高聚物固化粉土的力学特性与固结机理

王超杰， 李逢源，2， 郭成超， 郝继锋， 周学友

（1.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001；2.中山大学 土木工程学院，广东广州 510275；3.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南南阳 473000）

粉土具有孔隙率高、容易吸水引发翻浆、动荷载作用下易液化［1］等不良工程性质，给工程建设带来一系列困难，所以需要对其进行固化改良，以满足工程建设的需要.目前，使用较为广泛的土壤固化剂可分为无机和有机类固化剂.无机类固化剂主要指水泥、石灰等，已有大量试验系统地研究了该类固化剂的改性效果和固化机理［2‑11］.有机固化剂主要有改性水玻璃［12］、天然树脂等［13］，大多数有机固化剂为液态，具有强大的溶解、置换能力，但对土壤含水率有着严格的要求.其主要通过固化剂中的活性物质来降低水的表面张力，置换出土壤中的阳离子，减小土壤间的斥力，在土颗粒表面及孔隙中形成网状膜结构，从而提高土壤的强度［14］.材料方面，兰州大学对研制的高分子改性聚乙烯醇（SH）开展了较多研究［15‑17］，固化效果较好.吴淑芳等［18］、Callebaut 等［19］研究了聚丙烯酸类高聚物对土体的固化效果.由于具有胶结能力强、结石体强度高、耐久性好的特点，聚氨酯类高聚物固化剂也被应用于土壤固化领域，但目前主要集中在对砂土的固化［20］，对粉土的固化研究还较少，且固化机理也不够明确.因此，开展高聚物固化粉土的研究有着重要意义.

本文研发了一种可固化粉土的胶结型高聚物，通过室内试验从宏观方面探究含水率、高聚物掺量及养护龄期对固化粉土力学特性的影响，并借助扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）以及压汞试验（MIP），从微观方面揭示粉土的固化规律和改良机理，旨在为粉土的加固提供新的思路，并为高聚物类固化剂的研究提供一定的科学依据.

1 试验材料及方法

1.1 粉土

试验用土取自郑州某建设工地，取土深度为3 m，土的物理性能如表1 所示.土的颗粒分布曲线如图1所示.由图1 可见，粒径大于0.075 mm 的颗粒质量约为总质量的34.48%，不超过总质量的50%.参照JTG 3430—2020《公路土工试验规程》，该土为粉土.将土锤碎、晾晒、过2 mm 筛，封存备用.

表1 粉土的物理性能Table 1 Physical properties of the silt soil

图1 粉土的颗粒分布曲线Fig.1 Particle size distribution of silt soil

1.2 胶结型高聚物材料

试验用高聚物为本课题组研发的一种胶结型聚氨酯类材料，由A、B 双组分构成：A 组分基本组成为多元醇、表面活性剂和阻燃剂等，密度为1.26 g/cm3；B 组分主要组成为增塑剂和聚合异氰酸酯，密度为1.17 g/cm3.双组分按照质量比1∶1 混合反应，生成聚氨基甲酸酯高分子化合物（简称高聚物），其反应固化时间可以通过添加催化剂加以调节.本次试验所用高聚物在20 ℃条件下的反应凝固时间约为6 h，A、B 组分一经混合即开始发生化学反应.图2 为高聚物抗压强度随龄期的变化.由图2 可见，高聚物的1 d 抗压强度超过1.2 MPa，3 d 基本达到最大强度.

图2 高聚物抗压强度随龄期的变化Fig.2 Compressive strength of polymer varies with age

1.3 试验设计

1.3.1 无侧限抗压强度（UCS）试验

使用无侧限抗压强度来表征固化土的强度特性，主要研究高聚物掺量（质量分数，文中涉及的掺量、水固比等除特别说明外均为质量分数或质量比）、粉土含水率和养护龄期对固化土力学特性的影响.无侧限抗压强度试验方案设计如表2 所示.为使试验结果更具代表性，每个参数制作6 个试样，结果取其平均值，共计480 个试样.

表2 无侧限抗压强度试验方案设计Table 2 Design of UCS test scheme

1.3.2 渗透系数（k）试验

抗渗性是固化土的关键性能之一，根据已有的试验结果，设置高聚物固化土的渗透系数影响因素取值水平.渗透系数试验方案设计如表3 所示.为使试验结果更具代表性，每个参数制作3 个试样，结果取其平均值，总计60 个试样.

表3 渗透系数试验方案设计Table 3 Design of permeability coefficient test scheme

1.4 试验方法

首先将高聚物A、B 组分混合搅拌，然后采用拌和的方式将其掺入土体中，根据GBT 50123—1999《土工试验方法标准》制作试样；然后，将试样置于恒温恒湿试验箱中养护至规定龄期，再使用三轴仪测试其无侧限抗压强度，使用变水头渗透试验测定固化土渗透系数；最后，取强度测试后的破碎小样，进行SEM、XRD、MIP 试验.

2 结果与讨论

2.1 高聚物掺量对固化土无侧限抗压强度的影响

图3为不同含水率下高聚物掺量与固化土无侧限抗压强度的关系.由图3 可见：含水率为8%时，在相同龄期下，高聚物掺量对固化土无侧限抗压强度的影响显著；以含水率8%、标准养护28 d 试样为例，高聚物掺量为5%时，固化土的无侧限抗压强度为0.75 MPa，高聚物掺量为10%时，固化土的无侧限抗压强度为2.89 MPa，高聚物掺量提高了1 倍，但固化土的无侧限抗压强度提高了2.8 倍以上；高聚物掺量为13%、15%时，与高聚物掺量为5%的试样相比，固化土的无侧限抗压强度增加了4.3倍和7.3倍以上；高聚物掺量越高，固化土的强度越高，符合一般外掺固化剂土壤强度的增长规律；纯素土的28 d 无侧限抗压强度为0.22 MPa，固化土的28 d无侧限抗压强度与纯素土相比，提高了2.5~27.7 倍，这充分证明了本文所用的渗透型高聚物对粉土具有较好的固化效果.

从图3 中可以明显看出，固化土无侧限抗压强度的变化与高聚物材料的关系是非线性的，固化土的无侧限抗压强度随着高聚物掺量的增加，走势逐渐陡峭.产生这种现象的原因是：在掺量较少时，高聚物在粉土中分布不均匀，只能填充部分土颗粒间的大孔隙；随着掺量的增多，高聚物除了能够填充土颗粒间的大孔隙，还能对相邻的土颗粒进行粘黏，形成“高聚物-土颗粒”团聚体，同时会逐渐形成高聚物骨架以及高聚物薄膜，因此固化土的无侧限抗压强度有了极大的提升.其他含水率试样无侧限抗压强度的变化规律与含水率为8%的试样相同.

图3 不同含水率下高聚物掺量与固化土无侧限抗压强度的关系Fig.3 Relationship between polymer content and UCS of solidified silt soil at different water contents

2.2 龄期对固化土无侧限抗压强度的影响

图4为固化土无侧限抗压强度与养护龄期的关系.由图4 可见，当高聚物掺量和含水率相同时，试样养护龄期越长，其无侧限抗压强度越大，呈明显的线性关系.高聚物在土中反应跟在空气中不同，其在空气中反应时，集聚程度高，反应产生热量会加固反应进程.高聚物掺入粉土后，其在土中比较分散，聚集程度低，反应产生的热量散失快，所以反应缓慢，导致了固化土的强度在28 d 内逐渐增长.这与水泥固化土强度的发展规律相似［21‑22］，但是高掺量高聚物固化土的初始强度及28 d 强度均高于水泥固化土，具有更优异的力学性能.

图4 固化土无侧限抗压强度与养护龄期的关系Fig.4 Relationship between UCS and curing time of solidified silt soil

2.3 粉土含水率对固化土强度的影响

图5为粉土含水率与固化土无侧限抗压强度的关系.由图5 可见：相同龄期、同一高聚物掺量条件下，随着粉土含水率增加，固化土试样的无侧限抗压强度随之下降；以高聚物掺量为15%，养护龄期28 d试样为例，当含水率从8%增加至10%时，无侧限抗压强度下降了约30.0%，含水率由13%增加至15%时，无侧限抗压强度下降了约23.0%，平均下降幅度约为27.0%；对于高聚物掺量为5%的试样，其无侧限抗压强度随含水率增高而下降的幅度较小，平均降幅约为7.1%.

从图5 同样可以看出：高聚物掺量为5%的试样，其无侧限抗压强度随粉土含水率的变化较小，表现出部分线性关系；其他掺量下的试样为非线性变化，即随着含水率的升高，无侧限抗压强度的下降趋势有所缓和.这是因为，在含水率较小时，粉土中水的存在，将会影响高聚物与土颗粒的黏结.当含水率在较低范围内变化时，这种影响比较明显，含水率为无侧限抗压强度的主要影响因素；当含水率处于较高水平时，由于大量水分的存在，土颗粒表面被水膜包裹，影响高聚物与土颗粒的粘结能力，含水率在较高范围内变化时，这种粘结能力对强度的影响会明显减弱，主要是高聚物对粉土大孔隙的填充作用影响其无侧限抗压强度.

2.4 高聚物掺量对固化土渗透性的影响

图6为含水率为8%时高聚物掺量与固化土渗透系数的关系.由图6 可见：

（1）在相同龄期下，随着高聚物掺量的增加，固化土的渗透系数逐渐减小.这是因为在相同条件下，高聚物掺量增大，反应后产物会增多，这会导致土的密实度增加，从而使固化土的渗透系数逐渐减小.

（2）随着高聚物掺量的增加，渗透系数下降曲线的趋势并不相同，在高聚物掺量处于较低水平时，渗透系数下降较为“陡峭”，在高聚物掺量处于较高水平时，渗透系数下降较为“平缓”.这是因为高聚物掺量较少时，土颗粒间的大孔隙是主要的渗流通道，掺入粉土中的高聚物基本填充于土颗粒间的较大孔隙.随着高聚物掺量的增多，大孔隙基本被填充后，土颗粒间的微孔隙将被继续填充，而小孔隙对渗透系数的影响较小，因而在高聚物掺量较高时，渗透系数随高聚物掺量的变化就较小.这一结论与水泥土试验规律相近，且高聚物固化土与水泥土的渗透系数基本处于同一数量级［23］.

3 高聚物固化粉土微观分析

前文分别讨论了高聚物掺量、粉土含水率、养护龄期对固化土无侧限抗压强度及渗透系数的影响，这些宏观性能的改变往往由微观特性引起，因此从微观角度分析固化土的性质具有重要意义.

3.1 SEM 结果及分析

图7为高聚物对粉土不同作用形式的SEM 图像.由图7 可见：

（1）含水率8%、未掺高聚物的粉土中土颗粒分布松散，孔隙较大，土颗粒在震动、挤压等外力作用下仍具有可压缩变形的能力.

（2）高聚物固化土的作用形式分为3 种：一是如图7（b）所示，高聚物“覆盖”并“包裹”土颗粒，相互连接形成分布面积较大的片状，并黏附于土颗粒上，形成一层不透水、不透气的“薄膜”，同时由于该层不透水膜的存在，减弱了水在粉土内的渗透能力，从而降低了粉土的渗透性；二是如图7（c）所示，高聚物填充于相邻土颗粒之间的缝隙中，黏连了相邻的土颗粒，提高了土体的密实度；三是如图7（d）所示，高聚物黏连相邻的土颗粒，虽然没有完全填充土颗粒间的孔隙，但是通过“桥接”的方式，形成高聚物骨架.高聚物正是通过以上3 种作用方式，从而大大提高土的强度与抗渗性［21‑24］.

图7 高聚物对粉土不同作用形式的SEM 图像Fig.7 SEM images of different polymer interaction forms

3.2 EDS 结果及分析

图8为素土及高聚物固化土试样表面的元素分布.由图8 可见，掺入高聚物后，固化土颗粒表面C、N、O 的含量明显增加.这是因为高聚物是有机高分子化合物，其中的异氰酸酯（R-N=C=O）和多元醇（nHO-OH）均具有较高的C、N、O 含量，这3 个元素含量的增加，表明聚合物已经有效地附着在土颗粒的表面.

图8 素土及高聚物固化土试样的EDS 测试结果Fig.8 EDS test results of pure and solidified silt soil samples

3.3 XRD 结果及分析

图9为素土及高聚物固化土的XRD 图谱.由图9可见，掺入高聚物前后，试样并没有出现新的衍射峰，只是衍射峰强度略有波动.这表明在将高聚物掺入到粉土中之后，土壤的矿物组成没有改变，并没有形成新的物质.衍射峰强度不同的原因是由于测试的是2 个样品且位置随机，因此物质在粉土中的分布不同，导致衍射峰强度不同.由此可以判断，在粉土和高聚物之间没有发生化学反应，也未产生新的化合物.

图9 素土及高聚物固化土的XRD 图谱Fig.9 XRD patterns of pure silt soil and solidified silt soil

3.4 MIP 结果及分析

孔隙结构特征对粉土的强度有着重要的影响，而高聚物的掺入会改变粉土的孔隙特征，因此研究高聚物掺入前后粉土孔隙结构的变化，对揭示高聚物固化机制有重要的意义.

图10为含水率为8%时不同高聚物掺量试样的孔隙直径分布图，MIP 试验同时获得的其他物理特性如表4 所示.其中,Natural silt soil 是现场取样的粉土，Remoulded silt soil 是将现场取样粉土筛分、压实成型后的土样.由图10 可见，固化土的中间孔径随着高聚物掺量的增加逐渐减小，总孔容积也随着高聚物掺量的增加逐渐降低，说明高聚物掺量越高，土质越致密.

图10 含水率为8%时不同高聚物掺量试样的孔隙直径分布图Fig.10 Pore diameter distribution diagram of samples with different polymer contents under 8% water content

由表4 可见：高聚物掺量为15%试样的堆积密度更大，表明其更致密；孔隙率的显著降低也表明了随着高聚物掺量的增加，土质越来越致密.

表4 不同高聚物掺量试样的物理性质Table 4 Physical properties of samples with different polymer content

由以上分析可知，高聚物固化土高效可行，可以通过降低土体孔隙率进而明显提高土体的强度.

4 结论

（1）高聚物能够对粉土进行有效固化，明显提升粉土的无侧限抗压强度.固化土的无侧限抗压强度随着高聚物掺量的增加而提高，随粉土含水率的增加而减小，随着养护时间的延长而提高.高聚物掺量为15%、粉土含水率为8%固化土的28 d 无侧限抗压强度为6.24 MPa.

（2）高聚物掺入粉土中后，并没有与粉土颗粒发生化学反应，而是通过“覆盖”、“填充”和“桥接”等作用来填充、挤密、连接粉土，形成较大的土颗粒团聚体，提高了粉土的密实度，充分填充了大孔隙，从而提高了粉土的强度.

（3）当粉土含水率为8%、高聚物掺量为15%时，固化土的性能优异，为较优的固化土配合比.