化材料作为一类新兴的道路建筑新材料，由于其具有固化强度高、固化速度快、稳定性好等特点，在道路交通工程建设和应急交通保障中得到广泛的应用，特别是在桥梁加固、结构物修补等方面发挥了巨大作用。随着科学技术的发展，在松软土壤加固方面也逐渐得到关注和推广。但由于土壤特性和水分等因素的影响，环氧树脂固化剂在松软土壤加固方面，效果并不理想，相应的研究成果也较少。尽管在国内外高分子材料高新技术领域研发了用于水下快速固化的部分产品，但并不能真正反映土壤含水量对固化效果的影响程度与规律。本文针对此问题，开展多因素条件下环氧树脂固化剂固化沙土的力学性能分析，以探究土壤含水量、配合比等对固化效果的影响程度与基本规律[1]。

2 环氧树脂固化剂固化沙土的原理

环氧树脂作为一种高分子聚合物，它是由环氧氯丙烷及二酚基丙烷在碱的作用下缩聚而成的液体树脂。环氧树脂本身不能固化，它是在环氧树脂固化剂的作用下发生反应，形成三维立体聚合物，变为不溶于水的坚固体型网状结构的巨大分子高聚物，其性能由热塑性变为热固性。因此，将环氧树脂加入固化剂的整个反应中需要不断的进行搅拌，以确保两者之间充分混合，才能形成具有较高强度的高聚物[2]。

环氧树脂固化剂固化沙土时，其反应机理为：环氧树脂本身并不与沙土之间进行化学反应，而是在固化剂的作用下合成环氧树脂高分子立体聚合物，将沙土作为原料包裹于聚合物之中，最终形成为不溶于水的具有较强力学性能的巨大分子高聚物，而这一聚合物以其具有的较高强度来满足承载的需求。其承载力的来源，一是来源于形成的热固性三维立体聚合物，二是来源于被包裹在内的沙土颗粒的骨架作用。两者相互结合，共同作用，从而达到一定的强度需求。

但由于沙土处于一定的土壤环境，土壤中含有不同程度的水分，形成不同的湿度条件[3]。一般来讲，水分在一定程度上会限制环氧树脂在聚合反应过程中对沙土的包裹作用，研究不同土壤含水量和配合比对固化效果的影响程度与规律，从而确定针对性的固化配比，对于环氧树脂复合固化材料在固化沙性松软地基中的推广应用，尤为重要。

3 环氧树脂固化剂固化沙土的抗压强度试验

3.1 试验设计

结合不同含水量的沙土材料和不同的材料配比，采用正交试验法的方式，进行力学性能的试验。为模拟沙滩环境和从极端情况下考虑，试验土由筛子筛出粒径为0.074 mm～2 mm纯砂与盐水配置出试样沙土，固化材料选用基于常规MS-1085水下环氧树脂改性而成的环氧树脂基复合固化材料[4]。而后将不同剂量的环氧树脂固化剂加入到沙土中，进行充分搅拌后做成试件，便可进行相应试验。

常温状态下，本试验研究的变量共有三个：含水量、固化时间、固化剂与土样的配比。将每个变量加以细化，在每个变量下又各有三种具体情况，因此，采用正交试验法进行试验。将整体试验分为9组，试件含水量设计为干燥，10%，20%，固化材料与土样的配比分别为1∶6，1∶7，1∶8，试验温度为试验时当时的室温大致于5 ℃～15 ℃，在试件制作完成后，分别在1 h，1.5 h，2 h后进行抗压强度试验，如表1所示。

表1 正交试验设计表

3.2 试验步骤

1)往重塑筒上抹一层薄层凡士林润滑剂，并在其上套上塑料薄膜，能起到更容易取出试件和可以避免其在拆除过程中受损的作用。

2)将加入环氧树脂固化剂(如图1所示)的沙土充分搅拌后，把土样加入到重塑筒内捣实后在试件上用塑料薄膜盖住，防止水分流失。试样直径为40 mm，高度为80 mm。

3)将试样(如图2所示)放在毛大玻璃片上，于其下垫上一圆形玻璃片，放置到试验所需时间后，小心的将重塑筒拆开避免试件受损。

4)往液塑限测定仪底座和加压板上抹上一层凡士林，将试样放置于仪器之上，而后开始转动手柄，如图3所示。

5)轴向应变速度宜为每分钟应变1%～3%。转动手柄使加压板接触到土样后开始读数。轴向应变小于3%时，每隔0.5%应变(或0.4 mm)读数一次，轴向应变不小于3%时，每隔1%应变(或0.8 mm)读数一次。整个试验过程中记录下转动手柄的圈数。试验宜在8 min～10 min内完成。

6)当测力计读数出现峰值时，继续进行3%～5%的应变后停止试验；当读数无峰值时，试验应进行到应变达20%为止。

7)试验结束后，取下试样(如图4所示)，记录下此时试样破坏后的形状，并将样品留存以作比较。

3.3 试验结果

按照上述步骤，分别在0%，10%和20%三种含水量下，按照三种不同的配合比进行试验，分别对每组的9组试件进行了无侧限抗压强度试验，以保证试验的准确性。其试验结果如表2所示。

表2 无侧限抗压强度试验结果

4 环氧树脂固化剂固化沙土的影响因素分析

4.1 含水量对抗压强度的影响

根据上述试验数据，可分析得出固化沙土无侧限抗压强度随含水量的变化关系，如图5所示。

由图5可以看出，固化沙土的无侧限抗压强度随着含水量的增加呈现先增加后减小的趋势，并不是线性相关的，但整体变化不多。按照试验之前含水量影响预测，应该是含水量越小固化强度越大。在含水量为零时，应该取得最大固化强度，但是试验结果却并非完全如此。说明在含水量较低时，水在固化剂固化沙土的过程中起到了润滑作用，使得固化剂能更加与沙土颗粒充分接触，进而在快速凝结形成大分子固结体过程中将沙土颗粒包裹其中，强度逐渐增加；当含水量超过一定值后，由于大量水分的存在，反而在一定程度上限制了环氧树脂在聚合反应过程中对沙土的包裹作用，使得强度随着含水量的增加而逐渐降低。

4.2 胶砂比对抗压强度的影响

根据表2试验数据，可分析得出固化沙土无侧限抗压强度随胶砂比的变化关系，如图6所示。

由图6可以看出，固化沙土的无侧限抗压强度随着胶砂比的减小呈现减小的趋势。说明，环氧树脂固化材料的用量越大，环氧树脂在固化剂作用下的聚合反应也就越剧烈，使得形成大分子固结体的凝结速度和强度增加。

4.3 固化时间对抗压强度的影响

根据表2试验数据，可分析得出固化沙土无侧限抗压强度随固化时间的变化关系，如图7所示。

由图7可以看出，固化沙土的无侧限抗压强度随着固化时间的增加有着明显的上升趋势，在1.5 h～2 h内增加速度最快，而且固化时间越长，强度越高。

4.4 影响因素对抗压强度的敏感性分析

为进一步分析含水量、配合比和固化时间对环氧树脂固化沙土无侧限抗压强度的影响大小，以三因素方差的分析方法对上述数据进行影响因素敏感性分析。其中，固化时间为影响因素A，胶砂比为影响因素B，含水量为影响因素C。其分析结果如表3所示。

表3 固化沙土的无侧限抗压强度分析表

由表3可知，无侧限抗压强度的极差顺序为A>B>C。因此，本次试验中影响固化沙土无侧限抗压强度形成的主要因素依然为固化时间，其次为胶砂比，最后为含水量。固化2 h后固化沙土的无侧限抗压强度均达到2.6 MPa以上。

5 结语

1)环氧树脂改性复合固化材料固化沙土时，其无侧限抗压强度形成会受到含水量、胶砂比和固化时间等主要因素的影响。按重要性、敏感性程度的大小，依然为固化时间、胶砂比和含水量。

2)固化沙土时的无侧限抗压强度随着含水量的增加呈现先增加后减小的趋势，并非是完全直线相关，这与水分在固化反应过程中的作用密切相关。

3)固化沙土时的无侧限抗压强度随着胶砂比的减小而逐渐减小，说明用胶量对快速固化效果有着严重影响。应用时，需要根据时效性要求和经济性指标合理确定最佳配比。

4)利用环氧树脂改性复合固化材料快速固化松软海(沙)滩，固化速度快，强度高，仅用2 h即可达到最低2 MPa以上的强度，具有较快速的固化速度，这较之前研究的固化材料在固化性能方面有了较大提升。

当然，土壤固化强度和效果的优劣，不仅反映在无侧限抗压强度上，还要从应用时所需的抗剪强度、抗折强度等指标上反映，还会受到固化的土质类别、土壤环境条件、原地基承载性等方面的影响[5]。本文仅针对沙性土壤利用改性固化材料进行了无侧限抗压强度的试验分析，还需要针对实际情况进行大量的试验实践，才能更加充分地验证其固化性能，分析其他各种环境条件因素的影响，进而采用针对性措施进行实践运用。