周盛全，張勇飛，徐 穎，李棟偉

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2. 東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，南昌 330013)

堆積粉煤灰是一種軟弱地層，具有含水量高，壓縮性大的特點[1-3]。作為建筑物地基，現(xiàn)有工程案例表明在堆積粉煤灰地層中摻入水泥，可以有效的提高地基承載力，減小沉降量[4-5]。諸多學(xué)者通過多種手段探究如何提高水泥土的強度，例如摻入纖維[6-7]，摻入不同固化劑[8-9]等方法。而堆積粉煤灰作為一種特殊地層，其中粉煤灰具有火山灰性質(zhì)，即在堿性環(huán)境中，酸性氧化物發(fā)生水化反應(yīng)[10-11]。石膏與石灰作為常用的固化劑，被廣泛運用于水泥土工程中，同時石膏與石灰可以激發(fā)粉煤灰的活性[12-14]，相應(yīng)的研究成果表明石膏和石灰等都是提高水泥-粉煤灰強度的有效材料。

Pradip等[15]通過了SEM(Scanning Electron Microscope)和XRD(X-Ray Diffraction)等手段，分析了粉煤灰水泥試樣，得到了活化的粉煤灰與水泥共同作用產(chǎn)生水化產(chǎn)物的結(jié)論。Mahdi等[16]探究了水泥粉煤灰試樣的強度變化規(guī)律，結(jié)果表明水泥粉煤灰試樣早期強度增長速率低，后期強度增長速率快的規(guī)律。Zhou等[17]對比分析了石灰含量為0%，5%的石灰粉煤灰改良膨脹土試驗，得到了摻入石灰后，試樣強度明顯提升的結(jié)論，并從微觀角度解釋了由于石灰的摻入，使得體系中的水化產(chǎn)物增多，造成試樣強度的提升；摻入石灰可以有效提高水泥粉煤灰試樣的強度，但試樣前期強度增長較低[18]。Poon等[19]分析了在水泥粉煤灰試樣中摻入石膏對試樣強度的影響，得出了石膏僅在固化后期才作為活化劑的作用。上述研究表明摻入石灰和石膏后，水泥-粉煤灰體系的性能有顯著改變的結(jié)論。

上述工作為水泥-粉煤灰靜態(tài)力學(xué)特性的研究積累了豐富的經(jīng)驗。但水泥-粉煤灰復(fù)合地基不僅承受靜態(tài)荷載的作用，有時也承受動態(tài)荷載的作用。例如，工程實際中施工振動，車輛沖擊和地震都會對水泥-粉煤灰復(fù)合地基產(chǎn)生沖擊作用[20-21]。國內(nèi)外學(xué)者對沖擊荷載作用下材料的力學(xué)特性開展了大量研究，他們的成果表明：材料受到?jīng)_擊荷載作用時所表現(xiàn)的動態(tài)力學(xué)特性與靜態(tài)荷載作用下的靜態(tài)特性存在明顯的差異，表現(xiàn)為隨著應(yīng)變率的提高，材料的屈服極限提高，強度極限提高，延伸率降低，以及屈服滯后和斷裂滯后等現(xiàn)象變得明顯起來[22-23]。Chen等[24]通過使用分離式霍普金森壓桿，研究了不同粉煤灰摻量下的水泥復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能，得到了粉煤灰水泥復(fù)合材料在沖擊過程中表現(xiàn)出應(yīng)變率依賴性和塑性流動的結(jié)果。Mohamed等[25]采用了SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)等試驗手段，探究了應(yīng)變速率在30.12～101.42 s-1的高摻量粉煤灰下的混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明粉煤灰水泥試樣的抗沖擊性較純水泥試樣得到了顯著提升。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對于粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用作了大量研究，并取得了豐碩成果。然而對于以粉煤灰為主的粉煤灰-水泥體系在受到?jīng)_擊荷載作用下的研究較少，且目前關(guān)于改良后的水泥粉煤灰試樣在沖擊和在沖擊荷載下的動態(tài)力學(xué)特性鮮有研究。

基于此，本文通過采用SHPB試驗裝置研究石灰和石膏改良水泥粉煤灰在沖擊荷載作用下的力學(xué)特性，通過探究DCS(Dynamic Compressive Strength)隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律，找出摻量的最優(yōu)值。本文的研究，旨在為水泥土(水泥-粉煤灰)加固堆積粉煤灰地層的設(shè)計和施工提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用粉煤灰取自位于淮南上窯原貯灰場內(nèi)的建筑工地，水泥采用32.5強度等級的復(fù)合硅酸鹽水泥。堆積粉煤灰粒徑分布見表1，化學(xué)成分如表2所示，圖1給出了粉煤灰的XRD圖譜。可以看出粉煤灰顆粒主要集中在0.1～0.25 mm，顆粒較細，SiO2與Al2O3的含量累計占87.68%，XRD圖譜顯示堆積粉煤灰主要是由莫來石相和石英相組成。石灰選用Ca(OH)2含量為98.2%的熟石灰，石膏選用CaSO4粉末。

表1 粉煤灰的粒徑組成

表2 粉煤灰化學(xué)成分

圖1 粉煤灰XRD圖譜Fig.1 The XRD spectrum of fly ash

1.2 試樣制備

將粉煤灰過5 mm孔徑篩，篩除大顆粒結(jié)核物和雜質(zhì)，放入105 ℃的烘箱進行烘干，得到干燥狀態(tài)下的粉煤灰。表3給出了改良劑配比，含水率和養(yǎng)護齡期的參數(shù)，選用水泥摻量為12%(水泥與粉煤灰的質(zhì)量比)，將石膏與石灰按0%，3%，6%，9%，12%的摻入比(石膏與石灰和粉煤灰的質(zhì)量比)，分別摻入到水泥粉煤灰混合料中，制備含水率為35%的試樣。將干燥的粉煤灰，水泥，石膏與石灰按照配合比，依次放入攪拌機中，攪拌均勻后，裝入直徑50 mm，高度25 mm的圓柱體模具(模具內(nèi)均勻涂抹脫模劑)內(nèi)并放置到振動臺上，振動密實，刮平表面，覆蓋保鮮膜。脫模后將試樣放入到飽和Ca(OH)2溶液中進行養(yǎng)護，直至到達齡期(30 d和90 d)，為提高實驗精度，減小端部摩擦效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，將試樣兩端面的平行度控制在±0.05 mm以內(nèi)，表面平面度在±0.02 mm以內(nèi)。

1.3 試驗儀器

如圖2所示，試驗裝置采用φ50 mm變截面SHPB試驗系統(tǒng)進行試驗，主要包括加載系統(tǒng)，子彈，入射桿，透射桿，信號采集系統(tǒng)和能量吸收裝置。其中撞擊桿長度為0.6 m，入射桿和透射桿長度分別為2.4 m，1.2 m,壓桿材質(zhì)均為合金鋼。密度，彈性模量和縱波波速分別為7.8 g/cm3，210 GPa和5 190 m/s。試驗氣壓均采用0.20 MPa，由于水泥粉煤灰材料波阻抗相對較低，透射波信號較弱，在透射桿上粘貼半導(dǎo)體應(yīng)變片。

表3 試樣制備的相關(guān)參數(shù)

圖2 SHPB試驗系統(tǒng)Fig.2 The device of SHPB

為確保試驗滿足應(yīng)力、應(yīng)變均勻性假設(shè)，以及降低端部摩擦與慣性效應(yīng)等因素對試驗效果的影響。試驗時在試樣兩端面涂抹凡士林，保證試樣兩端面與彈性桿充分接觸，消除端部摩擦效應(yīng)的影響[26]。此外，使用波形整形器不僅有效減小了波形震蕩，消除了彌散效應(yīng)，而且有效增大了入射脈沖的上升延時間，這對于沖擊過程中試樣兩端達到應(yīng)力平衡及實現(xiàn)近似恒應(yīng)變率加載是十分必要的，保證入射桿、試樣和透射桿共軸線[27-28]。

2 試驗結(jié)果及分析

圖3給出典型SHPB試驗結(jié)果波形曲線，包含有入射波，反射波和透射波。

圖3 典型SHPB試驗結(jié)果波形曲線Fig.3 The typical waveforms of the samples

采用簡化三波法處理試驗數(shù)據(jù)[29-30]，其中數(shù)據(jù)處理按照式(1)～式(3)

(1)

(2)

(3)

2.1 水泥-粉煤灰體系DCS變化規(guī)律

圖4給出了水泥-粉煤灰(C12)試樣在養(yǎng)護齡期為30 d和90 d下，試樣動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖。在30 d養(yǎng)護齡期下，應(yīng)力隨著應(yīng)變先增長后保持穩(wěn)定，具有明顯的屈服平臺，直到試樣破壞后應(yīng)力降低，呈現(xiàn)出典型塑性破壞特征。當養(yǎng)護齡期為90 d時，試樣呈現(xiàn)出典型脆性破壞特征，即首先應(yīng)力隨著應(yīng)變呈近似直線式增長，到達應(yīng)力峰值后，應(yīng)力快速減小，試樣破壞。在0.2 MPa的沖擊氣壓下，C12試樣30 d的DCS為1.99 MPa，90 d DCS為5.13 MPa，表明試樣的DCS隨著養(yǎng)護齡期的增加而顯著增加。

圖4 水泥-粉煤灰試樣動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 The dynamic stress-strain curves of cement-fly ash samples

2.2 石膏改良水泥-粉煤灰動態(tài)力學(xué)特性

圖5給出了不同石膏摻量下水泥-粉煤灰試樣30 d和90 d的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈诓煌鄵搅恳约梆B(yǎng)護齡期因素影響下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在圖5(a)中，養(yǎng)護齡期為30 d時，石膏摻量為3%的試樣呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特征，即應(yīng)力達到峰值后，出現(xiàn)屈服平臺；石膏摻量為6%和9%時，σ-ε曲線峰前，應(yīng)力出現(xiàn)階段性增長，前期增長速率大于后期，即隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力到達拐點后繼續(xù)上升直至到達峰值，同時應(yīng)力峰值下的應(yīng)變高于摻量為3%的試樣，表明試樣破壞應(yīng)變繼續(xù)增強；當石膏摻量為12%時，應(yīng)力隨著應(yīng)變緩慢增長，到達峰值后緩慢降低，同時其峰值強度最小。從圖5(b)可以看出，養(yǎng)護齡期為90 d，石膏摻量為3%，6%和9%時，σ-ε曲線變化規(guī)律相似，即首先為彈性階段，隨后進入塑性階段，最后隨著應(yīng)變的繼續(xù)增加，應(yīng)力逐漸減小，摻量為3%和6%時，σ-ε曲線彈性階段長度明顯大于塑性變形階段，而9%摻量下，其線彈性階段與塑性變形階段長度相近，這一現(xiàn)象說明試樣隨石膏摻量的增加，延性逐漸增強[31]；摻量為12%時，試樣呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特征。同種石膏摻量、不同養(yǎng)護齡期時，石膏-水泥-粉煤灰試樣σ-ε曲線形態(tài)具有較大差異，但后期(90 d)試樣σ-ε曲線較前期(30 d)有明顯左移現(xiàn)象，且應(yīng)力峰值的ε較小，說明隨著養(yǎng)護齡期的增加，試樣的脆性不斷增長。

圖5 不同齡期、不同配合比的石膏-水泥-粉煤灰動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 The dynamic stress-strain curves of gypsum-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同養(yǎng)護齡期下，改良水泥-粉煤灰試樣DCS隨石膏摻量變化情況，如圖6所示。從圖6可以看出，試樣的DCS隨養(yǎng)護齡期的增長而增長，在養(yǎng)護齡期從30 d增長至90 d以及石膏摻量相同下，試樣的DCS增幅分別為219.80%，147.96%，141.72%和37.36%，表明在水泥-粉煤灰體系中摻入石膏，存在最優(yōu)配比。在養(yǎng)護齡期為30 d時，當石膏摻量從3%增加到12%時，試樣的DCS呈現(xiàn)出先增長后減小的變化趨勢。其中摻量為3%時，其DCS為2.0 MPa與純水泥-粉煤灰試樣基本一致，石膏摻量為6%時，DCS到達2.69 MPa的峰值強度，相對于純水泥-粉煤灰試樣強度增長了35.18%；隨后隨著石膏摻量的逐漸增加，DCS逐漸下降，在摻量為9%和12%時，DCS分別為2.37 MPa和1.74 MPa。養(yǎng)護齡期為90 d時，石膏改良水泥-粉煤灰試樣的強度隨著石膏含量的增長先上升后減小，在石膏摻量為6%時，改良試樣的DCS達到最大值6.67 MPa，相對于純粉煤灰試樣5.13 MPa增長了30.01%，而改良試樣在12%的石膏摻量下，DCS達到最小值2.39 MPa，小于純水泥-粉煤灰試樣，這是由于在水泥-粉煤灰體系中摻入適量石膏，石膏與水泥和粉煤灰的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石(AFt)，AFt填充孔隙，同時部分石膏析出晶體構(gòu)成受力骨架，在宏觀表現(xiàn)為強度增長；摻入過量的石膏，使得體系中存在大量的CaSO4·2H2O的晶體，造成體積膨脹[32]，膠凝體系受力結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為DCS下降。表明石膏摻量為6%時，可以明顯提高水泥-粉煤灰體系動態(tài)抗壓強度。

圖6 不同養(yǎng)護齡期、不同石膏摻量改良水泥-粉煤灰DCS變化規(guī)律Fig.6 The DCS change laws of gypsum-cement-fly ash under the condition of different curing time and mix proportion

2.3 石灰改良水泥-粉煤灰動態(tài)力學(xué)特性

圖7給出了石灰改良水泥-粉煤灰試樣，在養(yǎng)護齡期為30 d和90 d下的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖7(a)中可以看出，養(yǎng)護齡期為30 d時，石灰摻量為3%的σ-ε曲線彈性變形階段曲線長度大于塑性變形階段；石灰摻量為6%時，σ-ε曲線在彈性變形階段后出現(xiàn)明顯塑性變形平臺段，石膏摻量從6%增長至12%的過程中，σ-ε曲線峰前逐漸平緩，峰值應(yīng)力逐漸降低。這種現(xiàn)象說明早期改良水泥-粉煤灰試樣的延性隨石灰摻量的增加而逐漸增強。圖7(b)給出了90 d的石灰改良水泥-粉煤灰試樣的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，石灰摻量為3%時，σ-ε曲線呈現(xiàn)出明顯脆性破壞特征，應(yīng)力隨應(yīng)變線性增長，達到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力快速下降，試樣破壞；石灰摻量從6%增加至12%過程中，σ-ε曲線出現(xiàn)明顯塑性變形階段，σ-ε曲線相比于30 d的曲線無明顯向左偏移，同時不同配合比σ-ε曲線出現(xiàn)向右平移的趨勢，這一現(xiàn)象說明：石灰改良試樣與石膏改良試樣的延性具有明顯區(qū)別，石膏改良下，延性隨養(yǎng)護齡期的增加而減小，脆性增強；石灰改良試樣的延性隨齡期的增長變化不大，總體偏延性。

圖7 不同齡期、不同配合比的石灰-水泥-粉煤灰動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 The dynamic stress-strain curves of lime-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同養(yǎng)護齡期、不同石灰摻量下的改良水泥-粉煤灰試樣DCS變化規(guī)律，如圖8所示。隨著養(yǎng)護齡期的增長，石灰改良水泥-粉煤灰試樣的強度增幅不斷增加，石灰摻量3%的試樣，其90 d的DCS相對于30 d提高了98.60%，而石灰摻量從6%增加至12%，試樣90 d的DCS相對于30 d的增幅分別為105.75%，484.69%，829.03%，這一現(xiàn)象說明隨著石灰摻量逐漸增加，改良水泥-粉煤灰試樣后期DCS增長幅度越大。在不同養(yǎng)護齡期下，改良水泥-粉煤灰試樣的強度隨石灰摻量的增加表現(xiàn)出不同的規(guī)律，在30 d的養(yǎng)護齡期下，改良試樣的強度呈現(xiàn)出先增長后減小的趨勢，摻量為3%和6%試樣DCS分別為3.60 MPa和4.00 MPa，高于純水泥-粉煤灰試樣；摻量為9%和12%的試樣，其DCS小于純水泥-粉煤灰的試樣，分別為1.75 MPa和1.74 MPa。養(yǎng)護齡期為90 d時，改良試樣的DCS隨著石灰摻量的增加而增加，其DCS從7.14 MPa增長至14.36 MPa，強度增長明顯。這是由于體系中摻入石灰Ca(OH)2后，給體系帶來大量的Ca2+，OH-離子，堿性環(huán)境激發(fā)了粉煤灰的火山灰活性，使得粉煤灰中游離的酸性氧化物發(fā)生二次水化反應(yīng)，在宏觀表現(xiàn)為體系強度不斷增強，早期體系中摻入過量的Ca(OH)2，抑制水化反應(yīng)速度，導(dǎo)致體系強度降低[33]。以上結(jié)果表明石灰摻量超過6%，改良水泥-粉煤灰試樣前期強度變低，而后期由于堿激發(fā)的作用使得后期強度明顯增加；石灰摻量為0%～6%時，改良試樣的早期以及后期強度相對于純水泥-粉煤灰試樣都有明顯的提升。

圖8 不同養(yǎng)護齡期和不同石灰摻量改良水泥-粉煤灰DCS變化規(guī)律Fig.8 Variation laws of lime-cement-fly ash DCS with different curing time and mix proportion

2.4 不同改良劑下試樣的DCS變化特性

不同改良劑、不同配合比下改良水泥-粉煤灰的動態(tài)峰值抗壓強度如圖9所示。可以看出，石膏-水泥-粉煤灰試樣強度隨著石膏摻量增加，先增加后減??；石灰-水泥-粉煤灰試樣強度在不同養(yǎng)護齡期下隨石灰摻量的增加而呈現(xiàn)出不同的增長變化規(guī)律，前期石灰摻量為3%和6%時，改良試樣的DCS明顯高于石膏改良試樣，隨著摻量的增加，石灰改良水泥-粉煤灰的強度明顯小于石膏改良試樣的強度，這是由于過量的石灰削弱了膠結(jié)體間的搭接，造成強度降低[34]；而石膏由于前期填充作用，使得強度略微增長。石灰改良試樣的后期強度明顯高于石膏改良的強度。這是由于粉煤灰本身的火山灰性質(zhì)，在堿性環(huán)境中被激活，得到水化產(chǎn)物，從而提高了體系強度。以上分析表明，改良劑摻量為3%～6%時，石膏石灰改良水泥-粉煤灰的強度高于純水泥-粉煤灰，但石灰改良強度提升明顯；同時改良水泥-粉煤灰隨著改良劑摻量的增加，前期都呈現(xiàn)出下降的趨勢，而后期石灰改良試樣的強度大幅度的提升。

圖9 改良水泥-粉煤灰DCS變化圖Fig.9 The DCS change laws of stabilized cement-fly ash

2.5 DCS強度擬合

表4給出了養(yǎng)護齡期30 d和90 d下，不同石灰石膏摻量的改良水泥-粉煤灰試樣的動態(tài)抗壓試驗結(jié)果，表明養(yǎng)護齡期和石灰石膏摻量與改良水泥-粉煤灰試樣的DCS有明顯的相關(guān)性。

表4 動態(tài)抗壓試驗結(jié)果

采用Matlab軟件對動態(tài)抗壓強度，養(yǎng)護齡期(d)和改良劑膏摻量(m)，進行多元非線性擬合，擬合結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)與圖10(b)分別給出了石膏和石灰擬合后的三維曲面圖，分別給出了石膏與石灰改良水泥-粉煤灰的動態(tài)抗壓強度DCS關(guān)于d和m表達式。結(jié)果表明，改良水泥-粉煤灰試樣的動態(tài)抗壓強度，在養(yǎng)護齡期為30～90 d和改良劑摻量為0%～12%內(nèi)存在關(guān)聯(lián)性。分析圖10(a)，石膏擬合后的三維曲線圖，呈現(xiàn)出拱形特征，即在石膏摻量位于3%～9%內(nèi)，試樣的DCS值較大，增幅明顯；從圖10(b)可以看出，石灰改良試樣DCS的變化規(guī)律與石膏改良有明顯區(qū)別，在摻量為6%時，出現(xiàn)小段拱形，但在養(yǎng)護后期，摻量為6%～12%內(nèi)，DCS增長幅度明顯，出現(xiàn)DCS的峰值。

圖10 改良水泥-粉煤灰三維擬合曲面Fig.10 The fitting surface of cement-fly ash stabilized by gypsum and lime

(4)

式中：GσDCS為石膏改良水泥-粉煤灰試驗的動態(tài)抗壓強度；d為試樣的養(yǎng)護齡期；mg為石膏摻量(質(zhì)量比)。

(5)

式中：LσDCS為石灰改良水泥-粉煤灰試驗的動態(tài)抗壓強度；d為試樣的養(yǎng)護齡期；mL為石灰摻量(質(zhì)量比)。

3 結(jié) 論

試驗采用SHPB試驗系統(tǒng)，在不同養(yǎng)護齡期下，研究了不同改良劑不同配合比的改良水泥-粉煤灰動態(tài)力學(xué)特性，分析了動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，以及DCS隨養(yǎng)護齡期和不同配比的變化規(guī)律，通過Matlab軟件分析DCS與d和m的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1) 石膏改良水泥-粉煤灰的DCS隨石膏摻量的增加，在不同養(yǎng)護齡期下呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即改良水

泥-粉煤灰強度先增長后減小，且石膏摻量為12%時其強度小于純水泥-粉煤灰試樣；6%的石膏摻量為最佳配比，相對于純水泥-粉煤灰試樣30 d和90 d的強度分別提升了35.18%和30.01%；隨著養(yǎng)護齡期的增加，試樣的破壞應(yīng)變不斷減小，脆性不斷增長。

(2) 摻入石灰后改良水泥-粉煤灰試樣的DCS明顯改變，在30 d養(yǎng)護齡期下，試樣DCS隨石灰摻量的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，DCS在石灰摻量為6%時最大，為4 MPa，在養(yǎng)護齡期為90 d時，DCS隨石灰摻量的增加而增加，最大值為14.36 MPa；試樣總體偏延性，且隨養(yǎng)護齡期的增加，延性無明顯變化。

(3) 基于SHPB試驗數(shù)據(jù)和Matlab分析結(jié)果，可以得出，在改良劑摻量為3%～6%內(nèi)，石灰改良水泥-粉煤灰試樣的DCS明顯高于石膏改良試樣的DCS；隨著改良劑摻量的繼續(xù)增加，石灰改良試樣的DCS在早期表現(xiàn)為逐漸減小，而后期有明顯提升，其中，較純水泥-粉煤灰的DCS最大提升了179.92%，石膏改良水泥-粉煤灰的DCS隨摻量的增加而逐漸降低。