环氧树脂改性材料在松软路面固化工程中的应用研究

何 佳,孙 虎,刘志义

(1.陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 710300;2.兰州理工大学,甘肃 兰州 730050)

泥泞道路、海滩、沙地等松软地面最大的特点就是其力学性能差、含水量大,车辆在未加固的松软地面上行驶时,很容易发生打滑、沉陷、侧滑等事故,严重制约车辆装备的快速通行。且在灾害救援、海上抢滩登陆等行动中,也需要进行松软地面的快速加固以保障交通顺畅。复合固化剂的组分大致有水泥、矿渣、环氧树脂等,将其铺浇于松软地面上可迅速与土颗粒混合同时发生固化反应,形成一硬化层,将其应用于松软地面的加固已成为道路工程实践的重要研究方向[1]。对此,本文设计了复合加固材料加固沙滩地面的力学强度测试、加固淤泥地面的稳定性测试。采用不同的复合固化材料,设计了试验方案与流程,试验结果证明:采用复合固化材料固化松软路面,可使得地面有着较高的力学强度和较好的稳定性,可显著提升松软地面的路用性能。

1 复合固化材料加固松软地面的现状分析

1.1 松软地面加固研究现状

在当前松软地面道路工程实践中,普遍利用复合固化材料对松软地面进行加固,保护生态环境的同时提高松软地面的路用性能。诸多研究人员和学者对固化松软地面的力学性能、固化机理以及稳定性进行了研究,发现固化淤泥有着明显的固结屈服应力,固化材料中水泥掺量的增大,可增加土体的粘聚力和内摩擦角,屈服前阶段胶结作用决定固化淤泥的强度,屈服后阶段由构成作用所决定。水泥掺量和龄期会影响固化淤泥的持水性,水化产物在胶接填充作用下可改变淤泥的孔隙结构,使得淤泥有着更高的持水性,可有效阻止内部重金属迁移。在实际的松软地面固化过程中,固化土的压实时间过长,虽然便于固化土的密实,但会损失部分的土体胶接强度,因此,为更好发挥水泥材料的胶结作用,固化土拌合后应尽快使用[2-3]。

1.2 环氧树脂固化剂与其固化机理

新型的复合固化材料除了包含水泥、生石灰、矿渣等材料以外,还有高分子吸水树脂、环氧树脂等材料,更有助于松软地面力学性能和稳定性的提升。环氧树脂胶是一种以环氧树脂为主体制备的胶粘剂,胶体中包括环氧树脂固化剂,否则该胶粘剂不能固化。环氧树脂胶有着固化速度快、固化强度高、粘接力强等特点,在道路工程、桥梁工程以及堤防加固工程中应用广泛。环氧树脂固化材料的固化机理为:快速渗透至松软路面的表层,与交联剂发生缩合反应形成网状立体聚合物,将脱水后的表层土壤包络在其中,从而在路面表层形成高强度的板体结构层。松软地面中的水分会影响环氧树脂固化剂的固化效果,而水下环氧树脂固化剂材料则能够不受水分的影响,可将其直接铺浇于沙滩、海滩松软地面,在固化剂的作用下,环氧树脂发生化学变化形成网状立体聚合物,包络沙土颗粒形成硬壳层[4-5]。

2 复合固化材料在松软地面道路工程中的应用

2.1 复合固化剂固化沙滩的力学强度分析

2.1.1试验设计与试样制备

采用810型水下环氧树脂复合固化材料,进行室内的松软地面固化抗压强度模拟试验,试验温度为常温20 ℃,采用某水域的海沙模拟沙滩环境,其含水量为25%左右。将环氧树脂灌浆液、ISS离子土壤固化剂和沙土按照不同的配比,设计为3组试验,每组一次测试5个试样,共测试3次。对每个试样进行不同固化时长下的无侧限抗压强度测试,将同一固化时长的试样作为平行对照,以3次测试的平均值为最终结果[6-7]。

制作过程中先在土样中添加一定配比的ISS离子土壤固化剂,静置一段时间后再添加一定配比的环氧树脂复合固化材料,制作出试验设定不同配比的试样,将试样制备为Φ=50 mm、h=50 mm的标准圆柱体,静置脱模后用塑料薄膜包裹密封,养护1周左右。采用DW-1型无侧限压力仪在不同的固化时长下进行试样的抗压强度测试[8]。

具体测试流程为:将试样两端均匀涂抹一层凡士林,置于无侧限压力仪上加载。调整测力计,启动开关,记录电机每转动一圈时的仪器读数;当测力计读数达到最大值时,继续进行3%以内的应变后停止;当读数无稳定值时,压力仪的轴向应变应达到15%后才可停止测试。关闭压力仪,取出试样,记录与分析试样破坏后的形状。

2.1.2试验结果分析

不同配比的复合固化材料固化松软地面的无侧限抗压强度测试结果如表1所示[9]。

表1 松软地面固化力学强度试验结果Tab.1 Test results of mechanical strength of soft ground curing

由表1可见,这3种配比的试样在0.5 h的固化时长下,无侧限抗压强度均较小,强度增加不明显。随着固化时长的增加,试样的抗压强度逐渐增加,说明试样的初步凝胶时间约为0.5 h。在1.0～2.0 h时,试样的抗压强度提升显著,尤其是第1组配比。通过这3组配比的分析,当骨料比例不变,复合固化材料比例增加时,与前2组相比,第1组的试样强度更高,但其固化前期的抗压强度差距不大。说明固化剂的含量受松软地面加固效果的直接影响因素,固化材料的含量越多,加固效果越明显,但短期内的变化不显著。2.0 h后试样的抗压强度依旧快速增加,时间越长,试样力学强度的提升速度越快,说明该环氧树脂复合固化材料加固松软地面时,固化初期是ISS离子土壤固化剂对土壤中水分的改变阶段,后期水分逐渐排出,环氧树脂在当前基础上快速固化,将脱水后的沙土颗粒包络于网状体中,使得松软地面以较快速度有着较强的力学强度,通用车辆的最低通行要求一般为0.4～0.7 MPa,可见其能够满足这一通行要求[10-12]。

2.2 复合固化剂固化淤泥的稳定性分析

2.2.1试验设计与试样制备

采用某地区近海沉积的淤泥为测试对象,进行湿润条件下固化淤泥的水稳性的模拟测试。淤泥的含水率在66%左右,粘粒含量约占36%。采用水泥、生石灰、高铁酸钾和高分子吸水树脂材料制备所需复合固化剂,其配比为:6∶2∶0.5∶2,其中高铁酸钾常作为无毒、高效的消毒剂用于污水、污泥的处理,高分子吸水树脂对于去离子水的吸水倍率大于等于400倍,在加热加压条件下也不易失水。

向淤泥中掺入不同掺量的固化材料,混合为4种固化淤泥试样进行对比分析,分别为未固化淤泥试样、掺6%水泥和掺15%水泥的固化淤泥试样以及掺有复合固化剂的固化淤泥试样。将固化淤泥制成Φ=62 mm,h=20 mm的饼状试样。将养护1周后的试样进行浸水试验,置于玻璃水槽中,加入去离子水并完全淹没试样,间隔1 h、24 h、3 d和14 d对试样崩解情况进行拍摄,分析复合固化剂的固化效果[13]。

2.2.2固化淤泥的浸水崩解情况分析

浸水后,试样的表面孔隙和裂纹中会快速吸收水分子至饱和状态,此时,淤泥颗粒间的作用力会减弱。未固化的试样浸水1 h后表面迅速呈现网状裂缝,随着浸水时长的增加,试样侧面土颗粒粘接力消失,出现掉块现象,于某一刻突然崩解;掺6%水泥的试样在浸水1 d后才出现裂缝,之后裂缝扩展延伸,在14 d后呈现较宽的裂缝,但未崩解;掺15%水泥的试样整个过程中未出现破坏,这是由于水泥水化反应和火山灰反应生成胶凝物质,和土颗粒间存在胶接作用提升了固化效果;掺入复合固化剂的试样在整个过程中仅有少量土颗粒的剥落,这说明复合固化剂的添加有助于增强淤泥路面的整体稳定性,而土颗粒的剥落可能是吸水树脂吸水膨胀造成。将该无毒、稳定、环保的复合固化剂应用于松软淤泥路面的处理,可满足道路工程对于路面强度、变形和稳定性的要求[14-15]。

2.2.3固化淤泥的耐久性分析

对上述后3种掺入量固化淤泥试样进行干湿循环作用下的耐久性分析,对比各试样的质量损失率分析复合固化剂对松软地面的耐久性影响。具体测试流程为:为每种掺入量制备7个试样,一个试样作为参照,称量参照试样的质量,将其余6个试样平均分为试验样和控制样,试验样放入烧杯中置于60 ℃左右的烘箱中烘干24 h;控制样放入烧杯中置于室温、湿度大于95%养护箱中养护24 h。然后全部取出静置1 h,于室温环境下向烧杯中加入去离子水淹没试样培养23 h。最后取出试样冲洗试样表面碎屑,观察试样的损坏情况,并测定烧杯中残余固体部分质量,重复该干湿循环过程12次[16-17]。判定固化淤泥试样质量损失情况的依据为试样破坏情况和平均累积相对质量损失率(S),若S小于30%,试样未明显破坏则证明试样的耐久性符合道路工程要求,其计算公式:

(1)

式中:Wi,s、Wi,c分别表示第i次循环试验样与控制样的干质量损失;Ms、Mc分别表示试验样和控制样的干质量。经过计算与损坏情况观察分析,得到干湿循环过程中各固化淤泥的平均累积相对质量损失率变化曲线,具体如图1所示[18]。

图1 固化淤泥质量损失率变化曲线

由图1可知,只掺有水泥的前2个固化淤泥试样随着循环次数的增多,它们的平均累积相对质量损失率迅速增长,分别在第3、7次干湿循环时出现明显损坏且整体崩解,说明仅采用水泥进行淤泥的固化无法达到道路工程的使用要求。掺有复合固化剂的固化淤泥试样经过全部循环后整体平均累积相对质量损失率仅为3.9%,前3的干湿循环使得固化淤泥试样出现了一定的质量损失,之后的循环中质量损失较为平缓。12次循环后试样的表面只有轻微的剥落现象,不存在明显裂缝,说明利用复合固化剂进行淤泥松软地面的加固,其能够拥有较好的耐久性,有助于提升固化淤泥的路用性能[19-20]。

3 结语

(1)随着固化时间的增加,复合加固剂加固试样的力学强度不断增加,固化材料的含量越多,加固效果越明显;

(2)掺入复合固化剂的固化试样在浸水条件下有着较好的整体稳定性,仅有少量土颗粒的剥落。经12次干湿循环后掺入复合固化剂的固化试样,其平均相对质量损失仅为3.9%,耐久性远高于仅掺入水泥的固化试样,可提升固化淤泥地面的稳定性。