雙聚雙交聯固化黃土抗壓試驗及機理研究

2021-06-16 10:29:44裴向軍朱利君張曉超

人民黃河 2021年6期

任童，裴向軍，朱利君，張曉超

（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）

黃土結構常會出現變形、坍塌、沖蝕、液化等破壞現象，因此需要進行加固。土壤固化劑作為一種新型工程材料能改善土壤性質和土體結構，通過凝聚和膠結作用把細粒土變為較大的團粒結構，減少土顆粒之間的孔隙，提高土體的強度。但是這些土壤固化劑最重要的問題是強度低，容易發生脆性破壞，不能完全滿足實際工程施工需要。為了解決這些問題，國內許多單位和學者已經開始了長期的研究和探索。董邑寧等［1］采用固化劑ZDYT-1加固蕭山黏土，分析了摻入比和含水率對強度的影響，描述了抗壓強度與變形系數的關系。賀智強等［2］分析了木質素加固黃土的工程特性。劉瑾等［3］選取聚氨酯型固化劑對砂性土進行改良，分析了改良砂性土的破壞模式，得出聚氨酯型固化劑改良砂性土最佳摻量及養護時間。裴向軍等［4］發現改性CMC通過滲析與膠結作用，能提高土體水穩性和抗沖蝕性。張虎元等［5］探討了抗疏力固化劑在我國黃土地區運用的可行性。張麗萍等［6］研究得出了SSA固化劑在黃土中使用的最佳摻量和養護齡期。本文選取雙聚雙交聯土壤固化劑對黃土進行改良，通過無側限抗壓試驗測定其抗壓強度、峰值應變等參數，研究固化劑摻量、干密度、養護條件對固化黃土的影響，分析其應力應變特性、破壞模式及加固機理，為黃土加固過程中該固化劑的應用提供依據。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括陜西延安Q3黃土和雙聚雙交聯土壤固化劑。黃土的天然密度為1.60 g/cm3，天然含水率為1.7%，液限為26.1%，塑限為15.7%，塑性指數為10.4。雙聚雙交聯土壤固化劑是由兩種有機溶液和兩種無機溶液通過混合形成的復合型材料，外觀為透明的無色水溶液，無刺激性氣味，無毒無害，表觀黏度為16～17 mPa·s。

1.2 試驗方法

把烘干黃土過2 mm篩，制備固化劑摻量C分別為18%、20%、22%、24%、26%，干密度ρd分別為1.40、1.45、1.50 g/cm3的無側限抗壓強度試樣，抗壓強度試樣在50 mm（直徑）×100 mm（高）的圓柱形模具內手工壓實，在室內通風干燥處自然養護。通過CSS-44100電子萬能試驗機測定養護好的試樣的抗壓強度，每組無側限抗壓強度值為3個平行試樣結果的算術平均值，當平均值和單個試樣的測試值之間的差異超過平均值的±15%時，剔除該試樣的測試值，計算剩下2個試樣的平均值。把素黃土（不摻加固化劑）設為對照組，分析固化黃土的抗壓強度特性及影響因素。

2 結果分析

2.1 固化黃土抗壓強度與固化劑摻量的關系

由圖1可以看出，固化黃土抗壓強度與固化劑摻量成線性關系，而且相關性較好（確定系數R2都在0.9以上）。另外，固化黃土的強度隨摻量的增大而增大，干密度為1.40 g/cm3時，C=20%、22%、24%、26%對應的固化黃土強度相比于C=18%時增長幅度分別為6.82%、29.18%、27.56%、5.92%，干密度為1.45 g/cm3時對應強度增長幅度分別為26.50%、45.35%、13.54%、13.71%，在這兩種干密度下，C由20%增長到22%時，強度增長幅度最大，之后增長幅度放緩；干密度為1.50 g/cm3時，C=18%、22%、24%對應的固化黃土強度相比于C=0%時增長幅度分別為15.42%、24.62%、15.46%，C=24%、26%時固化黃土的強度降低。出現這一現象的原因是，當干密度較大時，土粒之間的孔隙較小，固化劑摻量較大時，試樣比表面積有限，吸附不了這么多固化劑，導致固化黃土成形后因塑性過大而影響了試樣的脫模，同時固化黃土實際含有的固化劑沒有達到設計摻量，強度降低。因此，應基于實際工程的需要選用固化劑的摻量。

圖1 固化黃土抗壓強度與固化劑摻量的關系

2.2 固化黃土抗壓強度與干密度的關系

由圖2可以看出，固化黃土的強度相比素黃土大幅提高。

圖2 固化黃土抗壓強度與干密度的關系

C=18%、20%時固化黃土抗壓強度隨干密度的增大而增大。C=22%～26%時固化黃土抗壓強度隨干密度的增大呈現先增大后減小的趨勢。因此，干密度在1.40～1.45 g/cm3范圍變化時，抗壓強度變化明顯，干密度在1.45～1.50 g/cm3范圍變化時，抗壓強度變化不明顯。出現這種現象的原因是:固化劑的黏結力和外部的夯擊搗實能量是決定固化黃土單軸抗壓強度的兩個主要因素。干密度較小時，固化劑的黏結作用大于夯擊作用，所以抗壓強度變化明顯；干密度較大時，夯擊作用遠大于固化劑的黏結作用，所以抗壓強度變化不明顯。同時在夯擊作用下，顆粒間孔隙變得非常窄，較小的固化劑摻量有助于抗壓強度的增長，但摻量增長到一定程度時就起不了黏結作用了，甚至出現冒漿的現象，抑制抗壓強度的增長，所以強度先增大后減小。

2.3 固化黃土抗壓強度與養護條件的關系

對干密度為1.50 g/cm3，固化劑摻量分別為0%、18%、20%、22%、24%、26%的試樣，對比烘干養護和自然風干養護兩種條件下的無側限抗壓強度。由圖3可知，烘干養護的固化黃土的抗壓強度稍高于自然風干養護固化黃土的。原因是烘干條件下溫度較高，試樣中水分揮發到空氣中的速率較快，固化劑形成的網狀膜硬化速率更快，這種網狀膜結構對土顆粒的連接和包裹作用有助于固化黃土強度的增大；與烘干養護持續高溫干燥的環境相比，在環境濕度相對較大的自然風干養護條件下，固化黃土可能在干燥后又吸收空氣中的水分，延緩網狀膜的失水硬化，從而出現這種現象。

圖3 固化黃土在不同養護條件下的強度

2.4 無側限抗壓試驗應力應變關系

本文將應力應變曲線的峰值應力定義為抗壓強度（qu），相應的應變為破壞應變（εf），固化黃土應力應變曲線的非線性使得其變形模量隨著應力的變化而變化，并非定值。取抗壓強度的1/2與其所對應的應變值的比值即應力從0至qu間曲線的割線斜率作為固化黃土平均變形模量（E50）。類似地，采用抗壓強度與其所對應的應變值的比值即應力變化由0至qu曲線的割線斜率作為固化黃土極限變形模量（Ef）。

（1）破壞應變與抗壓強度的關系。當固化黃土遭受壓縮破壞時，評價固化黃土變形特征的一個關鍵指標是破壞應變。破壞應變小，材料為脆性破壞；破壞應變大，則可認為材料韌性較好。韌性材料常常被認為是理想工程材料。圖4為固化黃土抗壓強度與破壞應變的關系。由圖4可知，破壞應變隨抗壓強度的增大而減小，當干密度為1.40、1.45 g/cm3時，破壞應變基本分布在0.4%～1.1%之間；當qu＜600 kPa時，破壞應變絕大部分分布在0.8%～1.1%之間，降低幅度大；當qu＞600 kPa時，破壞應變分布在0.4%～0.6%之間，降低幅度逐漸變小。當干密度為1.50 g/cm3時，破壞應變基本分布在0.6%～1.8%之間，降低幅度變化較小。可將破壞應變與抗壓強度的關系擬合為乘冪關系，即εf=aqbu。其中:a、b為常數，當干密度為1.40、1.45 g/cm3時，a=32.33、b=-0.592 0，確定系數R2=0.870 1；當干密度為1.50 g/cm3時，a=9.48×10-6、b=-2.278 4，R2=0.931 4。雖然個別點存在偏離，但是大部分點能較為明顯地反映變化趨勢。

圖4 破壞應變與抗壓強度的關系

（2）E50（Ef）與抗壓強度的關系。變形模量作為表征材料抵抗彈塑性變形能力的參數，可以用無側限條件下壓應力與相應應變之比來計算。計算E50（Ef）并點繪成圖（見圖5）可以發現，E50（Ef）與qu之間的關系為線性，擬合式為

（3）應力應變關系擬合。土體應力應變曲線常用雙曲線方程σ=ε/（a+bε）［7］擬合，可變換為ε/σ=a+bε，其中ε為應變，σ為應力，a、b為參數，由此可見應力應變為線性關系。由試驗結果可知，固化黃土應力應變并不是線性關系，所以使用雙曲線方程來擬合并不理想。由于固化黃土在達到峰值強度后，試驗條件對其應力應變曲線下降段有所影響，精度達不到要求，因此選取應力應變關系上升段進行研究，最后選用拋物線進行模擬，擬合方程如下:

圖5 E50（E f）與抗壓強度的關系

以σ/qu為縱坐標、ε/εf為橫坐標，繪制實測數據圖，試驗參數A、B見表1。以干密度ρd=1.45 g/cm3為例（見圖6），實測應力應變曲線和模擬的拋物線曲線吻合情況較雙曲線模擬有明顯的改善。曲線在應力應變初期和彈塑性階段存在一定的偏差，彈性階段吻合效果令人滿意，這說明拋物線模擬可以較好地反映實測應力應變曲線的基本特征，但拋物線曲線對破壞后的點不能擬合。

表1 固化黃土拋物線模擬參數A、B值

圖6 固化黃土（干密度1.45 g/cm3）應力應變拋物線模擬

2.5 固化黃土的破壞方式

如圖7所示，素黃土有明顯的破壞面，整個試樣被破壞面貫穿；C=22%的固化黃土剪切破壞依然較明顯，但網狀膜結構與土顆粒牢固地黏結成為整體，使得裂縫短而窄；C=24%的固化黃土網狀膜結構作用進一步增強，破壞形式為側面破裂，并在底部剝離一圈較薄的土塊（見圖8），但不會斷開，內部完整性較好。固化劑摻量為26%的固化黃土側向開裂最為明顯，裂縫相比摻量為24%的固化黃土進一步變短變窄，內部完整性最好。說明固化黃土的破壞方式與雙聚雙交聯土壤固化劑形成的網狀膜結構緊密相關。

圖7 試樣破壞形態

圖8 試樣底部破壞形態

2.6 固化黃土的微觀分析

通過掃描電鏡（SEM）獲得土體微觀結構照片，其中典型照片見圖9。由圖9可知，摻入固化劑的土樣明顯比未摻入固化劑的土樣更加密實，可發現雙聚雙交聯材料以白色物質的形式附著在土顆粒表面和邊緣，其在顆粒間形成微觀致密的網狀膜結構進一步纏繞約束土顆粒，存在于固化劑中的活性官能團吸附在土顆粒表面發生化學反應，顆粒間的相互聯系得到增強，從而改善了土體的強度。同時利用IPP（Image-Pro Plus 6.0）軟件對SEM圖像進行定量分析，得出未摻入固化劑的試樣孔隙率為33%，平均孔隙面積為2.60μm2，摻入固化劑的試樣孔隙率為11.58%，平均孔隙面積為1.96μm2。加固化劑前后孔隙數量變化見圖10。雙聚雙交聯材料使得土顆粒間排列更緊密，孔隙面積減少，孔隙比降低，外力對其破壞更加困難，說明雙聚雙交聯材料可以有效提高土體強度。