基于水性聚氨酯與膨潤土的混合固土效果試驗研究

陳飛 ， 羅特 ， 施康 ， 錢乾

(江西理工大學，a.資源與環(huán)境工程學院；b.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 341000）

稀土元素被譽為“工業(yè)維生素”，是國防、工業(yè)等領域不可或缺的重要元素[1-2]，近年來已陸續(xù)被多個國家列為重要戰(zhàn)略資源[3]。 隨著科技高速發(fā)展，對稀土資源的需求量逐年增加，但在稀土資源開采的過程中[4]，也使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，導致大量邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)，影響了人民的生命財產(chǎn)安全[5]。 因此，邊坡修復尤為重要。

我國是稀土產(chǎn)量大國，贛南地區(qū)是我國稀土資源最豐富的地區(qū)之一[6-7]。 在近幾十年，贛南地區(qū)離子型稀土礦被大量開采[8]，先后使用了池浸、堆浸、原地浸礦等開采工藝對山體進行了開挖[9]，破壞了當?shù)氐闹脖?，造成了水土流失?在江西省贛州市定南縣某離子型稀土礦堆浸場地（N24°58′21″，E115°2′16″）進行實地考察，發(fā)現(xiàn)此處植被生長被嚴重破壞，水土流失嚴重，形成的邊坡已經(jīng)失穩(wěn)，存在一定的安全隱患，如圖1 所示。

圖1 被破壞的邊坡環(huán)境Fig. 1 Damaged slope environment

贛南地區(qū)全年雨水較多[10]，為解決邊坡水土流失等問題， 可采用添加土壤固化劑改善土壤強度，提高穩(wěn)定性[11-12]。水性聚氨酯[13]與膨潤土[14]是2 種不同性質的固化劑，固土的效果也存在差異。 水性聚氨酯是一種柔性的膠凝材料，黏結性較好但固結后硬度低；膨潤土加水固結后有一定的硬度但黏結性較差。

通過大量室內直剪快剪實驗發(fā)現(xiàn)， 兩種固化劑都能較好地提高土壤穩(wěn)定性強度， 將兩種固化劑按一定比例混合添加后， 其強度高于單獨添加其中一種固化劑的效果。 針對此實驗結果，探討不同配比的水性聚氨酯與膨潤土混合溶液的固化效果， 采用直剪儀器檢測添加混合固化劑后土壤的C（黏聚力）、φ（內摩擦角）， 研究其混合固化劑的最優(yōu)配比對治理贛南離子型稀土礦尾礦土壤水土流失問題具有重要意義。

1 試樣制備與性質

1.1 土壤試樣物理力學性質

試驗土壤材料選自江西省贛州市定南縣離子型稀土礦山浸礦場地，取適量土樣放入烘箱，控制溫度105 ℃持續(xù)烘干8 h。 取出200 g 烘干土按照篩分法測試土壤粒徑分布，土的篩分結果如表1 所列，粒徑級配累積曲線如圖2 所示。

圖2 粒徑級配累積曲線Fig. 2 Cumulative curve of particle size

表1 土的篩分結果Table 1 Soil screening results

根據(jù)粒徑級配累積曲線，確定顆粒級配的2 個重要指標參數(shù)，即不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc，兩者定義的表達式如式（1）和式（2）所示[15]：

式（1）、式（2）中：d60、d30、d10分別表示小于該粒徑的土顆粒的質量占土顆?？傎|量的60%、30%、10%。Cu越大，表示土顆粒分配范圍越大，土顆粒越不均勻，級配良好。當Cu＞5 時，該土稱為不均勻土，反之為均勻土。Cc為該曲線的曲率系數(shù)， 反映的是d60和d10之間各粒組含量的分布情況，當 Cc＜1 或 Cc＞3 時，表示級配曲線不連續(xù)。 通常情況下，工程上把土的級配不均勻（Cu≥5），且級配曲線連續(xù)（Cc=1～3）的土，稱為級配良好的土， 若不能同時滿足此條件則判定為級配不良的土[16]。 顆粒級配參數(shù)如表2 所列，通過計算Cu≈4.204，Cc≈0.935， 判定該土壤條件為級配不良的土。 為減小顆粒的大小對土壤抗剪強度的影響，對烘干后的土壤進行篩分， 選取粒徑小于2 mm 的土壤顆粒。

表2 顆粒級配參數(shù)Table 2 Particle gradation parameters

委托贛南地質工程院對贛南離子型稀土礦山浸礦場地土壤的基本物理性質進行檢測，如表3[17]所列。

表3 試驗土壤基本物理性質[17]Table 3 Basic physical properties of tested soil[17]

1.2 固化劑材料

1.2.1 水性聚氨酯

聚氨酯（PU）全稱聚氨基甲酸酯，是一種含重復氨基甲酸酯鍵（—NHCOO）的有機高分子化合物[18]。聚氨酯類高分子材料黏結性好、耐高溫、便于加工、價格優(yōu)惠， 由聚氨酯樹脂制成的產(chǎn)品有膠黏劑、纖維、彈性體、泡沫塑料、合成皮革、涂料等，是具有重大應用價值的先進高分子材料，已成為當代高分子材料中品種最多、用途最廣、發(fā)展最快的一類新型材料[19]。

水性聚氨酯是以水代替有機溶劑作為分散介質的新型聚氨酯體系，具有黏性、彈性、耐磨性、韌性、附著力和低溫抗沖擊性優(yōu)異和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點， 在黏合劑領域已經(jīng)得到了廣泛的應用[20]。

1.2.2 膨潤土

膨潤土是一種以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)， 具有吸水膨脹和失水干縮2 種變形特性[21]。 膨潤土的一些性質基本是由蒙脫石決定的，蒙脫石可呈黃白、黃綠、白色、灰色等顏色，其形狀可為致密塊狀，也可為松散的土狀，用手指搓磨時有滑感，加水后體積脹大，在水中呈懸浮狀，水少時呈糊狀[22]。 蒙脫石的性質與其化學成分和內部結構有關。

膨潤土也稱膨土巖， 具有良好的黏結性、 膨脹性、可塑性、懸浮性、膠體分散性、吸附性、接觸性、催化活性、潤滑性和陽離子交換性等性能[23]，因此常作為黏結劑、填充劑、吸附劑、觸變劑、催化劑、絮凝劑、洗滌劑、穩(wěn)定劑、增稠劑等被廣泛應用[24-25]。

2 試驗研究方法

2.1 實驗儀器

此次試驗采用的直剪儀器是ZJ 型應變控制式直剪儀（圖3），環(huán)刀內土樣面積為 30 cm2，高度為20 cm，剪切盒子直徑為6.18 cm，高度為2 cm，剪切速率為0.08 mm/min。

圖3 ZJ 型應變控制式直剪儀（四聯(lián)剪）Fig. 3 ZJ strain controlled direct shear instrument (quadruple shear)

2.2 試驗方案

通過級配實驗結果可知該離子型稀土礦山浸礦場地邊坡土壤為不均勻土，為了避免各重塑土樣顆粒大小差異過大影響實驗結果，將烘干后的土顆粒進行篩分，保留粒徑小于2 mm 的土顆粒。通過試驗測試，該區(qū)域土壤含水率為17.09%， 為對比不同固化劑混合溶液對土壤的影響， 控制土壤含水率及土壤質量保持不變，固定每個重塑土樣中土的質量為79.6 g。重塑土樣在相同室內環(huán)境下養(yǎng)護3 d 后進行直剪快剪試驗。 混合固化劑溶液中加入一定量的碳酸氫鈉可調節(jié)混合溶液的pH 值， 增強膨潤土渙散造漿，加速溶解。

2.2.1 混合固化劑溶液的制備方法

水性聚氨酯與膨潤土的溶解性不同，水性聚氨酯易溶于水， 而膨潤土在溶解過程中需要不斷攪拌，當膨潤土在溶解的過程中添加水性聚氨酯不利于膨潤土的溶解。 因此，在制備混合固化劑溶液的過程中需分步進行，具體步驟如下：

1） 按混合固化劑溶液不同配比將所有材料稱重。

2） 將水性聚氨酯和水按比例混合成穩(wěn)定劑溶液。

3） 將膨潤土和水按比例混合，充分攪拌，制備成泥漿。

4） 往膨潤土和水制備成的泥漿中加入碳酸氫鈉，充分攪拌，制成混合泥漿。

5）將水性聚氨酯和水制成的穩(wěn)定劑溶液與混合泥漿充分攪拌，制成固化劑混合溶液。

2.2.2 重塑土樣

將上述配好的混合溶液與79.6 g 土顆粒混合重塑土樣（圖4），控制每個重塑土樣中的含水率相同，固定每個重塑土樣中水的含量為13.6 g （79.6 g 土×含水率17.09%）， 依據(jù)固化劑混合溶液中水的占比，確定重塑土樣需添加固化劑混合溶液的質量。

圖4 重塑土樣Fig. 4 Remolded soil samples

式（3）中：m 為重塑土樣需要添加固化劑混合溶液的質量，g；m1為重塑土樣中水的固定質量13.6 g；m2為混合固化劑中水的總質量，g；M 為混合固化劑的總質量，g。

2.2.3 直剪試驗

將水性聚氨酯與膨潤土不同配比混合的固化劑混合溶液做重塑土樣直剪快剪實驗。 將配制好的土樣分別裝入環(huán)刀內壓實， 再將壓實好的土樣壓入剪切盒中，分別在 50、100、200、300 kPa 的豎直法向力下進行快剪剪切試驗，剪切速率為0.08 mm/min。

3 試驗結果與分析

3.1 實驗結果

表4 所列為直剪實驗結果， 列舉4 組實驗剪應力與剪切位移關系曲線以及抗剪強度與垂直壓力關系曲線，如圖5 所示。

圖5 土的剪切曲線和強度分析Fig. 5 Shear curve and strength analysis of soil

表4 直剪實驗結果Table 4 Direct shear test results

3.2 不同配比對抗剪強度的影響

由實驗1—實驗3 可以看出，當單獨添加水性聚氨酯或膨潤土時，重塑土樣黏聚力與內摩擦角均顯著提高， 且單獨添加水性聚氨酯其黏聚力增加更大，單獨添加膨潤土內摩擦角變化更明顯。

按實驗4—實驗 7、實驗8—實驗 11、實驗 12—實驗15、實驗16—實驗19 分組，當膨潤土的含量不變，水性聚氨酯含量提高時，內摩擦角變化很小，而黏聚力隨著水性聚氨酯比重的增加而增大，當水性聚氨酯比重為15 時，黏聚力達到最大值，當水性聚氨酯比重再增加時，黏聚力減小，如圖6 所示。

圖6 黏聚力大小變化Fig. 6 Variation of cohesion

同時分析對比水性聚氨酯比重不變，膨潤土比重增加， 黏聚力隨著水性聚氨酯比重增加變化較小，而內摩擦角隨著水性聚氨酯比重的增加而增大，且當膨潤土比重為12 時，內摩擦角達到最大值，當再添加膨潤土比重，內摩擦角減小，如圖7 所示。

圖7 內摩擦角大小變化Fig. 7 Variation in the internal friction angle

從表4 實驗結果可以得出，水性聚氨酯與膨潤土較好的配比情況是實驗6，即當m（碳酸氫鈉）:m（水性聚氨酯）∶m（膨潤土）∶m（水）=1∶15∶12∶100 時，混合固化劑溶液固化效果是較好的。

3.3 固化劑加固機理分析

1）使用混合固化劑加固土體，主要是通過發(fā)生物理變化改善土壤的抗剪強度。 從土的微觀結構分析，混合固化劑溶液中水性聚氨酯具有較強的黏性，混入土顆粒間能夠增加顆粒之間的黏結力，從而有效提高土壤抗剪強度的黏聚力。膨潤土顆粒細小、滲透性強，能滲透到土壤大顆粒之間起到充填作用使土顆粒更緊密，有效改變土壤顆粒級配，提高土壤抗剪強度的內摩擦角。

2） 實驗通過改變混合固化劑溶液中2 種固化劑的比重，根據(jù)不同配比情況下土壤抗剪強度大小判斷混合固化劑的最優(yōu)配比。水性聚氨酯與膨潤土是2 種固化效果不同的固化劑，水性聚氨酯黏性很強，隨著水性聚氨酯比重的增加，土顆粒間黏性會變強，但是當水性聚氨酯比重過高，水性聚氨酯的固化作用會由黏結力轉化為充填作用的內聚力， 導致黏聚力下降。膨潤土溶于水后存在一定的黏性， 但是黏性過低，當與水性聚氨酯混合時，混合固化劑的黏性主要由水性聚氨酯決定。膨潤土的固化效果主要是由于膨潤土顆粒的充填作用，當膨潤土比重變化時，黏聚力變化并不明顯，其最優(yōu)比重與土顆粒大小有關，所以膨潤土與水性聚氨酯結合能更高效提高土壤的固化效果。

4 結 論

1） 用水性聚氨酯和膨潤土分別對贛南離子型浸礦場地邊坡土壤進行加固處理，均能有效提高該土壤的抗剪強度。 單獨使用水性聚氨酯加固土壤時，通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)黏聚力增加顯著，而單獨使用膨潤土加固土壤時，內摩擦角增加明顯。

2） 將水性聚氨酯和膨潤土混合對贛南離子型浸礦場地邊坡土壤進行加固處理，不同比例混合固化劑的抗剪強度有所差異，控制混合固化劑中膨潤土的比重不變，改變水性聚氨酯的比重，內摩擦角變化較小，黏聚力隨水性聚氨酯的增加而增大，當水性聚氨酯比重加至15 時，黏聚力達到最大。當控制混合固化劑中水性聚氨酯的比重不變，改變膨潤土的比重，黏聚力變化較小，內摩擦角隨膨潤土比重的增加而先增大后減小，當膨潤土比重為12 時，內摩擦角達到最大。

3） 綜合水性聚氨酯和膨潤土19 種不同配比混合對贛南離子型浸礦場地邊坡土壤強度提升的效果，在相同氣溫環(huán)境、相同養(yǎng)護時間情況下，當m（碳酸氫鈉）∶m（水性聚氨酯）∶m（膨潤土）∶m（水）=1∶15∶12∶100 時，內摩擦角與黏聚力均達到最大值，該混合比例的抗剪強度最優(yōu)。