改性納米硅材料加固松散砂土的工程特性研究

徐 崗，裴向軍，袁進科，陳 杰，任 和

(成都理工大學，地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

砂土是一種松散結構的堆積體，其自然狀態下具有強度低、滲透性較強等特點，在我國邢臺地震、唐山地震、2008年汶川地震以及2017年九寨溝發生7.0級地震都出現了砂土引起的災害[1-2]，其中時間最近的九寨溝地震引發了1 000余處的地質災害，主要以中小型淺層滑坡和崩塌為主，產生了大量的松散砂土，在雨水作用下極易產生水土流失。

在傳統的邊坡加固方式中，采用水泥類、格構形式以及護面墻的較多，但是這類方式對于環境具有一定的影響，不利于環保。隨著綠色發展的興起，越來越多的研究者著重于研究綠色型加固劑，以減少對環境的破壞，Kukal 等[3]研究了不同粒徑和不同種類的土壤水穩定性隨著聚乙烯醇濃度增加而增加；李建法等[4]對木質素磺酸鹽用作砂土穩定劑進行了研究，結果表明單獨的木質素磺酸鹽不適用于作為砂土的穩定劑；劉瑾等[5]通過采用丙烯酸等乙烯基單體為主體經過高分子聚合反應對土體進行加固；唐朝生等[6]采用聚丙烯纖維加固軟土并取得了較好的效果；王銀梅等[7]采用高分子材料SH對砂的強度、抗凍性以及抗老化性進行了測試；馮巧等[8]采用聚丙烯纖維和聚氨酯組成的復合材料對砂土進行改良，利用加筋方式配合固化劑一定程度上提高了砂土強度；卜思敏[9]研究了納米硅溶液固化黃土的強度特性及固化機理，結果表明隨著納米粒徑的增大黃土強度逐漸降低。

納米硅溶膠是一種顆粒粒徑在1.5×10-5mm的二氧化硅膠體溶液，分子式xSiO2-nH2O，顆粒晶核是二氧化硅的多聚體，表層被Si-OH基覆蓋，其膠體溶液具有比表面積大、高吸附性、高滲透性等特點，且對環境無毒無害。本文在前人研究的基礎上，結合九寨溝地震引起的大量松散物質的治理，以納米硅材料為基礎，通過添加聚丙烯酰胺類高分子物質進行改性研究，分別測試在改性納米硅材料作用下砂土的無側限抗壓強度、抗剪強度以及濕化崩解特性，從而對改性劑的摻量以及納米硅的濃度提出最優的方案，并對其固化機理進行初步探討，為后續改性納米硅溶液加固砂土提供參考依據。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用砂土取自九寨溝松散砂土。將砂土風干后，剔除大于2 mm和小于0.075 mm的顆粒，得到砂土的粒徑分布(圖1)，其中顆粒粒徑在0.1～1.0 mm之間的含量為80%。試驗所用的改性納米硅加固材料是以納米硅材料與水混合組成納米硅溶液為基礎，以分子量為1 200萬的聚丙烯酰胺為主體組成改性劑混合而成，納米硅溶液的物理特性如表1。

表1 納米硅溶液物理參數Table 1 Physical parameters of the Nano-silicon solution

圖1 砂土粒徑分布曲線Fig.1 Distribution curve of the sand particle size

1.2 試驗方法

1.2.1無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度能反映試樣在無側向壓力的情況下，抵抗軸向壓力的極限強度，是對加固效果評價的重要指標。為研究納米硅濃度與改性劑摻量對砂土強度的影響，參照《土工試驗教程》中三軸壓縮試驗步驟進行制樣，制備納米硅材料濃度為10%，20%，30%三個梯度備用，其中改性劑添加量為砂土質量百分數的0.1%，0.2%，0.3%三個梯度。本次試驗按照加固劑與砂土質量比1︰5拌合，用于制樣的模具采用直徑39.1 mm，高80 mm(圖2)，一共配置16組砂柱樣(試樣編號見表2)，每組3個樣品，控制砂土樣的干密度在1.6 g/cm3，制作過程先將模具刷潤滑油，然后套上保鮮膜(防止加固砂土與模具粘連)，稱取定量的砂土，再以砂土質量百分數確定改性劑的摻量，將改性劑溶解于不同濃度的納米硅材料得到加固液，最后將加固液與砂土拌合。

圖2 砂柱樣品Fig.2 Sand column sample

1.2.2抗剪強度

抗剪強度試驗采用四聯式應變控制式直剪儀，其最大特點是將讀數過程由電腦自動采取，從而減小人為讀數誤差，其中土樣內徑61.8 mm、高20 mm。抗剪強度的土樣配比和無側限抗壓試驗相同，將制備好的土樣在相同條件下養護7 d，試驗過程中，分別施加垂向壓力100，200，300，400 kPa，數據處理剔除變化較大值。

1.2.3濕化崩解

崩解是指土體在水作用下發生分散、塌落，完整性和穩定性遭到破壞，其崩解速率能很好地表明加固砂土抗沖性能，也是評價水土流失的重要指標。本文參考樊恒輝等[10]對土體濕化崩解的測量，利用荷重傳感器和DH5902靜態數據采集儀組裝成簡易的砂土崩解測量儀，主要原理是通過傳感器采集砂土在水中崩解后漏網上剩余試樣質量與浮力的差值。由于試驗中浮力隨著試樣的崩解而不斷變化，因此很難進行精確的測量，結合谷天峰等[11]、曾慶建等[12]對崩解的研究，對浮力進行簡化計算，采用崩解率H分析改性納米硅溶液對砂土濕化崩解的影響：

H=(M0-M儀)/M0×100%

式中：H——已崩解量和土樣初始質量的百分比/%；

M0——土樣的初始質量/g；

M儀——采集儀的換算值/g。

2 實驗結果及分析

本次試驗的結果匯總如表2所示。下面將結合不同的試驗分析改性納米硅材料固化砂土的無側限抗壓強度、抗剪強度以及濕化崩解特性。

表2 試驗結果匯總Table 2 Summary of the test results

2.1 無側限抗壓試驗

在經過相同條件的養護后，測試納米硅材料濃度在10%,20%,30%以及改性劑摻量在0.1%,0.2%,0.3%下加固砂土的強度值，圖3為抗壓強度變化規律。從圖3a中可以看出，在未摻加改性劑的納米硅材料的作用下，砂土的抗壓強度值呈現增長趨勢，當納米硅濃度為30%時抗壓強度值為210 kPa。當在納米硅溶液中加入改性劑時(圖3b)，在納米硅濃度小于10%時，隨著改性劑的增加，加固砂土強度不斷增大，最大達到580 kPa；在納米硅濃度大于10%時，隨著改性劑的增加，加固砂土強度呈現先增長后降低的趨勢，最大值達到970 kPa，是未添加改性劑強度的4.5倍。同時從圖3a中可發現，隨著納米硅濃度的不斷增大，加固砂土的強度呈現先增長后降低的趨勢，其最大強度值出現在納米硅濃度為20%時，說明納米硅濃度過大不利于其強度的增長。

圖3 不同配比下加固砂土強度變化規律Fig.3 Change in strength of the reinforced sand under different proportions

圖4是加固砂土試樣在納米硅濃度20%和改性劑摻量0.2%時破壞方式，可以發現破裂面沿著45°方向，即剪應力最大的方向。

圖4 納米硅濃度20%和改性劑0.2%加固試樣破壞特征Fig.4 Destruction characteristics of the reinforced samples with nano-silicon concentration of 20% and modifier of 0.2%

圖5是在不同配比下改性納米硅材料加固砂土的應力-應變曲線。由于砂土的特殊性，在未添加加固材料的情況下，砂土結構松散無法形成固結體，因此，無法測得其應力-應變曲線。對比在納米硅溶液濃度0%～30%的作用下砂土的應力-應變曲線可以發現，其破壞主要是脆性破壞，破壞過程主要分為三個階段。第一階段為彈性段(e-f段)，曲線表現為直線，隨著軸向壓力的不斷增大，應變的產生主要是顆粒之間的孔隙壓縮，同時砂土具有逐漸擺脫顆粒之間膠結力的趨勢；第二階段曲線斜率逐漸變緩直至變為負數(f-g段)，砂土試樣內部的裂隙逐漸貫通，此時軸向力達到最大值后，應變迅速增大，曲線變現為迅速降低；第三階段為破壞階段(g-h段)，試樣沿著貫通裂隙不斷滑移，軸向應力不斷減小。

圖5 不同配比加固砂土的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of the reinforced sands with different proportions

2.2 直剪試驗

根據直剪試驗數據處理后得到不同配比下加固砂土的抗剪強度值如表2，得到其黏聚力和內摩擦角的變化規律如圖6，其剪切前后的試樣如圖7。

圖6 不同配比下砂土內摩擦角和黏聚力變化規律Fig.6 Variation in the internal friction angle and cohesive force of sands under different proportions

根據圖6可以看出，在納米硅加固液的作用下松散砂土的內摩擦角(φ)和黏聚力(c)明顯提高。相同改性劑摻量下的加固砂樣隨著納米硅溶液濃度的增大，c，φ值都具有較大的增長，呈現先增大后減小的趨勢，最大值可達到173.2 kPa和42.6°，內摩擦角增大了近50%。當納米硅溶液的濃度控制在20%時，隨著改性劑摻量的變化，加固砂樣的c，φ值都出現峰值，但是當改性劑的添加量>0.2%時，加固砂樣的c，φ值逐漸降低，說明改性劑具有最優值，過多或者過少的改性劑影響加固效果，因此其最佳摻量為砂土質量百分數的0.2%左右。

圖7是20%濃度的納米硅和0.2%的改性劑加固試樣剪切前(圖7a)和剪切后(圖7b)的對比圖，從圖7b中可以看出，加固試樣具有明顯的剪破面，破壞面凹凸不平，砂樣顆粒之間接觸緊密，剪切過后的砂樣比較完整，可見砂土顆粒在納米硅加固液的作用下咬合力較大，且顆粒之間呈團聚狀態，改變了原有的松散結構。

圖7 納米硅濃度20%和改性劑0.2%的加固砂樣Fig.7 Reinforced sand samples with nano-silicon concentration of 20% and modifier of 0.2%

2.3 濕化崩解試驗

加固砂土在相同條件下養護28 d后進行濕化崩解試驗，侵泡8 d后崩解狀態記錄如表2，圖8為崩解過程的狀態，圖9為崩解量隨時間的變化。

觀察砂土崩解過程可以發現，試樣在入水后立即產生大量氣泡，隨后氣泡逐漸減少，氣泡完全消失所經歷的時間跟摻加的改性納米硅溶液有關。隨著納米硅材料濃度的逐漸增加，氣泡消失的時間可延長至40 min；當納米硅材料經過改性劑作用后，氣泡消失的時間最長可延長至4 h，說明加固劑改善了土顆粒之間的間距，同時有效填充了孔隙通道。

由圖8可以發現，在摻量0.3%改性劑的單獨作用下，加固試樣崩解比較迅速，崩解核表層軟化且有明顯的絮狀物質析出，使得土顆粒之間的膠結效果減弱(圖8a)；在納米硅濃度10%、改性劑摻量0.2%的加固試樣崩解1 d后，試樣表面沒有絮狀物質析出，顆粒崩解時間延長到3.7 d(圖8b)；在納米硅濃度20%、改性劑摻量0.2%的加固試樣崩解8 d后，試樣保持完整，無顆粒脫落(圖8c)；在納米硅濃度30%、改性劑摻量0.2%的加固試樣崩解3 d后，試樣上表層出現部分脫落現象(圖8d)。

圖8 不同配比下松散砂土加固試樣過程Fig.8 Process of the reinforcing sand samples by loose sand under different ratios

圖9 不同配比下松散砂土加固試樣崩解曲線Fig.9 Disintegration curves of the loose sand reinforcement samples under different ratios

由圖9b可以發現，在單獨納米硅材料的作用下，砂土遇水后快速崩解，濃度越大崩解越緩慢，最長崩解時間為21 h；通過在納米硅溶液中添加改性劑后，加固砂樣的崩解速率逐漸降低，在保持納米硅濃度為20%，改性劑摻量0.2%的作用下，砂土的濕化崩解效果表現最好，其在水中侵泡8 d后基本上保持完整，無崩解現象，說明砂土顆粒在納米硅溶液單獨作用下不具有抵抗侵入水的能力，而在加入改性劑之后，砂土顆粒之間的抗崩解力得到提高，隨著納米硅溶液濃度在20%與改性劑含量在0.2%時，加固的砂土能表現出完全的抵抗侵入水的作用，在水的作用下并不能使得包裹砂土顆粒之間的改性納米硅材料失去粘結性，有效地改善了砂土遇水崩散的特性。

3 加固機理初探

根據上述試驗可知，在砂土中加入改性納米硅材料后，其結構特性得到改善，由于改性納米硅材料是由1.5×10-5mm的微小顆粒和可溶性改性劑溶于水之后形成的加固材料，納米SiO2在溶液中呈三維網狀結構，同時表面含有大量的不飽和殘鍵和不同狀態的羥基，可以使多種物質與SiO2顆粒發生化學修飾[16]，改性劑中主要是PAM非離子型高聚物，其溶于水后所形成的長鏈結構，在與SiO2顆粒發生修飾之后進而影響顆粒之間的ξ電位平衡。

當改性納米硅溶液與砂土顆粒混合后，逐漸將土顆粒包裹形成表面網狀層，由于分子鏈的活性很強，在土顆粒表面形成一層具有強粘結力的薄膜，增加了砂土顆粒表層的黏聚力和摩擦力，使得砂土顆粒之間接觸緊密，同時部分納米硅顆粒所形成的團聚體填充于砂土顆粒形成的孔隙之中，有助于連接不同粒徑砂土顆粒，增強其結構特性。當納米硅濃度過大時，SiO2-nH2O粒子增多，形成的團聚體過大，反而增加了土顆粒之間的間距，不利于顆粒的受力，進而降低了加固砂土的強度。

4 結論

(1)改性納米硅加固材料是由顆粒在1.5×10-5mm的SiO2材料為基礎，摻加可溶性的聚丙烯酰胺類作為改性劑配置而成的加固材料。

(2)改性納米硅材料提高了砂土的抗壓強度和抗剪強度，改善了其抗崩解特性。當納米硅濃度在20%、改性劑摻量0.2%時，加固砂土抗壓強度達到最大970 kPa，且加固的砂土能完全抗崩解。當納米硅濃度在20%、改性劑摻量0.3%時，加固砂土c、φ值達到173.2 kPa和39.3°。

(3)砂土經改性納米硅材料加固后，顆粒表層形成包裹膜，使得顆粒之間接觸更加緊密，同時納米硅顆粒有效地填充了顆粒之間的孔隙通道，增強了砂土的結構性。結合試驗過程中改性納米硅溶液的可操作性，以及施工的方便性，建議加固松散砂土中納米硅溶液的濃度控制在20%，改性劑的摻量0.2%為最佳。