新型聚氨酯材料对砂土的加固效果及环境效应

柳 山, 罗光洪,张家泉,蔡云富

(1.湖北理工学院 a.环境科学与工程学院，b.矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003；2.黄石市振兴勘察设计有限公司，湖北 黄石435003；3.黄石市水利和湖泊局，湖北 黄石 435000)

在当前经济建设迅猛发展的背景之下，我国的基础建设有了长足的发展，特别是在交通设施、水利工程、隧道挖掘等方面[1]。但是，这些基础工程在建设和运营过程中，因水文地质条件、设计瑕疵、材料老化等因素，不可避免地存在重大安全隐患，如水库渗漏、隧道涌水、边坡坍塌等[2]。为防患于未然，我国从上世纪50年代便开始发展灌浆技术[3]。通过长时间的工程实践应用，化学灌浆材料因其良好的渗透性、力学性能、流动性以及可控的固化时间等优势得到了广泛的应用[4-5]。

最常见的化学灌浆材料——聚氨酯类材料，是一种由异氰酸酯和多元醇发生聚合反应形成的软段和硬段交替排列的线状嵌段共聚物[6-7]。除具有化学灌浆材料的共性外，聚氨酯材料的黏度适中、耐磨耐腐蚀较强、粘结性能优异[8]，在破碎岩体加固、边坡加固、坝基加固、大坝防漏、混凝土缺陷、道路裂缝、地基防渗等领域应用广泛[9-10]。Wu 等[11]公布了一项美国专利，提出了利用单组份的聚氨酯灌浆和DBE、增塑剂、发泡剂等组合药剂在高压环境下快速对渗水坝体进行封堵的方法。Specialty Construction Brands公司[12]设计出了一种含硅烷化聚合物的单组份聚合材料，具有比一般单组份聚合材料更强的抗压缩及抗裂性。Zhang等[13]所合成的聚氨酯/赤泥复合材料在50%的压缩状态下的抗压强度为29.2 MPa，且具有较好的延展和阻燃效果。韩江凌[14]以甲苯二异氰酸酯与聚醚多元醇合成的聚氨酯材料可以在几十秒到几分钟内对坝体裂缝实现快速封堵。

但是，在大多数研究中，所加固大坝一般以混凝土坝为主，较少针对砂土坝进行聚氨酯注浆加固研究。杨明坤等[15]以含羧甲基纤维素钠为主的丙烯酰胺配置新型环保砂土加固材料。王艺霏等[16]利用丙烯酸甲酯/醋酸乙烯酯配制了新型砂土固结乳液。在这些采用无机材料对砂土固结的研究中，存在的最主要问题就是容易对坝体周围水体造成污染[17]，且其在砂土坝中的适用性差，综合性能(如渗透性、保水性)往往达不到要求[18]，制备和施工工艺得不到大规模推广[19]。

为此，本研究以HA Soil AF型聚氨酯材料为研究对象，探讨砂土柱在注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料后的抗压能力；模拟地下深部环境，分析HA Soil AF型聚氨酯材料对深部原状土的强化效果；分析HA Soil AF型聚氨酯材料对水质的毒理性，旨在为利用HA Soil AF型聚氨酯材料为砂土坝注浆工程提供基础数据和理论支撑。

1 试验方法及材料

1.1 试验材料

试验用新型聚氨酯材料为购买的憎水型HA Soil AF型聚氨酯材料。其不含邻苯二甲酸盐，粘度低，遇水反应。

试验土壤1为砂土，渗透率为3.65×10-5m/s，堆积密度为1.6 kg/dm3。试验土壤2为粉砂土，渗透系数为1.0×10-6m/s，堆积密度为2.7 kg/dm3。

1.2 试验内容及方法

1.2.1抗压试验

试验开始时，向内径为53 mm的耐压管中逐步添加湿润砂土(含水率约为5%)，再注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料(约200 mL)，并施加750 kPa的恒定压头压力。反应1 d后，移除恒定压力；反应7 d后，取出固化后的砂土，进行抗压测试。为保证试验准确，每组试验均对3个平行试样进行测试，试验结果取最大抗压强度，为单位面积上所能承受的压力。

1.2.2对深层砂土的强化试验

选用30 m深处的试验土壤1原状样品为研究对象。将试验土壤填充压实，处于饱水状态，施加约480 kPa的压力，模拟地下压力环境。待1%的HA Soil AF型聚氨酯材料完全注射进入深部砂土层后，养护24 h，取长约40 mm的试验柱进行抗压测试，取长约100 mm的试验柱进行抗剪测试。

1.2.3渗透性试验

选用试验土壤(粉砂土)为研究对象，以500 kPa压力注入HA Soil AF型聚氨酯材料，连续观测并记录聚氨酯材料在柱内的垂向迁移距离和过程。

2 结果与讨论

2.1 砂土注浆后的抗压测试

试验土壤1为天然砂土，结构为非均质，故聚氨酯材料在试验土壤1中的扩散也为非均匀的。砂土注浆抗压测试结果见表1。由表1可知，试样的最大质量为158.80 g，最小质量为136.26 g，平均值为148.88 g，变异系数为6%；试样的最大体积为85.75 cm3，最小体积为75.11 cm3，平均值为81.67 cm3，变异系数为6%；试样的最大密度为1.89 g/cm3，最小密度为1.77 g/cm3，平均值为1.82 g/cm3，变异系数为3%。这说明在带压注浆过程中，同一砂土柱内不同层位相同高度试块的质量、体积及密度差异不大[20-22]，即聚氨酯注浆材料在柱内不同层位分布较均匀。但是，3个试块所能承受的最大压力和压强却存在较大差异，即能承受的最大压力为63.08 kN，最小压力为33.48 kN，平均值为50.42 kN，变异系数为25%；能承受的最大压强为28.59 MPa，最小压强为15.18 MPa，平均值为22.86 MPa，变异系数为25%。

表1 砂土注浆抗压测试结果

2.2 聚氨酯材料对深层砂土的强化效果

向试验柱中注入含1%HA Soil AF型聚氨酯的注浆材料，压力为700～750 kPa，其中有效注入压力为220～270 kPa。注浆过程中发现，需要使用约220 L的1%HA Soil AF型聚氨酯材料才能注满渗透率为3.65×10-5m/s、堆积密度为1.6×10-3kg/m3的30 m深处砂土柱。注浆结束后，试块的温度从24℃提升至32℃，说明浆液在加固土柱过程中存在发热效应。在养护24 h后，40 mm高的试验柱的最大抗压强度为13.37 MPa，100 mm高的试验柱的最大抗剪强度为0.97 MPa。与表层加固砂土对比可知，深层加固砂土的最大抗压强度(13.37 MPa)要低于表层加固砂土的最大抗压强度(28.59 MPa)。这是因为深层原状土壤的饱水性质及密实度更高，不利于聚氨酯材料进入砂土颗粒以形成稳固的加固结构[23-24]。

2.3 低渗透性粉砂土注浆渗透性能检验

聚氨酯材料在低渗透率粉砂土中的垂向渗透行为如图1所示。从图1中可以发现，整个渗透过程基本可以分成4个阶段。第1阶段为注浆开始1 min内的渗透初始阶段，聚氨酯材料几乎无法渗入粉砂土层；第2阶段为2～10 min的入渗适应阶段，聚氨酯材料入渗率较为缓慢，平均入渗速率为11 mm/min；第3阶段为10～15 min内入渗的调整阶段，聚氨酯材料的入渗速率变化明显，平均入渗速率约为10 mm/min；第4阶段为15 min以后的稳定入渗阶段，入渗速率为12 mm/min。在试验开始30 min后即可进入粉砂土层350 mm处，可知1%的HA Soil AF型聚氨酯材料在低渗透性粉砂土中仍具有较强的渗透能力，即使在低渗透能力的砂土坝坝基中，仍可以垂向进入坝基深部，对坝基深部进行加固[25-27]。

图1 聚氨酯材料在低渗透率粉砂土中的垂向渗透

3 结论

HA Soil AF型聚氨酯材料对砂土和粉砂土层具有较好的加固强化效果。以750 kPa恒定压头压力向填充渗透率为3.65×10-5m/s，堆积密度为1.6 kg/dm3的表层砂土中，注入1%的HA Soil AF型聚氨酯材料，试块的最大能承受压力为63.08 kN，最大承受压强为28.59 MPa。对30 m深原状砂土柱的加固效果要明显低于对表层砂土柱的效果，最大承受压强仅为13.37 MPa，且试样的抗剪能力要明显低于其抗压能力，仅为0.97 MPa，更容易遭到剪切破坏。HA Soil AF型聚氨酯材料在渗透率为1.0×10-6m/s的粉砂土中，30 min内可以垂向入渗350 mm，稳定入渗率为12 mm/min，依然可以发挥其加固效果。