0.   引言

砂土是一种分布广泛、结构松散且黏聚力小的一种土。在砂土分布地区常发生水土流失、液化等一系列问题,严重影响了生态环境的保护和工程的建设。因此,为满足环保和工程安全的要求,需要对砂土进行加固处理。传统的土体固化材料有水泥、石灰、粉煤灰等,这些加固材料可以有效提高砂土的黏聚力和强度^[1-2],但因这些材料属于硬性加固材料,很难满足生态环保的要求。

近年来,随着人们环保意识加强,一些满足环保要求的柔性土体加固材料正在逐渐被应用到土体加固当中^[3-4]。高分子土壤固化剂因其具有的高分子官能团能与土体表面的离子产生一系列物化作用,从而可以有效增加土体之间的黏聚力,提高土体强度^[5-6]。刘瑾等^[7]对OPS（有机高分子固化剂）型土壤固化剂固化后砂土的渗透特征和强度特征进行了研究,表明OPS型固化剂可以有效降低砂土渗透特性并提高其强度。Liu等^[8]研究了高分子固砂剂加固后表层砂土的抗冲刷性,研究成果表明高分子固砂剂可以有效提高表层砂土的抗冲刷性,且抗冲刷性能随溶液喷洒量和浓度的增加而提高。Lee等^[9]将黄原胶生物高聚物用于路基土加固,可有效提高土体的抗压强度和可塑性。以上研究成果表明,高分子聚合物可有效改良土体结构和强度。除此之外,一些学者通过改变加固后土体所处的环境条件来评价土体的加固效果。方秋阳等^[10]研究了冻融循环对固化盐渍土的抗压强度及耐久性的影响,认为固化盐渍土抗压强度随冻融次数的增加而减小,且含水率是影响冻融后土的抗压性能的首要因素。Cai等^[11]研究了活性Mgo碳化后粉土在干湿循环条件下工程特性的变化,表明干湿循环对碳化后粉土的孔隙分布有较大影响,其中土体总孔体积、集料内孔体积和小孔体积均有不同程度的增大,而中孔体积则有不同程度的减小。

以上主要是研究了不同固化材料加固后土体在宏观特征表现,而土体的微观特征决定了土体的强度、渗透性等特性。X射线衍射仪和显微镜常被用来观察土体的微观结构,可以直观观察到土体内部的孔隙结构与形态分布,但其观察范围比较局限,很难对土体整体进行观察。近年来,岩土体核磁共振测试技术因其具有直观、准确、对结构无损等优点,正越来越多地被应用于岩土体微观结构的研究当中^[12-15]。王萍等^[16]采用核磁共振技术对不同浸泡时间的脆硬性泥页岩进行测量,研究了脆硬性泥页岩水化后细观结构的损伤演化特征。刘勇健等^[17]通过对真三轴固结不排水的软土进行核磁共振试验,分析了在剪切过程中土体孔隙大小、孔径分布和孔隙结构参数变化特征。Li等^[18]根据核磁共振技术测得不同土体在冻融循环后的T₂谱图,得到了不同土体在冻融循环后孔隙结构变化特征。安爱军等^[19]结合核磁共振和扫描电镜,研究了改良膨胀土的孔隙分布规律和内部颗粒胶结方式的变化。吕擎峰等^[20]采用核磁共振技术,对不同配比的水玻璃、石灰+粉煤灰及石灰+粉煤灰+水玻璃的固化盐渍土的微观特征进行分析研究,研究成果表明颗粒间的胶结情况对固化效果的影响远大于孔隙特征。

聚氨酯固化剂作为一种新型土壤固化剂,可用于河道砂土岸坡的加固,因而浸水对加固后砂土的特性的研究具有重要意义。本文采用低场核磁共振技术,对聚氨酯高分子固化剂固化砂土浸水后的微观特征和强度特性进行研究,分析了加入不同含量固化剂的砂土在浸水不同时间后的T₂谱图、孔喉分布等特征,并采用核磁共振成像技术分析浸水不同时间的固化砂土内部孔隙分布特征,最后采用无侧限抗压强度试验对浸水后的固化砂土进行强度测试。研究成果可为加固土体浸水的微观特性与强度特性分析提供一定的参考。

1.   试验材料与方法

1.1   试验材料

试验使用的砂土取自于南京市江宁区,粒径分布曲线如图1所示,砂土的物理指标如表1所示。试验中选取的固化材料为聚氨酯型高分子固化剂（化学式见图2,为浅黄色透明液体,与水可以以任意比例互溶,聚氨酯固化剂溶液加入到砂土中,随着水分挥发,可以在砂粒之间形成具有一定强度的高分子固化膜。聚氨酯型高分子固化剂详细的指标参数：密度为1.18 g/cm³,黏度为650～700 mPa·s,固含量为85%,凝固时间为300～1800 s。

图  1  粒径分布曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curve

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表  1  砂土的物理参数

Table  1.  Physical parameters of sand

孔隙率	干密度ρ/(g·cm-3)	相对密度Gs	不均匀系数Cu	曲率系数Cc
emax=0.97	ρmax=1.72	2.69	2.27	1.13
emin =0.59	ρmin=1.37

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图  2  聚氨酯型高分子固化剂化学式

Figure  2.  Chemical formula of polyurethane polymer

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1.2   试验设备

试验中使用的微观测试仪器为苏州纽迈公司生产的MacorMR12-150H-I型低场核磁共振分析仪,如图3所示,主要包括核磁共振测量系统以及核磁共振成像系统。磁场强度0.5 T,磁体温度32℃。

图  3  低场核磁共振分析仪

Figure  3.  Low-field NMR analyst instrument

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无侧限抗压强度试验采用的是南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪,试验过程中控制应变速率为2.4 mm/min。

1.3   试验原理与方案

（1）试验原理

核磁共振技术是根据试样中的氢核在磁场环境下产生的相互作用关系,从而获取试样内部氢质子的空间分布情况的测试技术。进行测试时,首先将样品放入样品仓,接着对主磁场施加一定频率的射频脉冲,从而样品中的自旋氢核将吸收所加频率的电磁波,将会从低能态跃迁至高能态。射频脉冲停止后,在主磁场的作用下,横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零,纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态,这个过程称为核磁弛豫。核磁弛豫又可分解为：纵向弛豫T₁和横向弛豫T₂两个部分。由于T₁测量时间很长,从而在多孔介质流体中通常采用T₂来研究试样内部的孔隙结构特征。试样内部氢质子在磁场作用下其能量释放速度和强度不同,从而可间接反映岩土孔隙结构特征。T₂与孔径之间关系为

式中,V为孔隙体积,S为孔隙比表面积,${\rho }_2$为表面弛豫强度,T₂谱值与孔隙体积成正比。因此,T₂谱分布反映了岩样的孔隙大小以及孔喉分布。

（2）试验方案

为研究不同含量固化剂固化砂土浸水不同时间的微观特征,试验中选用聚氨酯固化剂含量P_c（与砂土的质量比）为1%,2%,3%,4%,浸水时间I_t为6,12,24,48 h,控制试样初始含水率为10%,密度ρ为1.50 g/cm³。并选取2%固化剂固化后的砂土,制成1.40,1.45,1.50,1.55,1.60 g/cm³的试样,试样直径为39.1 mm,高度为80 mm。详细试验方案如表2所示。将制好的样置于室温下养护48 h后浸水不同时间,将浸水后试样取出擦拭表面水分后用保鲜膜密封,放入核磁共振线圈中进行测试,测试选择的核磁共振线圈直径为60 mm,并对测试完的试样进行无侧限抗压强度测试。。

表  2  详细试验方案

Table  2.  Test schemes

Pc/%	It/h	$\rho$/(g·cm-3)
1	6,12,24,48	1.50
2
3
4
2	24	1.40,1.45,1.50,1.55,1.60

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在进行测试之前,先采用FID序列找到中心频率,接着通过CPMG序列确定试验所采用的参数,最后使用标准油样进行定标。本次试验,确定仪器的参数：射频中心频率为12 MHz；90°射频脉冲宽度为3.8 µs；180°射频脉冲宽度为10.4 µs；采样等待时间为250 µs；采样间隔为500 ms；模拟增益为20；累加采样次数为16；回拨个数为500。

2.   试验结果分析

2.1   T₂谱图分析

T₂为试样内部孔隙中流体的弛豫时间,本文采用核磁共振分析仪对加入不同含量聚氨酯固化剂浸水不同时间的试样进行测试,得到如图4所示的T₂谱图。

图  4  不同含量固化剂固化砂土浸水不同时间T₂谱图

Figure  4.  T₂ spectra of sand mixed with different contents of polymer after different immersion time

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从图4可以看出,不同固化剂含量加固后砂土的T₂谱值随着浸水时间的增加保持增加趋势,且加入相同固化剂含量砂土后,固化砂土浸水不同时间后的T₂谱图保持着相似的变化趋势,幅值出现的弛豫时间均为100～1000 ms。固化砂土T₂幅值以及幅值面积随着浸水时间增加也保持增加趋势,表明加入相同固化剂含量的砂土,试样的吸水率随着浸水时间增长而增大,而试样内部孔隙结构的空间分布结构并不受浸水时间的变化而产生较大变化。从图4中还可以看出,加入的固化剂含量的不同对固化砂土的T₂谱图具有显著影响。加入较低含量的固化剂（P_c≤2%）时,T₂谱图中均出现一个显著峰值,加入固化剂含量为3%时,试样的T₂谱图中出现了多个明显峰值,而加入4%固化剂含量的砂土中信号幅值分布连续性增强。其中,加入3%固化剂砂土的T₂幅值分别出现在10～100 ms和100～1000 ms。而加入4%固化剂的砂土在浸水时间较短时,出现两个幅值,而随着浸水时间继续增加,在弛豫时间为100 ms附近的信号幅值弛豫增加,从而左侧幅值变的不太显著。且对比分析相同浸水时间不同固化剂含量的砂土试样可以看出,随着固化剂含量的增加,$T_2$幅值面积出现显著的增加趋势。以上变化规律表明,加入固化剂含量越多的砂土中,其吸水率越高,且固化剂含量的不同将会显著改变固化砂土内部孔隙的空间分布特征。根据$T_2$值与孔径大小之间的正比关系（R=$T_2$×${\rho }_2$）可知,$T_2$值越大表明该信号值对应的孔径所占比例越高,从而可知随着加入固化剂含量的增加,试样内部的孔径分布由单一分布逐渐变化为均匀分布。

研究密度对固化砂土浸水后孔隙特征的影响,采用核磁共振分析仪对不同密度的试样浸水24 h进行测试,得到的T₂谱图如图5所示。从图5可以看出,密度对T₂谱图形态变化没有明显的影响,不同密度试样的T₂谱图均出现两个峰值,一个主峰一个次峰,主峰主要分布在500～1000 ms,次峰分布在10～100 ms。且随着密度的增加,T₂谱图出现幅值的弛豫时间逐渐减小。且密度对信号幅值也具有明显的影响,密度的增加能够有效降低固化砂土内部的信号幅值。从图5中还可以看出,随着密度的增加,T₂谱图的幅值面积逐渐减小,对应试样内部孔隙减小。表明密度增加,固化砂土内部的孔径整体呈减小趋势,且孔径分布的范围逐渐缩小,分布区间向小孔径方向移动。

图  5  不同密度2%固化剂固化砂土浸水24 h后T₂谱图

Figure  5.  T₂ spectra of sand mixed with polymer content of 2% and different densities after immersion for 24 h

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图6（a）为2%固化剂含量固化砂土浸水6,12,24,48 h后的孔喉分布。从图6（a）中可以看出,加入的固化剂含量相同时,试样内部的孔隙几乎均在1.0～10.0 µm,属于中小孔隙。其中,大小在4.0～6.3 µm、6.3～10.0 µm以及10.0～16.0 µm的孔喉为试样内部孔隙的主要部分,所占试样孔隙体积的比例为4%～6%。试样内部的总有效孔隙率随着浸水时间的增长而增加,且几乎所有孔喉区间所占比例均随着浸水时间的增加而增大。相对大孔隙所占的比例均随浸水时间的增长而增加,表明固化后的砂土在浸水时间越长后所吸收的水分越多,试样内部的孔隙在水化作用下的扩展也越为明显。图6（b）为分别加入1%,2%,3%,4%固化剂含量的砂土浸水24 h后的孔喉分布情况。从图6（b）中可以观察到,固化剂含量对试样内部的孔喉分布情况有明显的影响。固化剂含量较高时,所分布在砂粒之间的固化膜越多,从而吸收的水分越多,表现出水信号强度越强。其中,在孔喉区间位于0.40～0.63 µm至 6.3～10.0 µm时,该区间孔喉所占比例均随固化剂含量的增加而增多。而孔喉大于10 µm后,加入3%固化剂含量砂土孔喉所占比例最高,表明固化剂含量对大孔喉的作用效果开始减缓。

图  6  孔喉分布

Figure  6.  Distribution of pore throat

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图7为加入2%固化剂不同密度固化砂土浸水24 h后的孔喉分布情况。从图7中可以看出,试样密度为1.40,1.45 g/cm³时,孔喉大小主要分布在4.0～25.0 µm,约占试样孔隙体积的15%～20%,而密度为1.50～1.60 g/cm³的试样孔喉主要分布于2.5～16.0 µm,约占总孔隙体积的12%～16%,表明密度大的试样内部大孔喉所占比例逐渐减小。且从图中还可以看出,孔喉区间在0.1～0.63 µm时所占比例随密度的增加而增多,表明高密度试样中的小孔喉越多大孔喉越小。这是因为密度越大,试样中的砂粒数量越多,砂粒之间的接触更为紧密,从而在砂粒表面形成固化膜越薄,所吸收的水分越少。

图  7  不同密度孔喉分布

Figure  7.  Distribution of pore throat of reinforced sand with different densities

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2.2   成像分析

核磁共振分析仪可以对试样内部的孔隙分布情况进行成像分析,所得到的核磁共振成像图能够直观的观察到试样内部的孔隙分布规律。本文对不同固化剂含量、不同浸水时间以及不同密度的试样进行核磁共振成像分析,并对核磁共振所得到的灰度图采用核磁共振成像软件进行伪彩处理,得到以下核磁共振成像图,图中的亮点表示水分,也可以近似表示为孔隙,从而可知,图中越亮的部分表示孔隙越多。其中,图8为加入1%,2%,3%,4%的试样分别浸水6,12,24,48 h后的径向核磁共振成像图,图8为加入2%固化剂不同密度试样浸水24 h后轴向成像图。

图  8  加入不同含量固化剂浸水不同时间后核磁共振成像图

Figure  8.  MRI of sand mixed with different contents of curing agent after immersion for different time

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从图8可以看出,在相同浸水时间时,加入较低固化剂含量的砂土成像图中亮点分散、少且小,表明剖面上水分分布较少,也说明试样内部分布的固化膜较少,且只有在小孔隙中分布较少的固化膜。而随着固化剂含量的增加,试样剖面上的亮点逐渐增多,且逐渐变得集中,表明砂粒之间的固化膜逐渐增多,砂粒表面均附有一定厚度的固化膜,固化膜均匀分布在砂粒之间,将砂粒连接成为一体,从而在径向剖面成像图中可以看到相对连续的亮点。图8中还显示出,随着浸水时间的增加,试样内部亮点由分散逐渐变化为连续,亮点发展连接成为较密的网状结构,试样内部的信号强度逐渐增强,表明固化后砂土浸水后固化膜有一个缓慢的吸水过程。可以看到,加入4%含量固化剂的砂土浸水48 h后,成像剖面图几乎完全被亮点覆盖,可以得到高固化剂含量加固后的砂土内部,固化膜能够均匀分布在砂土之间,并且包裹缠绕砂粒,使其成为一体。从图9中可以看出,随着密度的增加,试样轴向剖面成像图中的亮点逐渐减小,由密集连续变化为分散。从图9可知,试样内部水分以及砂土表面所包裹的固化膜随着密度的增加而减小,表明砂粒之间的连接更为紧密,存在的孔隙也逐渐减小。低密度试样内部亮点呈现密集连续状态,表明试样内部存在的大孔隙较多,而高密度试样内部,大面积亮点存在很少,主要以分散的小亮点为主,表明密度大的固化砂土内部大孔隙减小,小孔隙增多。

图  9  加入2%固化剂不同密度试样浸水24 h后核磁共振成像图

Figure  9.  MRI of sand mixed with content of curing agent of 2% and different densities after immersion for 24 h

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2.3   含水率与强度分析

对核磁共振测试完的试样进行无侧限抗压强度测试,所得结果如表3所示,采用核磁共振测试技术可以直接得到试样的含水率,如图10所示。

表  3  固化砂土浸水后强度

Table  3.  Compressive strengths of reinforced sand after immersion

$p_{\text{c}}$/%	$\rho$/(g·cm-3)	$I_{\text{t}}$/h	${\sigma }_{\text{c}}$/kPa
1	1.50	6	71.25
		12	60.29
		24	53.65
		48	39.34
2	1.50	6	45.48
		12	43.27
		24	41.54
		48	40.25
3	1.50	6	49.04
		12	46.87
		24	44.88
		48	42.08
4	1.50	6	52.31
		12	50.92
		24	48.75
		48	45.54
2	1.40	24	25.67
	1.45		31.92
	1.55		50.46
	1.60		76.46

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图  10  浸水后固化砂土的含水率

Figure  10.  Water contents of reinforced sand after immersion

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从图10中可以看出,浸水后固化砂土的含水率随着浸水时间的增加表现出先快速增加后趋于稳定的状态。其中,浸水时间从6 h增加到12 h时,试样含水率增幅明显,而浸水时间达到12 h后,浸水时间的增加对试样的含水率影响开始减缓,试样内部含水率基本达到稳定状态。且从图10中还可以看出,浸水时间相同时,固化剂含量越大固化砂土的含水率越大,当固化剂含量从1%增加到2%时,含水率具有明显增加的过程。因固化剂具有良好的吸水效果,固化砂土的含水率有随固化剂含量增加一直保持增加的趋势。

抗压强度随固化剂含量和浸水时间的变化趋势如图11所示。结合表3和图11可知,加入1%固化剂含量的砂土浸水6 h后含水率明显低于其他含量固化剂加固后砂土,水软化速率较弱,初期浸水强度较高,而随着浸水时间增加,1%固化剂加固后砂土浸水后期强度小,在浸水24 h之前,加入1%固化剂含量的砂土抗压强度值最大,而超过24 h后,其强度降到最低。而当固化剂含量大于1%时,在相同浸水时间下,固化剂含量越大,试样浸水后强度越大,且固化后砂土的强度均随浸水时间的增加而保持减小趋势。这是因为砂粒之间的固化剂膜具有较好的吸水性（图10）,且固化剂含量越大,砂粒之间的固化膜越多,从而吸水现象越明显,并且吸水后的固化剂出现膨胀软化现象,从而根据核磁共振结果可以看出,试样内部的水分逐渐增多,且孔隙呈现扩张趋势。加入较小含量固化剂,试样内部吸收的水分慢且少,从而出现加入1%含量固化剂砂土的强度初期较高,接着快速减小。而砂粒之间形成的固化膜吸水后依旧有一定强度,从而在加入较高含量固化剂砂土的强度随固化剂含量增加而增强,且强度随浸水时间增加均只有缓慢降低。

图  11  固化砂土浸水后抗压强度

Figure  11.  Compressive strengths of reinforced sand after immersion

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密度对固化砂土浸水后强度的影响如图12所示。从图12中可以看出,随着密度的增加固化砂土浸水后强度保持增加趋势。结合表3和图12可知,密度从1.40 g/cm³增加到1.55 g/cm³,抗压强度大致保持线性增加趋势,而密度从1.55 g/cm³增加到1.60 g/cm³,抗压强度增幅明显增大,增幅为51.53%。随着密度的增加,砂粒数量增多,从而砂粒之间孔隙减小且连接更为紧密。结合核磁共振结果（图7）可以看出,密度增加,试样内部大孔隙减少,多分布为较小孔隙。除此之外,单颗粒表面附着的固化膜减少,所吸收的水分减少,试样吸水软化程度较弱,从而抗压强度增加。

图  12  不同密度固化砂土浸水后的抗压强度

Figure  12.  Compressive strengths of reinforced sand with different densities after immersion

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3.   结论

本文基于低场核磁共振测试技术,对加入不同固化剂含量的砂土浸水不同时间以及不同密度试样浸水后的T₂谱图、孔喉分布、成像以及强度进行了分析,得到4点结论。

（1）随着固化剂含量的增加,T₂谱由单一峰值发展为多个峰值,峰值主要出现在100～1000 ms,且幅值面积也持续增加；随着浸水时间增长,T₂谱形态未产生明显变化,而幅值强度和面积均随浸水时间增长而增加。

（2）随着浸水时间的增长,试样内部的总有效孔隙率增加,相对大孔隙所占的比例增加；随固化剂含量的增加,试样内部有效孔隙率增加,且有效大孔喉数量增多。随着密度增加,试样内部小孔喉所占比例增加,大孔喉减小。低密度试样孔喉主要分布在4.0～25.0 µm,高密度试样孔喉主要分布在2.5～16.0 µm。

（3）随着固化剂含量和浸水时间的增加,试样剖面核磁共振成像图中亮点越多,表明试样内部水分越多,有效孔隙增加。随着密度增加,核磁共振成像图中亮点由连续集中变化未分散状态,表明试样内部大孔隙减小,小孔隙增多。

（4）浸水后固化砂土强度随浸水时间增加而减小,加入1%固化剂含量砂土强度在浸水24 h前最大,且固化剂含量大于2%时,浸水后强度随固化剂含量增加而增强。密度增加,浸水后强度保持增加趋势,且密度从1.55 g/cm³增加到1.60 g/cm³,增幅最大。