王智超,彭 柱,彭 峰,闫 实

(1.湘潭大学 岩土力学与工程安全湖南重点实验室,湖南 湘潭 411105; 2.湘潭大学 土木工程学院,湖南 湘潭 411105;3.中国建筑第五工程局有限公司, 长沙 410000)

0 引 言

随着“一带一路”倡仪的提出,南海海域的岛礁工程建设方兴未艾。南沙群岛周围分布着大量的钙质砂土,就地取材把钙质砂作为地基土的回填材料,可降低工程造价成本、缩短施工工期。钙质砂与陆源砂相比有较大的差异[1-5],具有高压缩性[6]、易破碎性[7]等特点,在实际工程中易造成坍塌、裂缝、桩基承载能力不足等问题,故需对钙质砂及改良后的物理力学性质进行研究。

传统的改良方法是通过添加水泥、石灰等固化剂固化钙质砂完成的。Ma等[8]研究发现常规混凝土与珊瑚砂混凝土有着不同的失效模式,这是因为珊瑚砂的骨料虽然黏结面的强度比较大,但是整体的强度低,颗粒内孔隙大且形状不规则。并且水泥初终凝时间无法调整,干缩性较大,易开裂。聚氨酯是一种高分子化合物,具有发泡时间短、轻质高强、防水抗渗、耐久性好、操作简单、安全环保等特点。目前国内外学者多将高聚物类应用于加固边坡、路基、堤防等工程,在碎石、堆石料等材料中已经有了比较成熟、广泛的运用。Buzzi等[9]通过现场和室内试验,研究发现先注入聚氨酯形成的树脂-黏土的复合材料可解决不同地基沉降问题,通常在完全密闭条件下,土的膨胀压力预期比实验室中测量要低。Woodward等[10]通过对铁路道渣进行高聚物注浆并展开疲劳试验,研究表明聚氨酯注浆可以使路堤沉降量明显减小。刘平等[11]通过三轴剪切试验对聚氨酯凝胶堆石料的静力特征展开了分析研究,发现其初始模量随聚氨基酸甲酯(Poly-urethane Foam Adhesive,PFA)含量的增大而增大,掺聚氨酯减小了堆石料的破碎,增加了黏聚力,内摩擦角几乎不改变,PFA可降低边坡滑动的风险,安全系数得以提升。刘汉龙等[12]通过对固结比、围压、动应力比、不同高聚物含量开展动三轴试验研究高聚物凝胶堆石料的动残余变形,得到高聚物能够明显减小堆石料的残余变形,可作为石坝抗震加固。Gao等[13]通过一系列无侧限抗压强度试验和共振柱试验对低应变下膨胀聚苯乙烯复合土的含量、水泥含量和围压对其刚度和阻尼特性的影响进行研究,并进行了标准化剪切模量和阻尼比退化模型校正。

鉴于此,本文以马尔代夫芭环礁路基工程为背景,采用聚氨酯对钙质砂进行改良。通过开展无侧限抗压强度试验、静动力荷载下的三轴试验以及渗透特性试验,研究聚氨酯固化钙质砂的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角、动剪切模量和阻尼比以及渗透特性,从而为将聚氨酯应用于南海岛礁钙质砂地基加固提供一些试验和理论参考。

1 试验材料和试验方案

1.1 试验材料

试验采用的钙质砂取自马尔代夫,取适量砂样进行淘洗、风干、筛分,保留粒径<2 mm的颗粒,本试验钙质砂天然级配曲线如图1所示,不均匀系数Cu=3.21,曲率系数Cc=0.57,为级配不良砂土。

图1 芭环礁钙质砂天然级配Fig.1 Natural gradation of calcareous sand of Baa Atoll

试验采用的PFA是由聚合物多元醇(白料)与异氰酸酯(黑料)按照质量比1∶1进行反应生成,如图2所示。PFA具有反应速度快、轻质高强、防水抗渗性能好、耐久性好、操作简便、安全环保等特点。

图2 黑料、白料及反应效果Fig.2 Polymer polyol and isocyanate and their reaction effect

制备试样时,需使钙质砂与聚氨酯均匀混合,同时尽量减少制备过程中钙质砂颗粒破碎。本试验以钙质砂质量恒为132 g作为控制标准(干密度控制为1.374 g/cm3),将PFA质量与钙质砂试样质量之比定义为PFA的掺量w。把132g钙质砂均分成5份,根据试验需求分别添加质量均等的白料进行充分混合,再添加相对应质量的黑料,迅速搅拌均匀后,分5层倒入制样器,并分层击实。试样如图2(b)所示。

1.2 试验方案

对南海钙质砂采用PFA快速改良后,继续开展室内土工试验如下:

(1)无侧限抗压强度试验。制备掺量2%、5%、8%、10%的聚氨酯钙质砂分别进行凝胶时间(从聚氨酯白黑料混合开始计时)为20 min、45 min、1 h、3 h、6.5 h、10 h的无侧限抗压强度试验。

(2)三轴压缩试验。制备掺量0%、2%、5%、8%、10%的聚氨酯钙质砂分别进行围压50、100、200 kPa下的固结不排水试验[14];制备掺量2%、8%的聚氨酯钙质砂分别在淡水和人工制备海水养护14 d后,进行50、100、200 kPa固结不排水试验。

(3)循环三轴试验。制备掺量0%、2%、5%、8%、10%的聚氨酯钙质砂等向固结并分别进行频率为1 Hz,围压50、100、200 kPa下的循环三轴试验。

(4)三轴渗透试验。采用恒压差控制渗流,恒压差设置为20 kPa,制备掺量2%、5%、8%、10%的聚氨酯钙质砂分别在围压50、100、200 kPa下进行恒水头渗透试验[15]。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度与凝胶时间的关系

图3给出了不同掺量下无侧限抗压强度与凝胶时间的关系,图3中的起始点表示钙质素砂的无侧限抗压强度。由图3可知:① 钙质素砂的无侧限抗压强度为33.5 kPa,钙质砂颗粒之间的分子吸引力相对较小;由于钙质砂孔隙较大,颗粒与颗粒之间并无连结,钙质砂骨架不稳定,在外荷载的作用下,颗粒易发生滑移导致颗粒间的孔隙变小,故钙质砂的无侧限抗压强度较小。② 4组曲线变化趋势相同,随着凝胶时间的增加,强度均逐渐增大。在前20 min的增长速率最大,在20～45 min、45 min～1 h,斜率均有小幅度的降低,初步固化时间为1 h,在1～6.5 h强度稳定提高,但强度变化变小,这说明此段时间固化稳定增加,在6.5～10 h强度基本不变,这说明在6.5 h,聚氨酯固化钙质砂强度趋近稳定。

图3 无侧限抗压强度与凝胶时间的关系Fig.3 Relationship between unconfined compressive strength and gelling time

2.2 静强度特性及适应性

2.2.1 静强度特性

图4给出了为聚氨酯钙质砂的破坏强度与掺量及围压之间的关系,其主要强度指标如表1所示。

表1 不同聚氨酯含量50 kPa围压下的破坏参数Table 1 Failure parameters of samples with different polyester content under confining pressure 50 kPa

图4 掺量、围压及破坏强度拟合三维图Fig.4 Fitted 3D diagram of dosage, confining pressure and failure strength

由图4和表1可知:①掺入聚氨酯改良之后的钙质砂的破坏强度显著提高;围压越大,破坏强度越大;②掺入聚氨酯的钙质砂在围压为50 kPa下的破坏强度提高最显著,掺量为10%的固化试样强度提升率最高,当围压逐渐增大,强度提升率逐渐降低;③破坏强度随掺量的增加而逐渐增大,各围压下强度变化趋势相近,呈线性关系,即

(1)

式中:Te为破坏强度 (kPa);σ3为围压 (kPa);w为掺量(%)。

由表2可以看出:①原状钙质砂的黏聚力c为39.0 kPa,内摩擦角φ为38.1°;②当聚氨酯掺量增加,固化后试样的黏聚力c增加明显,掺量2%、5%、8%、10%试样黏聚力c分别是钙质素砂的1.4、1.9、3.4、4.3倍,内摩擦角改变较钙质素砂有较小幅度的增加,因此聚氨酯钙质砂的黏聚力有显著提高,对内摩擦角影响较小。其中,临界状态应力比M=6sinφ(3-sinφ)。

表2 聚氨酯掺量不同的钙质砂黏聚力、内摩擦角及MTable 2 Cohesion, internal friction angle and M of calcareous sand with different polyurethane content

2.2.2 聚氨酯钙质砂适应性

图5为不同养护条件下聚氨酯钙质砂的三轴剪切应力-应变曲线关系。由图5可知:海水与淡水中应力-应变发展趋势相同,抗剪强度均得到稳定提高;相同掺量下海水养护条件达到峰值应力所对应的轴向应变基本相同。由图5中不同峰值强度可算出,掺量2%和10%的聚氨酯钙质砂在海水环境下,黏聚力分别为50.9、157.2 kPa,内摩擦角分别为38.8°、39.6°,较相应淡水环境下黏聚力分别降低了4.6、11.4 kPa,内摩擦角分别提高了0.4°、0.7° 。因此,使用聚氨酯固化钙质砂仍然可用于海水盐浴环境下钙质砂地基土的快速加固。

图5 淡水、海水养护不同聚氨酯掺量钙质砂的三轴试验结果Fig.5 Triaxial test results of calcareous sand with different polyurethane content cured in freshwater and seawater

2.3 动剪切模量与阻尼比

土的动力特性的主要参数为动剪切模量 (降低剪切变形的能力) 和阻尼比 (消耗能量的尺度) 。图6为同一围压下不同掺量聚氨酯钙质砂剪应变与动剪切模量和阻尼比[16]的关系曲线。由图6可知:①掺量影响聚氨酯钙质砂试样的累积应变(即动三轴剪应变),掺量增加,累积应变减小。②动剪切模量和阻尼比受掺量影响显著,掺量越大,动剪切模量越大,阻尼比越小。③在低围压(50 kPa) 下,掺量2%、5%、8%、10%试样的初始动剪切模量较钙质素砂分别提高了4.69、18.14、49.19、67.33 MPa,最大阻尼比分别为钙质素砂的82.9%、77.3%、59.8%、40%;在高围压 (200 kPa) 下动剪切模量分别提高了6.89、35.69、79.57、109.51 MPa,最大阻尼分别为钙质素砂阻尼比的79.6%、65%、51%、35%。④剪应变γd-阻尼比λ曲线在掺量增加的情况下会下移。⑤在低围压 (50 kPa) 下,不同掺量下聚氨酯钙质砂的动剪切模量在剪应变γd增加的情况下,变化不断变小,这说明围压较低时,掺量对剪应变γd较大时的动剪切模量影响较小。

图6 不同掺量下聚氨酯钙质砂动剪切模量和阻尼比Fig.6 Dynamic shear modulus and damping ratio of calcareous sand with different polyurethane dosages

由于聚氨酯钙质砂的孔隙结构与应力波的传播速度密切相关,聚氨酯反应之后生成泡沫会填充到钙质砂颗粒的间隙中,减少了孔隙,动力荷载的传播速度加大。聚氨酯泡沫能够将钙质砂颗粒粘结在一起,减少了钙质砂颗粒的重新排列,试样黏聚力增大,当掺量增加,聚氨酯产生泡沫更多,与钙质砂颗粒联系得更为紧密,固化效果更为显著。通过拟合围压、掺量以及初始动剪切模量,得到的函数关系如式(2)所示,绘制三维图如图7所示。

图7 掺量、围压及初始动剪切模量三维图Fig.7 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and initial dynamic shear modulus

G0=69.27+2.4w1.55+

(2)

式中:G0为初始动剪切模量(MPa);σ3为围压(kPa)。

随着掺量、围压的增加,抗剪切强度增加显著。通过拟合围压、掺量以及最大阻尼比λmax得到函数关系如式(3)所示,绘制其三维图如图8所示,掺量、围压越大,最大阻尼比越低。

图8 掺量、围压及最大阻尼比三维图Fig.8 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and maximum damping ratio

2.4 聚氨酯钙质砂渗透系数

由图9可知:①随着聚氨酯掺量的增加,各组试样渗透系数的变化规律均是逐渐变小的;②在不同围压水平下,随聚氨酯掺量的增加,变化速率减缓,即渗透系数对掺量较低的试样敏感性更大,速率变化越大;③聚氨酯掺量<5%时,渗透系数对围压敏感性较强,聚氨酯掺量>5%时,渗透系数对围压敏感性较弱;④钙质素砂渗透系数[17]数量级为10-6,在掺了2%、5%、8%、10%的聚氨酯之后其渗透系数的数量级分别降到了10-7、10-8、10-9、10-9,说明聚氨酯对钙质砂补漏效果较好。

图9 不同聚氨酯掺量钙质砂的渗透系数Fig.9 Permeability coefficient of calcareous sand with different polyurethane content

掺量较低的固化试样,凝胶含量较低,凝结速度较慢,泡沫多且易破裂,孔隙率在凝结硬化后较高,填充在钙质砂颗粒之间的缝隙较小,故渗流的通道也更多,渗透系数也较大;随着掺量的增加,凝胶含量增高,凝结硬化后的孔隙更低,泡沫减少,破裂产生的渗流通道减少,因而抗渗性能得到提升,渗透系数降低。以掺量2%和5%为例,在围压为50 kPa下,掺量为2%的钙质砂渗透系数为7.55×10-7m/s,而掺量为5%的钙质砂渗透系数为7.15×10-8m/s,两者之间相差10.6倍。掺量>5%,密实试样结构的难度加大,故渗透系数的变化率减缓。整理可得到渗透系数与围压、掺量的经验公式为

lgk=(-3.05+215.75×0.92σ3)w+3.4σ3-0.1。(4)

式中k为渗透系数(10-8m/s)。

式 (4)可针对实际工程预测渗透系数,绘制三者之间关系的三维图,如图10所示。

图10 掺量、围压及渗透系数三维图Fig.10 Three-dimensional plots of dosage, confining pressure and permeability coefficient

可见,在70 kPa以内,在渗透系数-掺量平面内,掺量与渗透系数的曲线斜率逐渐变大,在70 kPa以上,斜率均保持大小不变,在渗透系数-掺量面的投影几近重合。

3 结 论

本文对钙质砂基本物理性质及聚氨酯改良钙质砂后的力学性能展开了研究。通过一系列试验,研究了聚氨酯固化的最优凝胶时间,不同掺量聚氨酯钙质砂的静、动强度,聚氨酯钙质砂的渗透特性,以及海水养护下聚氨酯钙质砂的适应性。主要结论如下:

(1)聚氨酯固化钙质砂抗压强度前期增长较快,中期增长逐渐降低,后期增长较慢。初步的固化时间为1 h,在6.5 h之后趋于稳定,运用于工程上的最佳凝胶时间为6.5 h。

(2)聚氨酯的掺入有效地改善了钙质砂的静力特性和抗压性能。固化试样黏聚力得到显著提高,内摩擦角基本保持不变,且在海水条件养护下与淡水环境下静强度相差不大,耐盐性较好。

(3)在低围压下,掺量2%、5%、8%、10%的初始动剪切模量较钙质素砂分别提高了4.69、18.14、49.19、67.33 MPa,最大阻尼比分别为钙质素砂的82.9%、77.3%、59.8%、40%。在高围压下动剪切模量分别提高了6.89、35.69、79.57、109.51 MPa,最大阻尼分别为钙质素砂阻尼比的79.6%、65%、51%、35%。

(4)钙质素砂渗透系数数量级为10-6,在掺了2%、5%、8%、10%的聚氨酯之后其渗透系数分别降了1～2个数量级,说明聚氨酯对钙质砂补漏效果较好。