高性能聚氨酯砂土固结材料研究与应用

【摘要】：近年来,随着工程建设的加速推进,边坡坡面失稳、水土流失、沙漠化、扬尘等问题越来越突出,造成的损失亦越来越大。水土流失和土地沙化已成为我国生态安全面临的最大威胁。目前对这种难题的重要解决途径是将松散的砂土颗粒就地固结,防止颗粒在外力作用下进一步运移。砂土固结的核心问题是选用综合性能优异的固结材料。常用砂土固结材料分为无机材料和有机高分子材料。无机固结材料如石灰、水泥、粉煤灰、矿渣等由于渗透性差,固结施工困难,常常需要固结材料和砂土拌合进行铺设,且固结层容易干缩形成裂缝,厚重的固结层也不利于生态护坡。有机高分子类固结材料如聚丙烯酸、聚醋酸乙烯酯、聚氨酯等,在坡面防护、防治水土流失方面由于具有掺入量少,运输、施工方便,易于形成柔性固结层等优点而受到广泛关注。但目前各类有机高分子固结材料存在渗透性差、固结材料强度低、水稳定性差、抗冻性不足等缺点,严重制约着砂土治理领域的发展。聚氨酯作为一种新兴的有机高分子材料,因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。本文针对现有砂土固结材料的缺点,通过一系列室内实验制备出一种强度较高、水稳定性好、抗冻抗风蚀、保水性好且具有一定渗透性能的聚氨酯砂土固结材料。并从固结体强度、耐水性、抗冻性、渗透性、保水性、抗风蚀性等方面对材料进行性能测试,获得材料各方面性能参数。论文还通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)和X-射线衍射(XRD)等分析测试手段初步探讨了聚氨酯固结材料的固结机理,为材料的改进和进一步应用提供理论依据。论文最后将制备的聚氨酯砂土固结材料应用于新疆阿勒泰某公路路堑沙土质边坡坡面防护,取得了良好的砂土固化效果,并针对应用中出现的问题对材料及施工工艺进行改进优化。本文主要研究内容和研究成果如下:(1)从原料选择、原料配比、制备条件等方面进行深入研究,确定了制备聚氨酯固结材料的基本原料异氰酸酯和三类低聚物多元醇,并实验确定了三种多元醇的最优配方。优选出能够大大降低聚氨酯黏度的有机溶剂和加快反应速率的催化剂组合。由此制备出一种综合性能优异的聚氨酯砂土固结材料。(2)通过对砂土固结体SEM、FT-IR和XRD分析,结合固结体宏观力学特性,初步探讨了聚氨酯高分子砂土固结材料固结机理,为新材料的进一步研究和应用提供理论依据。结果表明聚氨酯高分子在砂土颗粒表面形成“薄而韧”的膜层,膜层间“架桥”相互黏结,这种黏结作用是砂土体成为整体的内在原因。(3)采用标准砂作为模拟加固砂土材料,对固结体进行抗压强度实验、抗冲刷实验、冻融循环实验、渗透性实验、保水性实验、风蚀实验等,全面测定了材料性能参数。结果表明:固结体强度受聚氨酯材料浓度的影响,浓度为14%的固结体强度可达9.04MPa,高于普通高分子砂土固结材料;固结体抗冲刷性能受聚氨酯材料浓度和坡面倾角影响;固结体具有较好的抗冻性能,经历25次±20℃冻融循环后强度损失率小于10%,质量损失率小于1.5%;固结后砂土体渗透率可降低至固结前的15%,可以大大降低砂土体的渗透性;固结砂土体7天后含水率为未固结砂土体的2倍,优异的保水性可以为绿色护坡提供条件。(4)将聚氨酯固结材料应用于新疆吉木乃县寒旱区路堑砂土质边坡坡面,结果证明制备的聚氨酯高分子砂土固结材料在粉质砂土和细砂土边坡坡面都具有很好的适宜性,坡面固结效果良好。并且在现场试验过程中针对砂土材料松散无胶结的特点,提出在现场应用中采用局部加强、定点成桩的施工工艺,在应用试验中取得显著效果。制得的聚氨酯砂土固化材料具有黏度低、强度高、水稳定性好、耐候性佳等优点,为边坡坡面失稳、水土流失、沙漠化、扬尘等问题的治理提供了新的思路,具有重要的应用价值。