基于水性聚氨酯与膨润土的混合固土效果试验研究

陈飞 ， 罗特 ， 施康 ， 钱乾

(江西理工大学，a.资源与环境工程学院；
b.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000）

稀土元素被誉为“工业维生素”，是国防、工业等领域不可或缺的重要元素[1-2]，近年来已陆续被多个国家列为重要战略资源[3]。

随着科技高速发展，对稀土资源的需求量逐年增加，但在稀土资源开采的过程中[4]，也使生态环境遭到破坏，导致大量边坡失稳现象出现，影响了人民的生命财产安全[5]。

因此，边坡修复尤为重要。

我国是稀土产量大国，赣南地区是我国稀土资源最丰富的地区之一[6-7]。

在近几十年，赣南地区离子型稀土矿被大量开采[8]，先后使用了池浸、堆浸、原地浸矿等开采工艺对山体进行了开挖[9]，破坏了当地的植被，造成了水土流失。

在江西省赣州市定南县某离子型稀土矿堆浸场地（N24°58′21″，E115°2′16″）进行实地考察，发现此处植被生长被严重破坏，水土流失严重，形成的边坡已经失稳，存在一定的安全隐患，如图1 所示。

图1 被破坏的边坡环境Fig. 1 Damaged slope environment

赣南地区全年雨水较多[10]，为解决边坡水土流失等问题， 可采用添加土壤固化剂改善土壤强度，提高稳定性[11-12]。水性聚氨酯[13]与膨润土[14]是2 种不同性质的固化剂，固土的效果也存在差异。

水性聚氨酯是一种柔性的胶凝材料，黏结性较好但固结后硬度低；
膨润土加水固结后有一定的硬度但黏结性较差。

通过大量室内直剪快剪实验发现， 两种固化剂都能较好地提高土壤稳定性强度， 将两种固化剂按一定比例混合添加后， 其强度高于单独添加其中一种固化剂的效果。

针对此实验结果，探讨不同配比的水性聚氨酯与膨润土混合溶液的固化效果， 采用直剪仪器检测添加混合固化剂后土壤的C（黏聚力）、φ（内摩擦角）， 研究其混合固化剂的最优配比对治理赣南离子型稀土矿尾矿土壤水土流失问题具有重要意义。

1.1 土壤试样物理力学性质

试验土壤材料选自江西省赣州市定南县离子型稀土矿山浸矿场地，取适量土样放入烘箱，控制温度105 ℃持续烘干8 h。

取出200 g 烘干土按照筛分法测试土壤粒径分布，土的筛分结果如表1 所列，粒径级配累积曲线如图2 所示。

图2 粒径级配累积曲线Fig. 2 Cumulative curve of particle size

表1 土的筛分结果Table 1 Soil screening results

根据粒径级配累积曲线，确定颗粒级配的2 个重要指标参数，即不均匀系数Cu及曲率系数Cc，两者定义的表达式如式（1）和式（2）所示[15]：

式（1）、式（2）中：d60、d30、d10分别表示小于该粒径的土颗粒的质量占土颗粒总质量的60%、30%、10%。Cu越大，表示土颗粒分配范围越大，土颗粒越不均匀，级配良好。当Cu＞5 时，该土称为不均匀土，反之为均匀土。Cc为该曲线的曲率系数， 反映的是d60和d10之间各粒组含量的分布情况，当 Cc＜1 或 Cc＞3 时，表示级配曲线不连续。

通常情况下，工程上把土的级配不均匀（Cu≥5），且级配曲线连续（Cc=1～3）的土，称为级配良好的土， 若不能同时满足此条件则判定为级配不良的土[16]。

颗粒级配参数如表2 所列，通过计算Cu≈4.204，Cc≈0.935， 判定该土壤条件为级配不良的土。

为减小颗粒的大小对土壤抗剪强度的影响，对烘干后的土壤进行筛分， 选取粒径小于2 mm 的土壤颗粒。

表2 颗粒级配参数Table 2 Particle gradation parameters

委托赣南地质工程院对赣南离子型稀土矿山浸矿场地土壤的基本物理性质进行检测，如表3[17]所列。

表3 试验土壤基本物理性质[17]Table 3 Basic physical properties of tested soil[17]

1.2 固化剂材料

1.2.1 水性聚氨酯

聚氨酯（PU）全称聚氨基甲酸酯，是一种含重复氨基甲酸酯键（—NHCOO）的有机高分子化合物[18]。聚氨酯类高分子材料黏结性好、耐高温、便于加工、价格优惠， 由聚氨酯树脂制成的产品有胶黏剂、纤维、弹性体、泡沫塑料、合成皮革、涂料等，是具有重大应用价值的先进高分子材料，已成为当代高分子材料中品种最多、用途最广、发展最快的一类新型材料[19]。

水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，具有黏性、弹性、耐磨性、韧性、附着力和低温抗冲击性优异和节能环保等优点， 在黏合剂领域已经得到了广泛的应用[20]。

1.2.2 膨润土

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产， 具有吸水膨胀和失水干缩2 种变形特性[21]。

膨润土的一些性质基本是由蒙脱石决定的，蒙脱石可呈黄白、黄绿、白色、灰色等颜色，其形状可为致密块状，也可为松散的土状，用手指搓磨时有滑感，加水后体积胀大，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状[22]。

蒙脱石的性质与其化学成分和内部结构有关。

膨润土也称膨土岩， 具有良好的黏结性、 膨胀性、可塑性、悬浮性、胶体分散性、吸附性、接触性、催化活性、润滑性和阳离子交换性等性能[23]，因此常作为黏结剂、填充剂、吸附剂、触变剂、催化剂、絮凝剂、洗涤剂、稳定剂、增稠剂等被广泛应用[24-25]。

2.1 实验仪器

此次试验采用的直剪仪器是ZJ 型应变控制式直剪仪（图3），环刀内土样面积为 30 cm2，高度为20 cm，剪切盒子直径为6.18 cm，高度为2 cm，剪切速率为0.08 mm/min。

图3 ZJ 型应变控制式直剪仪（四联剪）Fig. 3 ZJ strain controlled direct shear instrument (quadruple shear)

2.2 试验方案

通过级配实验结果可知该离子型稀土矿山浸矿场地边坡土壤为不均匀土，为了避免各重塑土样颗粒大小差异过大影响实验结果，将烘干后的土颗粒进行筛分，保留粒径小于2 mm 的土颗粒。通过试验测试，该区域土壤含水率为17.09%， 为对比不同固化剂混合溶液对土壤的影响， 控制土壤含水率及土壤质量保持不变，固定每个重塑土样中土的质量为79.6 g。重塑土样在相同室内环境下养护3 d 后进行直剪快剪试验。

混合固化剂溶液中加入一定量的碳酸氢钠可调节混合溶液的pH 值， 增强膨润土涣散造浆，加速溶解。

2.2.1 混合固化剂溶液的制备方法

水性聚氨酯与膨润土的溶解性不同，水性聚氨酯易溶于水， 而膨润土在溶解过程中需要不断搅拌，当膨润土在溶解的过程中添加水性聚氨酯不利于膨润土的溶解。

因此，在制备混合固化剂溶液的过程中需分步进行，具体步骤如下：

1） 按混合固化剂溶液不同配比将所有材料称重。

2） 将水性聚氨酯和水按比例混合成稳定剂溶液。

3） 将膨润土和水按比例混合，充分搅拌，制备成泥浆。

4） 往膨润土和水制备成的泥浆中加入碳酸氢钠，充分搅拌，制成混合泥浆。

5）将水性聚氨酯和水制成的稳定剂溶液与混合泥浆充分搅拌，制成固化剂混合溶液。

2.2.2 重塑土样

将上述配好的混合溶液与79.6 g 土颗粒混合重塑土样（图4），控制每个重塑土样中的含水率相同，固定每个重塑土样中水的含量为13.6 g （79.6 g 土×含水率17.09%）， 依据固化剂混合溶液中水的占比，确定重塑土样需添加固化剂混合溶液的质量。

图4 重塑土样Fig. 4 Remolded soil samples

式（3）中：m 为重塑土样需要添加固化剂混合溶液的质量，g；
m1为重塑土样中水的固定质量13.6 g；
m2为混合固化剂中水的总质量，g；
M 为混合固化剂的总质量，g。

2.2.3 直剪试验

将水性聚氨酯与膨润土不同配比混合的固化剂混合溶液做重塑土样直剪快剪实验。

将配制好的土样分别装入环刀内压实， 再将压实好的土样压入剪切盒中，分别在 50、100、200、300 kPa 的竖直法向力下进行快剪剪切试验，剪切速率为0.08 mm/min。

3.1 实验结果

表4 所列为直剪实验结果， 列举4 组实验剪应力与剪切位移关系曲线以及抗剪强度与垂直压力关系曲线，如图5 所示。

图5 土的剪切曲线和强度分析Fig. 5 Shear curve and strength analysis of soil

表4 直剪实验结果Table 4 Direct shear test results

3.2 不同配比对抗剪强度的影响

由实验1—实验3 可以看出，当单独添加水性聚氨酯或膨润土时，重塑土样黏聚力与内摩擦角均显著提高， 且单独添加水性聚氨酯其黏聚力增加更大，单独添加膨润土内摩擦角变化更明显。

按实验4—实验 7、实验8—实验 11、实验 12—实验15、实验16—实验19 分组，当膨润土的含量不变，水性聚氨酯含量提高时，内摩擦角变化很小，而黏聚力随着水性聚氨酯比重的增加而增大，当水性聚氨酯比重为15 时，黏聚力达到最大值，当水性聚氨酯比重再增加时，黏聚力减小，如图6 所示。

图6 黏聚力大小变化Fig. 6 Variation of cohesion

同时分析对比水性聚氨酯比重不变，膨润土比重增加， 黏聚力随着水性聚氨酯比重增加变化较小，而内摩擦角随着水性聚氨酯比重的增加而增大，且当膨润土比重为12 时，内摩擦角达到最大值，当再添加膨润土比重，内摩擦角减小，如图7 所示。

图7 内摩擦角大小变化Fig. 7 Variation in the internal friction angle

从表4 实验结果可以得出，水性聚氨酯与膨润土较好的配比情况是实验6，即当m（碳酸氢钠）:m（水性聚氨酯）∶m（膨润土）∶m（水）=1∶15∶12∶100 时，混合固化剂溶液固化效果是较好的。

3.3 固化剂加固机理分析

1）使用混合固化剂加固土体，主要是通过发生物理变化改善土壤的抗剪强度。

从土的微观结构分析，混合固化剂溶液中水性聚氨酯具有较强的黏性，混入土颗粒间能够增加颗粒之间的黏结力，从而有效提高土壤抗剪强度的黏聚力。膨润土颗粒细小、渗透性强，能渗透到土壤大颗粒之间起到充填作用使土颗粒更紧密，有效改变土壤颗粒级配，提高土壤抗剪强度的内摩擦角。

2） 实验通过改变混合固化剂溶液中2 种固化剂的比重，根据不同配比情况下土壤抗剪强度大小判断混合固化剂的最优配比。水性聚氨酯与膨润土是2 种固化效果不同的固化剂，水性聚氨酯黏性很强，随着水性聚氨酯比重的增加，土颗粒间黏性会变强，但是当水性聚氨酯比重过高，水性聚氨酯的固化作用会由黏结力转化为充填作用的内聚力， 导致黏聚力下降。膨润土溶于水后存在一定的黏性， 但是黏性过低，当与水性聚氨酯混合时，混合固化剂的黏性主要由水性聚氨酯决定。膨润土的固化效果主要是由于膨润土颗粒的充填作用，当膨润土比重变化时，黏聚力变化并不明显，其最优比重与土颗粒大小有关，所以膨润土与水性聚氨酯结合能更高效提高土壤的固化效果。

1） 用水性聚氨酯和膨润土分别对赣南离子型浸矿场地边坡土壤进行加固处理，均能有效提高该土壤的抗剪强度。

单独使用水性聚氨酯加固土壤时，通过直剪试验发现黏聚力增加显著，而单独使用膨润土加固土壤时，内摩擦角增加明显。

2） 将水性聚氨酯和膨润土混合对赣南离子型浸矿场地边坡土壤进行加固处理，不同比例混合固化剂的抗剪强度有所差异，控制混合固化剂中膨润土的比重不变，改变水性聚氨酯的比重，内摩擦角变化较小，黏聚力随水性聚氨酯的增加而增大，当水性聚氨酯比重加至15 时，黏聚力达到最大。当控制混合固化剂中水性聚氨酯的比重不变，改变膨润土的比重，黏聚力变化较小，内摩擦角随膨润土比重的增加而先增大后减小，当膨润土比重为12 时，内摩擦角达到最大。

3） 综合水性聚氨酯和膨润土19 种不同配比混合对赣南离子型浸矿场地边坡土壤强度提升的效果，在相同气温环境、相同养护时间情况下，当m（碳酸氢钠）∶m（水性聚氨酯）∶m（膨润土）∶m（水）=1∶15∶12∶100 时，内摩擦角与黏聚力均达到最大值，该混合比例的抗剪强度最优。

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