林泓民,商志陽,彭 劼*

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院, 上海 200235;3.河海大學 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098)

長江中下游河漫區(qū)廣泛分布著高含水率軟土,這些軟土含水率數(shù)倍于自身液限、剛度差、強度低、難以自然成型、未經(jīng)處理幾乎無法利用,大量閑置很大程度上會造成資源和空間上的浪費,這無疑對城市化建設(shè)帶來一定的阻力[1]。傳統(tǒng)處理的方法有許多,主要包括自然脫水、機械脫水、流態(tài)固化等幾種手段[2]。流態(tài)固化土是通過加入水泥等固化劑,攪拌成具有一定流動性的混合料[3]后,通過澆筑和養(yǎng)護,硬化后形成具有強度的巖土工程材料。相比之下,流態(tài)固化技術(shù)減少了壓實的工作量,處理量大,經(jīng)濟效益高,優(yōu)點明顯[4]。

流態(tài)固化土的應(yīng)用主要考慮其流動度、無側(cè)限抗壓強度、耐久性等因素,一般認為流動度是其最主要的性能之一[5-6]。近年來,流態(tài)固化法是處理疏浚軟土、管廊回填問題中的常用方法[7-10]。然而對于流態(tài)固化土這類流體而言,宏觀的流動度指標稍顯粗略,朱鵬等[11-12]借用流變學的工具探究其內(nèi)在聯(lián)系,推導了滿足賓漢姆流體方程的流態(tài)固化土動切力和流動度的關(guān)系,且與實測數(shù)據(jù)擬合效果優(yōu)異,這為流態(tài)固化土大規(guī)模澆筑提供了寶貴的指導建議。

流態(tài)固化土在實際施工中,經(jīng)常受限于即拌即用的施工工藝,導致流動度波動大影響回填效果[13],一般在水泥漿中摻入起到增稠、緩凝、保水作用的水溶性聚合物[14-16]。聚丙烯酰胺(PAM)作為一種典型的水溶性聚合物,引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注[17]。通過研究發(fā)現(xiàn),PAM的摻入改變了水泥砂漿的微觀結(jié)構(gòu),且對其流動性產(chǎn)生顯著影響[18];將PAM水泥凈漿、膠材的流動度影響進行比較,發(fā)現(xiàn)隨著PAM摻量的增大,二者流動度均得到降低,且水泥凈漿影響更為顯著[19-20]。

綜上所述,PAM對水泥基材料的性能均有明顯提升。然而,國內(nèi)外對PAM改性流態(tài)固化土的綜合研究仍然缺乏。本文以長江中下游河漫區(qū)道路工程為背景,結(jié)合現(xiàn)場軟土的工程特性,通過室內(nèi)試驗確定了流態(tài)固化方案,研究了PAM對流態(tài)固化土的改善效果,對該方法的進一步推廣具有一定的指導意義和參考價值。

1 軟土特性及處理方法的室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

本項目中的開挖土取自于南京江北新區(qū)橫江大道,其基礎(chǔ)物理力學性質(zhì)如表1所示。本研究所用水泥為海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥,其物理性質(zhì)如表2所示。所選用的PAM為陰離子型PAM。作為一種典型的水溶性聚合物,主要由疏水主鏈和官能團-CONH2組成[21],外觀常為白色粉末狀,幾乎不溶于有機試劑,溶于水時呈無色黏稠膠體狀、無味、pH值呈中性,當溫度高于120 ℃時其物理性質(zhì)不穩(wěn)定。

表1 土樣基本物理力學性質(zhì)指標Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil samples

表2 水泥的物理性能Tab.2 Physical properties of cement

1.2 室內(nèi)試驗及流態(tài)固化方案

1.2.1 流動性測試

按照表3的配制方案將原狀土、蒸餾水、水泥、PAM混合攪拌,攪拌后進行流動性測試。處理后的流態(tài)固化土必須具備一定的流動性,本文采用美國、日本的平板圓筒法[22],即將直徑和高度為8 cm的圓筒裝滿流態(tài)固化土,向上提起圓筒后測量坍塌體在平板上形成的最大直徑與最小直徑的平均值,如圖1。

圖1 平板圓筒法示意圖Fig.1 Schematic diagram of flat cylinder method

表3 不同PAM摻量下的流態(tài)固化室內(nèi)試驗配合比方案表Tab.3 Table of mix proportion schemes for flow state curing laboratory tests with different PAM dosages

1.2.2 黏滯性測試

針對70%液固比、10%水泥含量、PAM摻量為0‰、0.1‰、0.2‰、0.3‰、0.5‰的流態(tài)固化土,采用黏滯性試驗,分析其摻入PAM后的變化關(guān)系。黏滯性試驗采用奧地利安東帕生產(chǎn)的MCR302旋轉(zhuǎn)流變儀,適用于低黏度液體、黏彈性液體、熔體、糊狀樣品、交替、軟固體等樣品的測試。可供選擇的測試模式有六種。本試驗選擇旋轉(zhuǎn)測試模式,該模式可測得剪切應(yīng)力、剪切速率等參數(shù)的相關(guān)曲線,其中剪切速率的范圍為0.01 s-1～2 500 s-1,為減少時間對試驗過程的影響,每次測試時間固定為10 min。

2 試驗結(jié)果

2.1 流態(tài)固化土的流動性

2.1.1 液固比、水泥對流動度的影響

液固比是影響土體流動度的重要因素之一。圖2表示了僅摻入10%水泥的土體流動度與液固比之間的關(guān)系。隨著液固比的升高,70%、73%、76%、80%液固比所對應(yīng)的流動度為292.5、322.5、382.5、432.5 mm,流動度與液固比正相關(guān)。這是因為土中大量的自由水增加了土體流動性,從而提高了流動度,這與丁建文等[8]的研究結(jié)果一致。

圖2 流動度與液固比關(guān)系Fig.2 Relationship between fluidity and liquid-solid ratio

水泥的添加可以降低流態(tài)固化土的流動度,這是因為水泥與水混合之后會迅速發(fā)生水化反應(yīng),消耗了其中一部分水,所以流動度有所降低,但改善效果并不明顯[23]。如圖3所示,在不同液固比狀態(tài)下,流態(tài)固化土的流動度隨著灰土比的增大而小幅度減少。若只添加水泥降低流動度,以此符合流態(tài)固化土施工過程中對于流動度的要求,則水泥用量過大,且不經(jīng)濟環(huán)保。

圖3 流動度與灰土比關(guān)系Fig.3 Relationship between fluidity and cement-soil ratio

2.1.2 PAM對流動度的影響

PAM的摻入可顯著降低待處理回填土的流動度,以滿足流態(tài)固化施工要求。由于土體液固比介于70%～80%,即使添加一定量水泥,其大多數(shù)流動度仍超過300 mm,不滿足現(xiàn)場回填要求。不同PAM摻入量的流動度數(shù)據(jù)如圖4所示。加入PAM后,不同液固比土體的流動度與摻量負相關(guān),且摻量小于0.03%時,下降幅度最大。這是因為PAM分子鏈上的氨基(-NH2)可以與水分子形成氫鍵,從而限制了水分子的運動[24]。此外,聚合物鏈與氫鍵糾纏形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進一步增加了分子間的吸引力[25]。為滿足流動度在(200±20)mm的要求,摻量建議控制在0.02%～0.03%。

圖4 PAM添加量與流動度關(guān)系Fig.4 Relationship between the amount of PAM added and fluidity

2.1.3 凈流動度

從圖4可知,摻入PAM后,不同液固比土體的流動度變化值略有不同。為了量化PAM增稠的效果,本文借鑒了凈流動度[26]參數(shù)。

d=D-f

(1)

式中,d為凈流動度;D為試驗測得的流動度;f為土體試樣的初始直徑。

在本文流動度試驗中,所用容器的直徑為80 mm,因而式(1)中f取值為80 mm。凈流動度消除了土體試樣初始直徑的影響,可以進一步真實地反映待處理土體的流動性能。

將不同液固比土體在不同PAM添加量下的凈流動度值及降低比例進行了對比,結(jié)果見圖5、圖6。從圖5可以發(fā)現(xiàn)凈流動度與PAM摻量呈負相關(guān),其趨勢與流動度一致。由圖6可得,在分別添加0.01%、0.02%、0.03%、0.05%比例的PAM后,不同液固比土體的凈流動度的降低比例分別維持在70%、50%、35%、15%。以上可以表明,在添加一定比例的PAM增稠劑后,待處理土體的凈流動度降低比例是基本保持一致的,因初始液固比不同波動較小。在工程實際應(yīng)用中,已知某液固比下的土體在添加增稠劑后凈流動度的降低比例,可以預(yù)測同類土體其他液固比條件下的凈流動度,從而預(yù)測增稠劑的流動改善效果。

圖5 液固比與凈流動度關(guān)系Fig.5 Relationship between liquid solid ratio and net fluidity

圖6 液固比與凈流動度降低比例關(guān)系Fig.6 Relation between liquid-solid ratio and net fluidity reduction ratio

2.1.4 流動度討論

本文通過室內(nèi)試驗證明了PAM摻量會對土體流動度產(chǎn)生影響。事實上,許多學者在流態(tài)固化領(lǐng)域已經(jīng)使用其他外摻劑改善土體的流動度。通過整理現(xiàn)有高液固比(液固比大于兩倍液限)土體改良的文章,發(fā)現(xiàn)不同文獻在取得良好效果時所對應(yīng)的外摻劑千差萬別,且摻量比例未統(tǒng)一,不易總結(jié)出其間的規(guī)律。在混凝土領(lǐng)域常用外摻劑與干土比值即灰土比作為考量外摻劑的關(guān)鍵指標。本文受其啟發(fā),計算已有文獻中發(fā)揮作用的外摻劑對應(yīng)的灰土比變化值,并統(tǒng)計外摻劑加入前后的流動度變化值,并將數(shù)據(jù)匯總于表4。

表4 現(xiàn)有文獻外摻劑數(shù)據(jù)匯總表Tab.4 Summary of admixture data in existing literature

通過整理分析以上學者和本文試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),針對高液固比土體,最初加入水泥時重塑土的流動度改變較為明顯。但若想進一步降低流動度以達到施工標準,針對水泥土流動度的改善,大多數(shù)添加輔助外摻劑或繼續(xù)加入水泥的措施改善效果一般,且原材料耗損量大。在對比中可以發(fā)現(xiàn),本文采用的PAM可以大幅度減小水泥土的流動度以期符合流態(tài)固化施工要求,處理效果明顯,且摻入比較小,可以獲得較大的工程效益。

2.2 流態(tài)固化土的黏滯性

2.2.1 黏滯曲線類型

圖7 黏滯曲線方程Fig.7 Viscosity curve equation

2.2.2 PAM對黏滯性的影響

水泥土與摻入0.1‰PAM的黏滯曲線如圖8(a)所示,不同PAM摻量的黏滯曲線變化如圖8(b)所示?？傮w來看,PAM的摻入可以顯著提高流體的黏滯性。由圖8(a)可知,水泥土和摻入PAM后的水泥土從黏滯性曲線來看,可認為是兩條不過原點的直線,都為流動度較大的賓漢姆流體,因此一定摻量的PAM并沒有改變流體類型。二者的剪切應(yīng)力都隨著剪切速率的增大而增大,但從斜率上可知,加入PAM后流體黏性增強,這說明PAM對水泥漿體的絮凝效果較好,促進了水泥漿體結(jié)構(gòu)的形成[14]。從8(b)可知,PAM摻量的增加對流體黏滯性有一定的影響。四種流體的剪切應(yīng)力都與剪切速率正相關(guān),但相同的剪切速率下,PAM摻量越多,剪切應(yīng)力越高,流體黏滯性越大,而黏滯性可以看作是流動度的微觀體現(xiàn),這與上文流動度測試的結(jié)論一致。

圖8 流態(tài)固化土黏滯曲線Fig.8 Viscosity curve of fluid-solidified soil

2.2.3 時間對黏滯性的影響

圖9是各流體在一定時間靜置后的黏滯性曲線,易得出PAM的緩凝作用使得水泥土的黏滯性更加穩(wěn)定。從圖9(a)可得,隨著時間的推移,水泥水化過程的發(fā)生,使得水泥土的稠度迅速增加[15],并且在100 s-1的剪切速率下,剪切應(yīng)力隨著時間不斷增大,兩個小時后剪切應(yīng)力近乎提高到原來三倍。因此在工程實際中,無其他外摻劑的水泥土在攪拌后若未能迅速澆筑,則其快速黏滯的特點將極大地影響施工流程。由圖9可以看出,加入0.1‰的PAM后,黏滯性在前兩個小時幾乎沒有明顯變化,相當穩(wěn)定。摻入0.2‰和0.3‰PAM的水泥土雖然隨著時間黏滯性發(fā)生了波動,但在相同剪切速率下,剪切應(yīng)力值的波動不超過20%。但摻入0.5‰的PAM后,黏滯性波動略為明顯,剪切應(yīng)力最大波動接近50%,但仍然比未加PAM的水泥土穩(wěn)定。

圖9 流態(tài)固化土黏滯曲線與時間關(guān)系圖Fig.9 Relationship between viscosity curve and time of fluid-solidified soil

PAM之所以可以穩(wěn)定水泥土稠度,是因為其與水泥中Ca2+發(fā)生相互作用,延緩了C-S-H凝膠的生成[16],從而穩(wěn)定了稠度。PAM易吸附在水泥顆粒表面,交聯(lián)水泥顆粒。PAM也會起到潤滑緩凝作用,類似于其他水溶性聚合物,但這種作用通常弱于絮凝作用。黏滯曲線的變化是絮凝效應(yīng)和潤滑緩凝效應(yīng)相互競爭的結(jié)果。當PAM含量達到一定值時,隨著時間的推移,PAM的潤滑作用開始表現(xiàn)出優(yōu)勢,在水泥漿體中的潤滑作用比絮凝作用更明顯。PAM可以吸附在水泥顆粒表面,進一步減小了水泥與水的接觸面積。這可能會導致溶液中濃度的降低,延緩水化產(chǎn)物的沉淀[24]。

2.2.4 擬合方程

為了定量地分析流態(tài)固化土的黏滯曲線、流動度之間的關(guān)系,各參數(shù)見表5。由表可得,流態(tài)固化土的剪切應(yīng)力與剪切速率都線性相關(guān),擬合度較好,即符合賓漢姆流體條件。隨著PAM的摻入,動切力與黏滯系數(shù)因PAM的絮凝作用均得到了提升[11]。同時可以發(fā)現(xiàn),宏觀層面的流動度與黏滯參數(shù)也存在某種聯(lián)系。我們通常認為黏滯系數(shù)表征了流體開始流動后流動快慢,而動切力則決定了流體在力作用(土體自重)下能否進行流動。黃英豪等[12]通過冪函數(shù)擬合了流動度與動切力的關(guān)系,因此本文也對二者進行冪函數(shù)擬合,詳見圖10。該函數(shù)較好地擬合了動切力與宏觀流動度的關(guān)系,我們可以看出黏滯參數(shù)是決定軟土宏觀流動性的內(nèi)在原因,擬合方程很好地將二者緊密連接起來,這對今后大規(guī)模的流態(tài)固化施工具有一定的參考價值。

圖10 動切力與流動度關(guān)系Fig.10 Relationship between dynamic shear force and fluidity

表5 黏滯曲線參數(shù)Tab.5 Viscosity curve parameters

3 結(jié)論

1)僅摻入水泥時,液固比是影響流態(tài)固化土的重要指標之一。隨著灰土比的增加,流動度雖然有所降低,但影響不顯著。PAM的摻入可以快速降低含水泥流態(tài)固化土的流動度。針對液固比為70%～80%的軟土,PAM的摻量為0.02%～0.03%時,工程效果最佳。

2)不同初始含水率的水泥土在添加一定比例的PAM后其凈流動度降低比例處于相同水平。PAM的加入緩解了前2個小時水泥固化土快速硬化的缺陷,有效地提高了施工流程的自由度。

3)提出了可以預(yù)測軟土流態(tài)固化土動切力和流動度關(guān)系的經(jīng)驗公式,此公式可為流態(tài)固化土大規(guī)模澆筑提供設(shè)計參數(shù)和施工指導。