劉雄美

(中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 引言

黃土主要分布在中亞、東亞、美國(guó)中西部[1]，天然狀態(tài)的黃土穩(wěn)定性好、強(qiáng)度較高，但遇水后黃土?xí)霈F(xiàn)較大的變形和強(qiáng)度的降低，因此，工程中經(jīng)常采用無(wú)機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定黃土提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性[2－5]。黃土中添加石灰具有施工簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是最常用的穩(wěn)定方法之一[6]686，但石灰穩(wěn)定黃土形成膠結(jié)物的速度慢、早期強(qiáng)度較低[7]。

硫鋁酸鹽水泥具有快硬早強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性廣的特點(diǎn)[8]620，但成本較高；粉煤灰穩(wěn)定黃土不但穩(wěn)定性好、強(qiáng)度較高及收縮小[9－10]，而且可以做到廢物的二次利用。為減少硫鋁酸鹽水泥的使用量降低成本，采用石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土，穩(wěn)定材料中粉煤灰的主要成分二氧化硅、氧化鋁在石灰提供的堿性環(huán)境下能較快地發(fā)生水化反應(yīng)[11]3301，硫鋁酸鹽水泥作為快硬早強(qiáng)水泥為穩(wěn)定黃土提供早期強(qiáng)度、減少養(yǎng)護(hù)時(shí)間。因此石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土適用于對(duì)早期強(qiáng)度要求較高的路面基層或黃土地基的處理工程中。

硫鋁酸鹽水泥作為一種新型固化材料，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到采用石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土的相關(guān)研究成果，本文選取4種不同配合比的石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土作為試驗(yàn)土樣，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土力學(xué)性能的影響規(guī)律，研究成果為穩(wěn)定黃土提供了一種新方法，并為黃土地區(qū)的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土取自蘭州市城關(guān)區(qū)一建筑基坑，將黃土烘干、碾碎、過(guò)0.5 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩；用比重瓶法測(cè)得黃土的比重為2.71，用液塑限聯(lián)合儀測(cè)得黃土的液限27.8%、塑限12.4%，用直剪儀測(cè)得黃土的內(nèi)摩擦角23.5°、粘聚力12.56 kPa。熟石灰、粉煤灰及硫鋁酸鹽水泥購(gòu)自山東恒旺集團(tuán)有限公司，熟石灰、粉煤灰及硫鋁酸鹽水泥的比重分別為2.49、2.28、3.15，利用X 衍射測(cè)得粉煤灰、熟石灰、硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分如表1、表2、表3所示。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分

表2 熟石灰的化學(xué)成分

表3 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分

2.2 配合比設(shè)計(jì)

無(wú)機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定黃土用作路面基層時(shí)為達(dá)到路面強(qiáng)度的要求，穩(wěn)定材料數(shù)量占穩(wěn)定黃土總質(zhì)量的20%～30%，其中石灰和粉煤灰的質(zhì)量比為1∶1～1∶4[12－13]。為減少試驗(yàn)工作量配合比設(shè)計(jì)中穩(wěn)定材料的數(shù)量取穩(wěn)定黃土總質(zhì)量的20%和30%，石灰和粉煤灰的質(zhì)量比取1∶2，硫鋁酸鹽水泥的質(zhì)量分別取穩(wěn)定黃土總質(zhì)量的1%和5%，具體配合比見(jiàn)表4，不同配合比穩(wěn)定黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度由重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得。

表4 配合比

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 試樣的制備

試樣制作時(shí)采用內(nèi)徑61.8 mm、高125 mm的中空?qǐng)A柱形金屬模具，采用靜壓法壓實(shí)試樣。試樣制作前先計(jì)算制作1個(gè)試樣時(shí)所需混合物的質(zhì)量，再按照表4的配合比計(jì)算制備一個(gè)試樣所需石灰、粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥、黃土和水的質(zhì)量并稱(chēng)量，然后將所稱(chēng)量的黃土和石灰倒入攪拌鍋中并攪拌均勻，接著加入去離子水?dāng)嚢杈鶆?，將攪拌均勻的石灰和黃土混合物放入密封的塑料袋中，24 h后在混合物中加入預(yù)定質(zhì)量的粉煤灰和硫鋁酸鹽水泥，并攪拌均勻；接著把穩(wěn)定黃土分為5份，依次往模具中倒入每份混合物、壓實(shí)每層混合物。最后，將制作完成的試樣放入(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)箱中按照預(yù)定齡期養(yǎng)護(hù)(1 d、7 d、28 d)。

2.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試樣破壞，由式(1)計(jì)算穩(wěn)定黃土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)，為減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)配合比制備6個(gè)試樣，6個(gè)試樣的UCS值不超過(guò)平均值的10%時(shí)以這6個(gè)試樣UCS的平均值為該配合比穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

式中，P為試樣破壞時(shí)施加的荷載；d為試樣的直徑，d＝61.8 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得不同配合比穩(wěn)定黃土的干密度與含水率之間的關(guān)系如圖1所示，由圖可得每組配合比穩(wěn)定黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率如表4所示。由圖1可知，隨著無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量的增加最優(yōu)含水率逐漸增大、最大干密度減小；在無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量一定的條件下，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加最優(yōu)含水率和最大干密度同時(shí)增大。

圖1 穩(wěn)定黃土的擊實(shí)曲線

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同配合比穩(wěn)定黃土的UCS與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系如圖2所示，由圖2可知UCS隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，且前期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度慢(1～7 d)，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度變快。這主要是因?yàn)榍捌趶?qiáng)度主要是硫鋁酸鹽水泥提供，但水泥的摻量相對(duì)較少，因而前期強(qiáng)度較低；后期強(qiáng)度增長(zhǎng)變快，主要是粉煤灰和石灰綜合穩(wěn)定黃土的膠結(jié)效果。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)穩(wěn)定黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

不同配合比穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可知同一養(yǎng)護(hù)齡期穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量的增加而增大，這由于無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量越多有更多的膠凝材料與水或空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，從而形成更多的膠結(jié)物提高穩(wěn)定黃土的強(qiáng)度；當(dāng)無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量相同時(shí)，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加穩(wěn)定黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大，這說(shuō)明硫鋁酸鹽水泥相比石灰和粉煤灰能更有效地提高穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，這與Laure的研究結(jié)果一致[8]624－625。

圖3 無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量對(duì)穩(wěn)定黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

3.4 穩(wěn)定黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的回歸擬合

孔隙率是影響穩(wěn)定黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素之一[11]3303，利用前人建立的穩(wěn)定土體孔隙率計(jì)算公式(式(2))[6]695，[14]，可知孔隙率和黃土的數(shù)量、硫鋁酸鹽水泥、石灰、粉煤灰的體積摻量、無(wú)機(jī)結(jié)合材料的比重以及混合物的最大干密度、試樣的體積有關(guān)。

式中，VS為試樣的體積，取值375 mm3；ρd為試樣的最大干密度；L0為黃土的含量；F為粉煤灰的體積摻量；L為石灰的體積摻量；C為硫鋁酸鹽水泥的體積摻量；GsL0為黃土的比重，取2.71；GF為粉煤灰的比重，取2.89；GL為石灰的比重，取2.49；GC為硫鋁酸鹽水泥的比重，取3.15；η為孔隙率。

根據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸擬合建立養(yǎng)護(hù)齡期1 d、7 d、28 d時(shí)穩(wěn)定黃土的UCS擬合曲線如圖4～圖6所示；和養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān)的擬合回歸結(jié)果如圖7所示，擬合回歸系數(shù)A如式(3)所示，擬合所得UCS如式(4)所示。

圖4 養(yǎng)護(hù)1 d穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合結(jié)果

圖5 養(yǎng)護(hù)7 d穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合結(jié)果

圖6 養(yǎng)護(hù)28 d穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合結(jié)果

圖7 與養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度回歸系數(shù)A

式中，t為穩(wěn)定黃土試樣的養(yǎng)護(hù)齡期；Cv為硫鋁酸鹽水泥的體積摻量；Lv為無(wú)機(jī)結(jié)合材料總的體積摻量。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土試樣的擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)黃土的穩(wěn)定效果。主要結(jié)論如下:

(1)隨無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量的增加，穩(wěn)定黃土最優(yōu)含水率逐漸增大，最大干密度減小。

(2)無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量固定時(shí)，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加穩(wěn)定黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度均增大。

(3)綜合穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨無(wú)機(jī)結(jié)合材料摻量的增加而增大，隨養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展總體上不斷增長(zhǎng)，前期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度慢、后期增長(zhǎng)速度變快。

(4)通過(guò)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的擬合回歸，建立了穩(wěn)定黃土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與孔隙率、硫鋁酸鹽水泥體積含量、無(wú)機(jī)結(jié)合材料體積含量的關(guān)系，建立的擬合關(guān)系為工程設(shè)計(jì)施工提供借鑒。