考慮顆粒級配影響的高聚物改良鈣質砂抗剪強度特性試驗研究

陳青生， 李宇軒， 肖衡林， 彭 彎， 張琎煒

(湖北工業大學土木建筑與環境學院, 武漢 430068)

鈣質砂是海洋生物成因的特殊巖土介質，其富含碳酸鈣、碳酸鎂以及其他難溶碳酸鹽類物質，廣泛分布于中國南海海域，其特殊的形成機制，生成了高孔隙比、內摩擦角大、顆粒形狀不規則、顆粒易破碎等特征，使其工程力學性質與陸源砂相比有顯著的區別[1-5]。中國對于南海南沙群島的開發與利用將隨著“建設海洋強國”戰略目標的提出而進一步加強，其中各種基礎設施建設和使用過程中將不可避免出現鈣質砂地基問題[6]。若直接采用鈣質砂作為地基土體，很容易出現地基不均勻沉降。因此，對南海鈣質砂地基進行地基加固處理十分必要。

然而，當前中外對鈣質砂地基處理的研究尚處于初步探索階段，鈣質砂地基評價標準在中國尚無規范可借鑒[7]。采用水泥、石灰等固化劑改良土體特性是當前地基處理最有效的方法之一。然而，一方面，固化土體強度雖然可大幅度提升, 但其剛度和脆性也顯著提高，機場跑道、道路路基等在動荷載作用下，極易出現道面斷裂和地基不均勻沉降，嚴重影響其正常運行，易造成安全事故；另一方面，大量使用水泥等強堿性固化劑將破化土體酸堿平衡，嚴重危及海洋植被生長，破壞海洋生態。當前，澳大利亞等一些西方發達國家已明文規定限制水泥、石灰等強堿性固化劑在地基處理中的使用[8-10]。因此，對南海鈣質砂地基，特別是機場跑道、路基等，若能采用柔韌性、抗裂性能較好且環保的膠凝材料，使改良土體強度提高明顯，但剛度變化不大，則可望明顯改善鈣質砂不良工程特性，從而作為回填材料廣泛應用于南海島礁建設。

高聚物是一種高分子量化合物，由大量相同的、簡單的基本鏈節作為結構單元經由共價鍵重復連接而成，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]，如強度提高快、密度小、黏結性高、韌性好、環保持久，是非水敏感性材料，長期不干縮、不變質。近年來，許多中外學者開始嘗試將高聚物在巖土工程領域展開應用。例如：劉建成[12]進行了聚氨酯砂土固結機理的研究，并將其應用于新疆吉木乃縣的某處砂土質邊坡坡面防護，取得了良好的砂土固化效果。張猛[13]對高聚物材料以及混合料的力學特性進行了研究，并通過對現場注漿試驗的探究，確定了統一的施工過程。此外，一些學者還將高聚物應用于改良堆石料力學特性，例如：劉漢龍等[14-15]、劉平等[16]通過試驗研究指出，高聚物可填充堆石顆粒間孔隙，增強堆石顆粒之間的膠結能力，能有效減少顆粒破碎、重組顆粒排列，減小殘余變形，其表現出良好的抗震性能。然而，利用高聚物對顆粒多孔隙、形狀不規則、且極易破碎的鈣質砂地基進行地基加固的研究至今尚無人問津。

鑒于此，本文以中國南海某島礁典型回填工程為背景，提出采用環保固化劑高聚物對鈣質砂地基進行加固。通過開展直接剪切試驗以及SEM(scanning electron microscope)微觀結構試驗，研究高聚物固化鈣質砂的抗剪強度、黏聚力、內摩擦角等參數隨著高聚物摻量和鈣質砂顆粒級配變化的演變規律，以及高聚物改良鈣質砂力學性能的微觀機理，從而為將環保固化劑高聚物應用于南海島礁鈣質砂地基加固提供一些試驗和理論參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 鈣質砂

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

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

表1 土樣級配系數

1.1.2 高聚物

試驗選用的高聚物為聚氨酯泡沫膠黏劑(polyurethane foam adhesive，PFA)屬于硬質發泡類，由A料和B料雙組分構成。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將A液與B液在常溫下按質量比1∶1進行稱量后快速攪拌數秒后即發生反應膨脹(圖2)。

1.1.3 制樣方法

制備試樣時為避免鈣質砂發生顆粒破碎，以干密度ρ=1.5 g/cm3作為控制標準，改良鈣質砂中高聚物的摻量Rw(高聚物質量與試樣總質量之比)分別為4.5%、6%、7.5%。稱取一定量配好的三種級配鈣質砂顆粒放入器具內，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內置入試驗模具內，并將表面壓平整，待養護7 d后，飽和完成脫膜，即可得到高聚物鈣質砂試樣。以級配1為例，試樣如圖3所示。

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

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

1.2 試驗方案

1.2.1 直接剪切試驗

直接剪切試驗采用應變控制式直剪儀(ZJ型，南京土壤儀器)，制備的試樣為Φ61.8 mm×20 mm的環刀樣。將制好的不同級配，不同高聚物的試樣在應變控制式直剪儀中進行固結，固結變形穩定標準為不大于0.005 mm/h。固結完成后施加垂直壓力，對各組土樣均施50、100、200、400 kPa的法向應力，進行快剪試驗，剪切速率為0.8 mm/min。

1.2.2 SEM微觀試驗

采用SU8010高分辨場發射掃描電子顯微鏡對樣進行SEM試驗，試驗前將不同級配、不同高聚物摻量的鈣質砂試樣取少許樣品進行烘干，然后對試樣進行噴金處理，最后分別觀察試樣的細觀結構。

2 試驗結果與分析

2.1 剪應力-位移曲線特征

圖4為顆粒級配相同條件下不同摻量高聚物改良鈣質砂的剪應力-位移曲線。由于篇幅所致，僅以某一種高聚物改良鈣質砂(級配1)為例進行分析其應力應變特征。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的未改良鈣質砂在剪切過程中均未出現明顯的剪應力峰值，其剪應力開始時隨著剪切位移的增加而持續增大，而后趨于穩定，呈現出硬化特征。

當高聚物摻量Rw=4.5%時，改良鈣質砂初期剪應力增長率明顯增大，即試樣模量顯著提高。此外，相對于未改良的鈣質砂，改良鈣質砂具有峰值，但剪應力達到峰值后略微下降，剪應力-位移曲線呈現出的軟化特征并不明顯[圖4(b)]。

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

圖4 鈣質砂的剪應力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-displacement curves of calcareous sand

2.2 抗剪強度特性

根據摩爾-庫倫強度理論：

τf=c+σtanφ

(1)

式(1)中：τf為破壞截面上剪應力，即土的抗剪強度，kPa；c為土的黏聚力，kPa;σ為破壞截面上的正應力，kPa；φ為土的內摩擦角，(°)。圖5為各工況條件作用下鈣質砂抗剪強度包絡線。由試驗結果可知，高聚物摻量對抗剪強度的影響顯著，隨著高聚物摻量的增大，各顆粒級配條件下的高聚物改良鈣質砂抗剪強度包絡線均向上平行移動，即抗剪強度大幅度提高。例如：在200 kPa垂直壓力作用下，當高聚物摻量從0增加至7.5%時，鈣質砂在級配1下的抗剪強度從201 kPa大幅度增加至489 kPa。對比圖5(a)～圖5(c)可知，給定高聚物摻量條件下，鈣質砂顆粒級配對改良鈣質砂的抗剪強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，鈣質砂在級配1下的抗剪強度明顯高于級配2?；诖?，下面將進一步分析以上因素(高聚物摻量及鈣質砂顆粒級配)對高聚物改良鈣質砂抗剪強度的影響。

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

2.2.1 高聚物摻量對鈣質砂抗剪強度的影響

土的強度主要有黏聚力c和內摩擦角φ，為了便于直觀分析高聚物摻量與黏聚力、內摩擦角關系，分別繪制了高聚物摻量與鈣質砂黏聚力和內摩擦角的關系曲線，如圖6所示。由圖6可知，鈣質砂的黏聚力隨著高聚物摻量的增大而增大。特別是，當高聚物摻量大于4.5%時，改良鈣質砂黏聚力隨高聚物摻量的增長率快速提升[圖6(a)]。然而，高聚物摻量對土樣內摩擦角影響不明顯，隨著高聚物摻量的增大，改良鈣質砂內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砂顆粒之間的黏聚力來增大其抗剪強度，對內摩擦角的影響較小。

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

2.2.2 顆粒級配對鈣質砂抗剪強度的影響

土顆粒的粗細程度大多用平均粒徑D50[17]描述，其物理學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?；诖?，根據試驗結果繪制了給定高聚物摻量條件下不同級配的鈣質砂的抗剪強度與平均粒徑D50的關系曲線，如圖7所示。

從圖7中可以看出，鈣質砂的抗剪強度隨著級配中粗顆粒的增多而增大，特別是，采用高聚物對砂土試樣進行改良后，級配對鈣質砂強度的影響更加明顯。該現象可作如下解釋：當破壞截面上下部分顆粒發生位移時，首先必須克服咬合力，對于砂土而言，顆粒越粗大，破壞截面發生變形時克服咬合力往上爬的坡越陡峭，其抗剪強度也就越大[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行化學反應，其抗剪強度變化也就越大。

圖7 鈣質砂抗剪強度與平均粒徑D50關系曲線Fig.7 Correlation between shear strength and average particle size D50 of calcareous sand

2.3 高聚物微觀膠結機制

圖8為部分不同級配、不同高聚物摻量高聚物改良鈣質的SEM微觀試驗結果。圖8(a)是將顆粒放大200倍的結果，可以看到鈣質砂顆粒本身形狀不規則，顆粒菱角突出，顆粒之間主要是點接觸。由于鈣質砂顆粒之間留有較大的空隙，因此在高聚物的反應過程中能為其提供良好的膠結環境，使得膠結反應過程能夠較好地進行。圖8(b)～圖8(d)為相同顆粒級配、不同高聚物摻量下鈣質砂顆粒的表面微觀形貌，可以看出，鈣質砂經過高聚物膠結，鈣質砂原有顆粒表面被高聚物包裹，高聚物包裹的細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)可以發現，隨著高聚物摻量的增加，在鈣質砂表面包裹的高聚物明顯增多，鈣質砂顆粒間的接觸方式由最初的點接觸逐漸轉變為面接觸，在這一過程中形成的結構物提高了土顆粒間的連接強度，讓松散的鈣質砂試樣膠結成為一個整體，高聚物改良鈣質砂的抗剪強度也因此得到提升。

圖8(b)、圖8(e)、圖8(f)表示相同高聚物摻量、不同顆粒級配下鈣質砂顆粒的表面微觀形貌，可以看出，當鈣質砂中細小顆粒較少時，高聚物主要包裹在大顆粒上，通過大顆粒將細小顆粒黏結在一起，隨著鈣質砂中細小顆粒的增多，其黏結方式也會發生改變，高聚物會先將細小顆粒黏結成團，然后與其他顆粒進行黏結。根據圖8可以發現，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，高聚物的膠結作用可進一步加強。

圖8 不同高聚物膠結不同級配鈣質砂的SEM試驗結果Fig.8 Scanning electron microscope for calcareous sand with different particle size distributions and PFA content

3 結論

通過室內直剪試驗和SEM掃描電鏡試驗分析不同高聚物摻量和不同級配的鈣質砂的抗剪強度特性和高聚物膠結微觀機理，得到以下結論。

(1) 純鈣質砂的剪應力開始時隨著剪切位移的增加而持續增大，而后趨于穩定，呈現出硬化特征；當高聚物摻量為Rw=4.5%時，改良鈣質砂(級配1)初期剪應力增長率明顯增大，即試樣模量顯著提高，同時，其剪應力在達到峰值后略微下降，剪應力-位移曲線呈現出的軟化特征不明顯；當高聚物摻量為Rw=6%和Rw=7.5%時，試樣的模量和應力峰值顯著提高，但改良鈣質砂(級配1)的剪應力-剪切位移曲線的軟化特性趨于明顯。

(2)高聚物摻量對抗剪強度的影響顯著，隨著高聚物摻量的增大，各顆粒級配條件下的高聚物改良鈣質砂抗剪強度包絡線均向上平行移動，即抗剪強度大幅度提高。值得提醒的是，高聚物主要通過影響鈣質砂的黏聚力來增加其抗剪強度，對內摩擦角的影響很小。

(3)顆粒級配對高聚物鈣質砂的改良效果影響顯著。鈣質砂中粗顆粒含量越多，其孔隙越大，高聚物反應越明顯，其強度變化也越明顯。鈣質砂的抗剪強度隨著級配中粗顆粒的增多而顯著增大。然而，當試樣細顆粒較多時候，顆粒間的孔隙變小，高聚物鈣質砂的改良效果減弱，但細顆粒鈣質砂仍存在孔隙通道，隨著高聚物含量的增加，高聚物的膠結作用仍可進一步加強。

(4)微觀試驗結果表明，高聚物改良鈣質砂的剪切強度，主要是通過高聚物包裹鈣質砂顆粒表面，逐漸改變鈣質砂顆粒間的接觸形式(由點接觸逐漸變為面接觸)，進而加強顆粒間的膠結作用。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行膠結，增強土顆粒之間的連接強度，使得土體的抗剪強度得到提高。