肖東旭,馬芹永*

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥土是由水、土、水泥按一定比例拌和而成的復(fù)合土工材料，因其取材方便、性能較好且價(jià)格低廉，被廣泛運(yùn)用在軟弱地基處理、基坑防滲、大壩的邊坡加固等工程領(lǐng)域[1]。因此，對(duì)水泥土的研究引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[2-3]。然而常規(guī)水泥土表現(xiàn)出后期承載力不足、變形較大等缺點(diǎn)，如何改善水泥土的工作性能成為上述工程領(lǐng)域研究亟待解決的問題[4-6]。

眾多研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明粉煤灰在堿性條件下可顯著提升水泥土抵抗破壞和變形的能力[7]。粉煤灰主要成分是鋁硅酸鹽，在堿性環(huán)境中其活性較容易被激發(fā)。硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)中的Si-O和Al-O鍵在OH-的作用下發(fā)生斷裂，促使粉煤灰玻璃體解聚，從而提高粉煤灰與Ca(OH)2的水化進(jìn)程，形成具有高聚合度和空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽聚合物凝膠，有效地改善水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之更加密實(shí)，從而提高其強(qiáng)度[8-9]。因此，在建筑材料中合理利用粉煤灰，提升建筑材料的工作性能是近些年的研究熱點(diǎn)[10-11]。文獻(xiàn)[12]研究表明粉煤灰的加入可有效地提升路基的強(qiáng)度和耐久性。文獻(xiàn)[13]98研究了粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度和變形模量的影響，并建立兩者之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入適量的粉煤灰可有效較低水泥土的滲透性，提升抗?jié)B能力。文獻(xiàn)[15]通過開展?jié)B透試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)，證實(shí)了在堿性條件下，粉煤灰可顯著降低試樣的孔隙率，提升水泥土的工作性能。以上研究表明在軟弱地基中在水泥土中摻入適量粉煤灰可提升地基承載力并降低土體的滲透性，同時(shí)粉煤灰的摻入會(huì)降低工程造價(jià)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[16]。

巖土工程材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗壓拉強(qiáng)度是工程中重要的參數(shù)，由于干縮變形和不均勻沉降，使得水泥土普遍受到拉應(yīng)力，且拉伸裂縫的存在會(huì)極大弱化水泥土的承載力[17]。以上研究主要集中于水泥土材料的抗壓性能，但對(duì)抗拉性能的研究較為欠缺，因此本文開展了不同粉煤灰摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期試驗(yàn)條件下粉煤灰改良水泥黏土的力學(xué)試驗(yàn)，研究粉煤灰水泥改良黏土的強(qiáng)度和變形性能，以期為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及材料

(1)試驗(yàn)方案

為研究養(yǎng)護(hù)齡期和粉煤灰摻量對(duì)水泥改良黏土力學(xué)性能的影響，開展了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂拉伸試驗(yàn)，試樣尺寸分別為φ50mm×100mm和φ50mm×50mm，每組3個(gè)平行試樣。養(yǎng)護(hù)齡期為7d、14d和28d；水泥摻量為15%，粉煤灰摻量分別為0%、3%、6%、9%和12%，水泥和粉煤灰摻量均為干土質(zhì)量百分比；為充分激發(fā)粉煤灰活性，摻入1.0%(占干土質(zhì)量)的氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑。

(2)試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黏土取自合肥某堤壩，原狀含水率為39.4%，塑限為24.01%，液限為44.31%，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范，將土烘干、破碎，過2mm篩備用；水泥選用八公山水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、Na2O、MgO和SO3的含量分別為19.6%、6.5%、66.3%、3.5%、0.3%、0.6%、0.7%和2.5%；粉煤灰為淮南平圩電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其堿含量為0.95%，SO3含量為0.30%，細(xì)度為11.89%，燒失量為0.86%，需水量比為91%，比重為2.15%，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、Na2O和TiO2的含量分別為54.19%、22.34%、0.41%、12.35%、3.87%、2.63%和4.12%。氫氧化鈉(NaOH)選用天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的分析純，NaOH含量不低于95%；水為試驗(yàn)室自來水。

(3)試驗(yàn)方法

在干土中加入適量水，配置成原狀含水率，裝入密封袋內(nèi)浸潤(rùn)24h，隨后根據(jù)試驗(yàn)方案稱量適量的粉煤灰、水泥、NaOH和水，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝髮⒒旌衔锓湃胩囟ǖ哪ゾ叻謱訐魧?shí)。待試樣制作好，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫養(yǎng)護(hù)28d后開展試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前，對(duì)加載面兩端進(jìn)行打磨，并均勻地涂抹一層凡士林，保證受壓面承受垂直荷載同時(shí)可有效地減小端面摩擦效應(yīng)，以獲得試樣真實(shí)的承載力。試驗(yàn)采用WDW-20型微機(jī)控制式電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，其量程為20kN，精度為1N；使用位移控制方式，加載速率為1mm/min。每組試驗(yàn)3個(gè)試樣，取其算數(shù)平均值作為試樣強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

1)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠綜合反映出試樣在外荷載作用下的強(qiáng)度和變形特性。水泥土作為一種典型的非均質(zhì)材料，其內(nèi)部含有大量的微孔隙，因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性特征，如圖1所示。

(a)養(yǎng)護(hù)齡期為7d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為壓密階段、線彈性階段、塑性變形階段和破壞階段。加載初期，試樣內(nèi)部孔隙在荷載的作用下閉合，試樣抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)。隨著荷載的持續(xù)增加，試樣處于線彈性階段，此階段應(yīng)力-應(yīng)變呈現(xiàn)出明顯的線性特征。在塑性變形階段，在外荷載的作用下，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂紋和孔洞，試樣的承載力下降，因此在到達(dá)峰值點(diǎn)之前，應(yīng)力的增長(zhǎng)幅度隨應(yīng)變的增加而減小。在破壞階段，試樣的承載力急劇下降。

不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性。在不同齡期下，隨著粉煤灰摻量的增加，試樣的承載力和抵抗變形的能力表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)粉煤灰摻量為3%時(shí)強(qiáng)度最大。粉煤灰摻量在3%～9%時(shí)的強(qiáng)度依然大于素水泥改良土，僅當(dāng)摻量為12%時(shí)，其強(qiáng)度小于素水泥土，因此粉煤灰摻量應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

2)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 圖2為不同試驗(yàn)條件下試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)，在不同齡期下，粉煤灰摻量為3%時(shí)復(fù)合水泥改良土的強(qiáng)度最大，可能是由于粉煤灰中的活性物質(zhì)和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈉產(chǎn)生了火山灰反應(yīng)，生成了膠凝物質(zhì)水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣，填充試樣內(nèi)部孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密。隨著摻量的增加強(qiáng)度有所降低，造成這一現(xiàn)象的原因是過高的粉煤灰摻量，使得水泥與土顆粒間的粘結(jié)反應(yīng)產(chǎn)生的土團(tuán)結(jié)構(gòu)減少，從而使其強(qiáng)度降低。

圖2 粉煤灰水泥改良黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同粉煤灰摻量下，水泥土的強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。試樣內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)以及粉煤灰的聚合反應(yīng)可能持續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)生大量的鈣礬石、C-S-H等晶體和膠凝物質(zhì)，填充了水泥土內(nèi)部孔隙，增加了密實(shí)度，使其整體結(jié)構(gòu)得到了增強(qiáng)，從而提高試樣的抵抗變形和破壞的能力。

為進(jìn)一步描述粉煤灰對(duì)水泥改良土強(qiáng)度的影響，引入的強(qiáng)度增長(zhǎng)率(η)，計(jì)算公式如式(1)所示，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

(1)

式中：σn為不同粉煤灰摻量下水泥土的抗壓(拉)強(qiáng)度，MPa；σ0為素水泥土的抗壓(拉)強(qiáng)度，MPa。

3)變形模量 由試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，粉煤灰改良水泥黏土在外荷載作用下表現(xiàn)出明顯的非線性特征，為反映水泥土的變形特性，工程上一般采用變形模量E50表示。

(2)

式中：ε0.5為峰值應(yīng)力50%處所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

對(duì)于基礎(chǔ)支護(hù)設(shè)計(jì)和地基處理而言，變形模量是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3能夠看出，在不同齡期下，粉煤灰可有效提升水泥土的變形能力，當(dāng)摻量為3%時(shí)變形模量最大。同時(shí)隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥土抵抗變形的能力得到了顯著的提升。因此，合適摻量的粉煤灰有助于改善水泥土形成復(fù)合地基時(shí)后期變形較大的缺點(diǎn)。

表1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率

圖3 粉煤灰水泥改良黏土變形模量

4)強(qiáng)度和變形模量的關(guān)系 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量在工程中是2個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此有必要分析二者的關(guān)系。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》( JGJ79-2012 )中提出建議E50=(80～120)UCS，然而土的種類、水泥的種類和摻量、養(yǎng)護(hù)環(huán)境等眾多因素對(duì)二者的關(guān)系會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。文獻(xiàn)[18]通過研究水泥改良鋅污染土，發(fā)現(xiàn)變形模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值介于18～53；文獻(xiàn)[19]開展了水泥改良砂土試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)E50= (51～80) UCS。然而在同等試驗(yàn)條件下，普通的硅酸鹽水泥改良黏土的變形模量?jī)?yōu)于比貝利特水泥改良黏土[20]。本研究發(fā)現(xiàn)變形模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值在48.59～106.26，如圖4所示，變形模量隨峰值應(yīng)力的增大而增大，二者大致呈線性相關(guān)，這與文獻(xiàn)[13]98的研究結(jié)果類似。

圖4 強(qiáng)度和變形模量的關(guān)系

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

圖5綜合反映了不同試驗(yàn)條件下水泥改良黏土的抗拉強(qiáng)度。 在不同齡期下， 隨粉煤灰摻量的增加， 抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)， 當(dāng)摻量為3%時(shí)強(qiáng)度最大。 同時(shí)， 水泥土的抗拉強(qiáng)度隨齡期的增加有了顯著的提升。 具體的變化如表2所示。

圖5 粉煤灰水泥改良黏土劈裂抗拉強(qiáng)度

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率

通過對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及變形模量的分析，當(dāng)粉煤灰摻量為3%～9%時(shí)，水泥改良土的抵抗破壞和變形的能力均優(yōu)于素水泥土。綜合考慮摻量對(duì)強(qiáng)度的影響和經(jīng)濟(jì)效益，粉煤灰摻量的合適范圍為3%～9%。

2.3 壓拉強(qiáng)度的關(guān)系

圖6反映了粉煤灰改良水泥黏土的壓拉強(qiáng)度關(guān)系，可以看出二者大致呈線性相關(guān)，抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而增加。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在不同齡期下，隨粉煤灰摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及變形模量均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)，當(dāng)摻量為3%時(shí)，其抵抗破壞和變形的能力最優(yōu)。同時(shí)，隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度和變形模量均顯著增長(zhǎng)，能夠改善常規(guī)水泥土后期承載力不足的缺點(diǎn)。

(2)粉煤灰改良水泥黏土變形模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值在48.59～106.26；壓拉強(qiáng)度大致呈線性變化，抗拉強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而增加。