水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究

安芃芃,劉文曉,楊有海,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;2.河西學(xué)院土木工程學(xué)院,甘肅張掖 734000)

水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究

安芃芃1,劉文曉1,楊有海1,2

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;2.河西學(xué)院土木工程學(xué)院,甘肅張掖 734000)

蘭州至中川機(jī)場(chǎng)鐵路工程沿線大多地段屬于飽和黃土地基,承載力低,壓縮性大,采取水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行加固。對(duì)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。在不同的水泥和粉煤灰(以下簡(jiǎn)稱“二灰”)摻和比、不同的齡期、不同的水泥強(qiáng)度等級(jí)下,分析水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰摻量、齡期的增加而增大,二灰摻量為20%的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是二灰摻量為15%的1.42倍,是二灰摻量12%的1.9倍;當(dāng)二灰總摻入量不變,粉煤灰摻入量占二灰比例為1/5、1/4、1/3時(shí),水泥土強(qiáng)度略有降低;水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高而顯著增大,且隨二灰摻量的增加,水泥土強(qiáng)度增加幅度增大。

黃土地區(qū);鐵路路基;二灰摻入比;水泥強(qiáng)度;齡期;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

黃土作為干旱和半干旱地區(qū)一種特殊的沉積物,以粉粒為主,富含鈣質(zhì)的粉土或粉質(zhì)黏土,廣泛分布于我國(guó)的華北和西北等地區(qū)。天然黃土大多含水率低,干燥時(shí)比較堅(jiān)固。但是,當(dāng)含水率增加、飽和度大于80%時(shí),形成飽和黃土,具有承載力低、抗剪強(qiáng)度低、沉降量大及沉降不均勻等不良的工程性質(zhì)[1]。對(duì)于飽和黃土地基的加固處理技術(shù),已經(jīng)做了一定的研究,文獻(xiàn)[2]通過單樁荷載試驗(yàn)與群樁荷載試驗(yàn),研究了水泥攪拌樁處理飽和黃土地基的可行性。文獻(xiàn)[3]研究了用土工格室加固飽和黃土地基的方法,認(rèn)為適宜于處理厚度小于3 m的淺層飽和黃土地基,加固后地基承載力可提高2～3倍,并提出了土工格室加筋體地基承載力的計(jì)算公式。文獻(xiàn)[4]通過低應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè)了水泥土攪拌樁結(jié)構(gòu)完整性和通過靜荷載試驗(yàn)檢測(cè)水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力,分析了水泥土攪拌樁復(fù)合地基的加固效果。

在蘭州到中川機(jī)場(chǎng)鐵路工程中,沿線分布著大量的飽和黃土,天然地基無法滿足工程建設(shè)的要求,必須進(jìn)行加固處理。設(shè)計(jì)中選用水泥粉煤灰攪拌樁加固飽和黃土地基。對(duì)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土(以下簡(jiǎn)稱“二灰土”)的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究,探討二灰摻入量、齡期、水泥強(qiáng)度等級(jí)等因素對(duì)其影響規(guī)律,為工程設(shè)計(jì)、施工參數(shù)選取提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自蘭州到中川機(jī)場(chǎng)鐵路路基飽和黃土,取土為地面深度0.5 m以下范圍內(nèi)的原狀土和擾動(dòng)土,土樣經(jīng)自然風(fēng)干、碾碎、過5 mm篩而成。水泥選用32.5級(jí)、42.5級(jí)祁連山普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)所用外摻劑是與實(shí)際工程相同類型的西安驛馬生產(chǎn)的粉煤灰,試樣制備用水和試樣養(yǎng)護(hù)用水均取自自來水。

1.2 試驗(yàn)方法及試樣制備

稱取適量的試驗(yàn)用土,計(jì)算出配置成含水率為30%的飽和黃土所需要的用水量,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比分別計(jì)算出飽和黃土中所需的水泥用量和粉煤灰用量,以及根據(jù)水灰比為0.55,計(jì)算出水泥水化所需要的水。將風(fēng)干土與水泥、粉煤灰放在攪拌器內(nèi)人工攪拌均勻,然后加入所需的水量充分?jǐn)嚢柚粮鹘M成材料混和均勻,然后開始制備試樣。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的立方體試塊尺寸為70.7 mm× 70.7 mm×70.7 mm,在選定的試模內(nèi)先裝入一半試料,放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1 min后,裝入其余的試料后再振動(dòng)1 min。最后,將試樣表面刮平,在(20±1)℃的環(huán)境條件下靜置48 h后拆模、編號(hào),每組做6個(gè)平行試驗(yàn)。然后,將試樣分別進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),齡期達(dá)到7、28、60、90 d時(shí)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。分析不同二灰摻入比例、不同齡期、不同水泥等級(jí)下,二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素及其變化規(guī)律。

2 強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 二灰摻入量、齡期對(duì)二灰土強(qiáng)度變化規(guī)律的影響

(1)二灰總摻入量與二灰土強(qiáng)度的關(guān)系

二灰總摻入量(aw)是指摻入二灰的總質(zhì)量占被加固飽和黃土質(zhì)量的百分比,本試驗(yàn)采用二灰總摻入量分別為7%、12%、15%、18%、20%、25%,32.5級(jí)祁連山普通硅酸鹽水泥,水泥與粉煤灰質(zhì)量比為2∶1,齡期(T)7、28、60、90 d,進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù),二灰土試塊在不同的二灰總摻入量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,如圖1所示。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與二灰摻入量的關(guān)系

由圖1可見,不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨二灰總摻入量的增加而逐漸增大,且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng),不同摻入量的二灰土強(qiáng)度差值越大。齡期90 d,二灰摻量20%的二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是二灰摻量15%的1.42倍,是二灰摻量12%的1.9倍。水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(qu)與二灰摻量(aw)進(jìn)行曲線擬合,兩者的關(guān)系較好地符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,即

以28、90 d齡期試樣試驗(yàn)結(jié)果為例,按式(1)進(jìn)行回歸分析,如圖2所示。

圖2 qu與aw的相關(guān)性分析

擬合關(guān)系式如式(2)、(3)所示

由圖2可見,qu與aw呈式(1)所示的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)較高;但在不同齡期的情況下,式(1)中參數(shù)a、b的取值不同。

(2)齡期與二灰土強(qiáng)度的關(guān)系(圖3)

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖4 強(qiáng)度與粉煤灰摻量所占二灰比例的關(guān)系

由圖3可見,二灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增加,齡期超過28 d,二灰土的強(qiáng)度仍有明顯的增長(zhǎng),持續(xù)增長(zhǎng)到90 d。二灰摻量12%、20%時(shí),齡期90 d的二灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是齡期28 d的2.4倍;是齡期7 d的5.8倍。因此,在工程實(shí)踐中,應(yīng)合理利用二灰土的后期強(qiáng)度。二灰摻入量越大,二灰土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)幅度也越大。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2002)的規(guī)定,水泥土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取90 d齡期試塊的立方體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值,但是,在實(shí)際工程應(yīng)用中,水泥土樁的檢測(cè)一般僅在成樁后3～4周內(nèi)完成,因此,需要用水泥土的早期強(qiáng)度預(yù)測(cè)水泥土90 d的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

已有研究成果表明[5]:qu,7～qu,28、qu,28～qu,90之間存在一定的換算關(guān)系,本次試驗(yàn)得出以下結(jié)論

且不同齡期強(qiáng)度之間存在以下比例關(guān)系

式中 qu,7——7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;

qu,28——28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;

qu,90——90 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

2.2 二灰摻入量、齡期對(duì)二灰土強(qiáng)度變化規(guī)律的影響

(1)粉煤灰與水泥摻入比例對(duì)二灰土強(qiáng)度的影響

在二灰土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中,粉煤灰與水泥以不同的比例摻入,二灰土強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律,采用32.5級(jí)祁連山普通硅酸鹽水泥,二灰摻量分別為12%和20%。粉煤灰摻量所占二灰總量的比例為1/3、1/4、1/5與純水泥。進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù),二灰土試塊在不同的粉煤灰摻入比例下的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,如圖4所示。

由圖4可見,當(dāng)粉煤灰摻量所占二灰總量比例不變時(shí),二灰土的強(qiáng)度隨著二灰總摻量的增加而增大。分析粉煤灰摻入量所占二灰總量比例為1/3、1/4、1/5及摻純水泥的情況下二灰土的強(qiáng)度變化趨勢(shì),不同二灰摻量的二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰摻入量所占二灰比例的增加有略微降低的趨勢(shì),但強(qiáng)度降低趨勢(shì)并不明顯。二灰摻量為12%,粉煤灰所占二灰比例1/3時(shí)的二灰土強(qiáng)度,與純水泥的二灰土相比,強(qiáng)度降低19%。二灰摻入比為20%,粉煤灰所占二灰比例1/3時(shí)的二灰土強(qiáng)度,與純水泥的二灰土相比,強(qiáng)度降低10%,均能滿足室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)試塊強(qiáng)度的要求,且隨二灰摻入量的增加,粉煤灰摻入量所占二灰比例為1/3、1/4、1/5與純水泥時(shí),二灰土試件抗壓強(qiáng)度的差別在逐漸減小。由于粉煤灰價(jià)格比較低,在滿足工程要求的情況下,摻入一定量的粉煤灰,可降低實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)成本。

(2)外加劑粉煤灰對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響

粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二鋁有化學(xué)活性,能與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng),生成類似水泥水化產(chǎn)物中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,它可作為膠凝材料的一部分,可起到強(qiáng)度提高作用[6],本試驗(yàn)分別采用摻量為12%的純水泥和12%的水泥摻入6%的粉煤灰,32.5級(jí)祁連山普通硅酸鹽水泥。進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù),不同摻量的二灰土試塊在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻入量的關(guān)系

由圖5可見,摻入粉煤灰的二灰土試塊較水泥土試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨各齡期都有較明顯的增加。在水泥土中摻入適量粉煤灰可以提高水泥土的抗壓強(qiáng)度,尤其有利于后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)。這是由于粉煤灰火山灰反應(yīng)的發(fā)生在粉煤灰玻璃微球表層不斷地生成火山灰反應(yīng)產(chǎn)物,這些微小顆粒的生成不斷地布于土和水泥水化物的集相之中,減少了水泥土體中含氣量,降低水泥土體泌水性,不斷地“細(xì)化孔隙”,水泥土結(jié)構(gòu)不斷密實(shí),強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。

2.3 水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)二灰土強(qiáng)度變化規(guī)律的影響

不同的水泥強(qiáng)度等級(jí)對(duì)二灰土的強(qiáng)度有著顯著的影響,分別采用32.5級(jí)和42.5級(jí)祁連山普通硅酸鹽水泥,二灰摻量為12%、20%、25%,水泥與粉煤灰比例為2∶1,進(jìn)行水中養(yǎng)護(hù),水泥土試塊28、90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 二灰土強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)系

由圖6可見,在二灰摻量相同的情況下,二灰土的強(qiáng)度隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加。且隨著二灰摻量的增加,二灰土強(qiáng)度隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高增加幅度更大。采用不同的水泥強(qiáng)度等級(jí),二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值之間存在下列關(guān)系式

當(dāng)T=28 d時(shí),

當(dāng)T=90 d時(shí),

式中 qu,32.5——P.O.32.5的二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值;

qu,42.5——P.O.42.5的二灰土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

采用高強(qiáng)度等級(jí)的水泥對(duì)提高二灰土強(qiáng)度有顯著的效果,但考慮到經(jīng)濟(jì)成本及施工技術(shù)的可行性,水泥強(qiáng)度等級(jí)的選用視工程實(shí)際情況而定。

3 結(jié)論

(1)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰摻入量的增加而逐漸增大,且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng),不同摻入量的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度差值越大。齡期90 d,二灰摻量20%的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度是二灰摻量15%的1.42倍,是二灰摻量12%的 1.9倍。

(2)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯的齡期效應(yīng),隨齡期的增長(zhǎng)而增大,二灰摻量12%、20%時(shí),齡期90 d的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是齡期28 d的2.4倍;是齡期7 d的5.8倍。

(3)二灰總摻量相同,粉煤灰摻入量所占二灰比例為1/3、1/4、1/5與摻純水泥時(shí),水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強(qiáng)度略有降低。因此,摻入一定量的粉煤灰,可降低實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)成本。水泥摻入量相同時(shí),摻入一定量的外加劑粉煤灰可顯著提高水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強(qiáng)度。

(4)在二灰摻量相同的情況下,水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強(qiáng)度隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加。且隨著二灰摻量的增加,水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強(qiáng)度隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高增加幅度增大?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本及施工技術(shù)的可行性,水泥強(qiáng)度等級(jí)的選用視工程實(shí)際情況而定。

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Experimental Research on the Factors Affecting the Strength of Saturated Loess Mixed with Cement and Fly Ash

AN Peng-peng1,LIU Wen-xiao1,YANG You-hai1,2
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.School of Civil Engineering,Hexi College,Zhangye 734000,Gansu,China)

Most of sections along Lanzhou to Zhongchuan Airport Railway Engineering fall into the saturated foundation with low bearing capacity,high compressibility and are reinforced by composite cement-soil mixed pile foundations.The strength performances of cement-fly-ash mixed saturated loess are tested and studied.Under such conditions with different cement and fly ash(hereinafter referred to as the "two ash")admixture ratio,different cement strength grade,different age,the variation of unconfined compressive strength of cement soil is analyzed.The test results show that the unconfined compressive strength increases with the increasing of two ash admixture,age,the unconfined compressive strength of two ash admixture for cement soil 20%is 1.42 times of two ash admixture 15%,and is 1.9 times of the two ash admixture 12%;when the total admixture of two ash is unchanged,with fly ash in total of two ash ratio of 1/5,1/4,1/3,cement soil strength decreases slightly;the unconfined compressive strength of cement soil increases obviously with the increasing of strength grade of cement,and the strength of cement soil increases dramatically with the increasing of the amount of cement and fly ash.

Loess region;Railroad subgrade;Cement fly ash mixing ratio;Cement strength;Curing time;Unconfined compressive strength

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.015

1004-2954(2014)12-0059-04

2014-04-10;

2014-04-21

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G009-N)

安芃芃(1988—),女,碩士研究生,E-mail:849037734@ qq.com。