壓實時間對固化土強度影響試驗

趙子榮,徐建勇,陳永輝,陳 庚,王 波,李 斌

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 杭州 310006;4. 31省道北延紹興市區(qū)段工程建設(shè)指揮部,浙江 紹興 312000)

?

壓實時間對固化土強度影響試驗

趙子榮1,2,徐建勇3,陳永輝1,2,陳 庚1,2,王 波1,2,李 斌4

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江 杭州 310006;4. 31省道北延紹興市區(qū)段工程建設(shè)指揮部,浙江 紹興 312000)

以固化土壓實時間、水泥摻量和養(yǎng)護齡期為控制變量,通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究上述變量對固化土強度的影響。結(jié)果表明:壓實時間過長一方面使得固化土便于壓實,另一方面又會損失壓實時間內(nèi)的膠結(jié)強度;對其進行機理分析,發(fā)現(xiàn)重塑固化土強度與試樣干密度相關(guān),并通過試驗數(shù)據(jù)擬合出線性公式。建議固化土拌和后應(yīng)盡早使用,以求更好地發(fā)揮水泥的膠結(jié)作用,否則必須提高其壓實度,才能達到設(shè)計要求。

固化壓實土;重塑固化土;無側(cè)限抗壓強度;壓實時間;水泥摻量;養(yǎng)護齡期;干密度

固化土廣泛應(yīng)用于污染土治理、淤泥固化、軟弱地基處理等工程中,例如港口、航道的疏浚以及湖泊的清淤工程都會產(chǎn)生大量淤泥,這些淤泥強度低、含水率高并且壓縮性高[1-2]。為了實現(xiàn)資源的再利用,可以將淤泥進行固化處理,處理后的固化淤泥強度高、變形小,同時對污染物有穩(wěn)定和包裹作用[3]。

目前國內(nèi)外學者開展了很多關(guān)于水泥固化的研究,例如分析固化劑的類型、不同的配比、養(yǎng)護齡期對固化土強度及變形的影響。朱偉等[4]通過對疏浚淤泥固化后的基本力學性質(zhì)進行研究,發(fā)現(xiàn)固化土的無側(cè)限抗壓強度與水泥摻量之間具有線性關(guān)系。湯怡新等[5]通過大量的試驗研究,發(fā)現(xiàn)任意一種軟質(zhì)原料土都存在最小的水泥用量。然而在很多工程中,固化淤泥從拌和到壓實需要一段時間的放置和運輸,由于固化后的淤泥并不是立即使用,使淤泥的固化攪拌與澆筑施工在時間和空間上不能同步[6],導致固化淤泥喪失了部分黏聚力。楊廷玉等[7]通過對水泥固化土的不固結(jié)不排水三軸試驗結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)水泥固化土抗剪強度的重要指標是黏聚力。黃英豪等[8]通過對比水泥固化土和重塑固化土的無側(cè)限抗壓強度,得出重塑固化土的無側(cè)限抗壓強度有很大折減的結(jié)論。以上結(jié)果說明經(jīng)過重塑后的水泥固化土強度與固化土強度不同,水泥土破碎的時間越晚,強度越低。佐藤厚子等[9]通過對高爐礦渣水泥和石灰固化土試驗,明確了固化土與擊實土的無側(cè)限抗壓強度之間有一定的關(guān)系,并指出擊實土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角可以用其無側(cè)限抗壓強度來表示。桂躍等[10]通過分析不同配比生石灰淤泥材料化土土性與壓實時間的關(guān)系,得出無側(cè)限抗壓強度隨壓實時間增大而增大,然而并沒有考慮固化土壓實后強度增長的問題。時田博之等[11]通過在淤泥中加入水泥、石灰和專用固化劑的研究表明,擊實土的強度同樣可以滿足工程設(shè)計的要求。由于固化壓實土經(jīng)過固化、破碎、碾壓、填筑后,經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護,強度還會增長。本文基于工程中固化壓實土的使用方法,分析不同的壓實時間、養(yǎng)護齡期及水泥摻量對固化土強度的影響,得出壓實時間對固化土強度的影響規(guī)律,分析了壓實時間對固化土強度作用的機理,以供施工參考。

1 試驗設(shè)計及過程

1.1 試驗材料及方案設(shè)計

試驗所用淤泥來自浙江溫州,其具體的物理指標:含水率67%,密度1.63 g/cm3,相對密度2.76,液限53.7%,塑限28.2%,孔隙比 1.737。試驗所用水泥為32.5#普通硅酸鹽水泥。

為模擬固化土放置和運輸消耗的時間對其強度的影響,通過制作不同壓實時間的無側(cè)限試樣,測試其相應(yīng)齡期的無側(cè)限抗壓強度,研究固化土經(jīng)過破碎、再養(yǎng)護后的強度變化規(guī)律。

其中,水泥摻量是指水泥的質(zhì)量/濕土的質(zhì)量,壓實時間是指水泥土從拌和到制樣時所用的時間。試驗水泥摻量分別為3%、5%、7%和9%,壓實時間分別為4 h、10 h、72 h和168 h,養(yǎng)護齡期分別為7 d、14 d和28 d。試樣共有4×4×3=48種,每種試樣設(shè)計3個平行試樣。

1.2 制樣方法及養(yǎng)護

圖1 試驗步驟示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test steps

首先,將淤泥的含水率調(diào)制到67%,然后向調(diào)好的淤泥內(nèi)分別加入3%、5%、7%和9%的水泥,攪拌均勻。將拌和好的水泥土用聚乙烯塑料袋包裹起來,置于(20±2) ℃、濕度大于90%的養(yǎng)護箱，分別壓實4 h、10 h、3 d和7 d后,再進行無側(cè)限抗壓強度試驗的制樣,控制試樣的濕密度相同。按照(JTG E51—2009)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行制樣,試樣直徑為50 mm,高為50 mm。到了預定的壓實時間后,將水泥土用切土刀剁成直徑不大于5 mm的小塊,分3層填入模具內(nèi),每層經(jīng)振搗后再填筑下一層,最后將模具放入反力架的液壓千斤頂上,靜力脫模。制好后的試樣用聚乙烯塑料袋包裹起來,置于(20±2) ℃、濕度大于90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d、14 d、28 d。當養(yǎng)護時間達到試驗設(shè)計值時,進行無側(cè)限抗壓強度試驗。需要說明的是,應(yīng)將水泥土破碎重塑前的壓實時間算入試樣齡期,保證當水泥摻量一樣時,相同齡期內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物含量也保持一致,便于對比不同壓實時間對固化土強度的影響。如圖1所示,當t1=0時,即沒有壓實時間,制作的試樣稱為水泥固化土[12];當t1

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水泥摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響

首先分析水泥摻量對其無側(cè)限抗壓強度的影響,如圖2所示,隨著水泥摻量的增加,各壓實時間的固化土無側(cè)限抗壓強度也隨之增加。

如圖2(a)和圖2(c)所示,壓實時間t為4 h、10 h和72 h的固化土,7 d和28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量的增加呈近似線性增加。而從圖2(b)可以看出,t為4 h、10 h和72 h的固化土,隨著水泥摻量的增加,14 d齡期的無側(cè)限抗壓強度先增加較快后來增加較慢。以t為72 h的固化土為例,當水泥摻量由5%增加到7%時,無側(cè)限抗壓強度由311.6 kPa增加到654.8 kPa,增加了110%;當水泥摻量由7%增加到9%時,無側(cè)限抗壓強度由654.8 kPa增加到722 kPa,增加了10%。

如圖2(a)和圖2(b)所示,t為4 h的固化土無側(cè)限抗壓強度曲線位于t為10 h的固化強度無側(cè)限抗壓強度曲線之上。而由圖2(c)可以看出,t為72 h,摻量為7%和9%的固化土無側(cè)限抗壓強度曲線位于最上方,其余依次是t為4 h、10 h、168 h的固化土。

圖2 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between cement content and unconfined compressive strength with different curing periods

2.2 齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

壓實時間為4 h的固化壓實土與常規(guī)制樣方法(水泥固化土)最為貼近,以其為例,分析固化壓實土無側(cè)限抗壓強度與齡期的關(guān)系。

圖3 齡期與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between curing period and unconfined compressive strength

如圖3所示,固化壓實土的強度隨著養(yǎng)護時間的增加而增加,當水泥摻量c為3%時,隨著養(yǎng)護時間的延長,14 d強度和28 d強度相差不大,固化壓實土強度增加比較緩慢;當c為9%時,隨著養(yǎng)護時間的增加,固化壓實土強度增加較快,28 d強度為7 d強度的1.56倍。

2.3 壓實時間對無側(cè)限抗壓強度的影響

圖4 無側(cè)限抗壓強度與壓實時間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between compaction period and unconfined compressive strength with different curing periods

如圖4所示,固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實時間的增加而降低,然而不同水泥摻量的固化土強度受壓實時間影響程度不同。

由圖4(a)和圖4(b)可知,當水泥摻量c為5%、7%和9%時,7 d和14 d齡期固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實時間增加而降低。以c為9%、7 d齡期的固化土為例,當壓實時間由4 h增加到168 h時,無側(cè)限抗壓強度由688 kPa下降到375.1 kPa,下降了45%。然而當水泥摻量較低時,隨著壓實時間增加,固化土無側(cè)限抗壓強度降低的幅度不高。以c為3%、7 d齡期的固化土為例,壓實時間為4 h和168 h時的固化土,無側(cè)限抗壓強度分別為61.4 kPa和47.6 kPa,下降了22%。

由圖4(c)可知,對于c為7%和9%的固化土,隨著壓實時間的延長,固化土無側(cè)限抗壓強度先增加、后降低,且無側(cè)限抗壓強度在72 h時達到最大值。以9%水泥摻量的固化土為例,壓實時間由4 h增加到72 h,無側(cè)限抗壓強度由1 079 kPa增加到1 445.6 kPa,增加了34%;當壓實時間由72 h增加到168 h時,無側(cè)限抗壓強度由1 445.6 kPa下降到774.5 kPa,下降了46%。這是由于水泥摻量較高,水化反應(yīng)消耗的水分較多,試樣更易于壓實,干密度較大,使得強度達到最大值。

2.4 重塑固化土強度與干密度的關(guān)系

圖5 重塑固化土無側(cè)限抗壓強度與干密度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between dry density and unconfined compressive strength of remolded solidified soil

重塑固化土是拌和后的水泥土養(yǎng)護到相應(yīng)齡期后,經(jīng)破碎后立即制樣,并測試其無側(cè)限強度的試樣。此時水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)作用被破壞,重塑固化土的強度主要是顆粒之間的孔隙填充,通過分析干密度與重塑固化土強度的關(guān)系,研究壓實性與固化土強度的關(guān)系。如圖5所示,重塑固化土的無側(cè)限抗壓強度隨著干密度的增加而增加,呈線性關(guān)系(R2=0.965 2)。重塑固化土的含水率較低,便于壓實,使干密度增加,土體內(nèi)部的孔隙減小,固化土強度增加。

qu=6 828.9ρd-6 978.2

式中:qu——重塑固化土無側(cè)限抗壓強度;ρd——重塑固化土的干密度。

3 固化壓實土無側(cè)限抗壓強度組成的機理分析

由以上分析可知,影響無側(cè)限抗壓強度的因素有齡期、水泥摻量和壓實時間,這些因素通過影響固化土顆粒的填充和膠結(jié)起作用。隨著水泥摻量的增加,養(yǎng)護齡期的延長,固化土的膠結(jié)強度越高。隨著壓實時間的增加,水化反應(yīng)會消耗更多的孔隙水,使固化土含水率下降,便于壓實,干密度會有所增加;但是重塑過程會導致固化土的結(jié)構(gòu)破壞,使得膠結(jié)強度下降。

綜上,水泥摻量和齡期與固化土強度具有正相關(guān)關(guān)系,而壓實時間與固化土強度的關(guān)系較為復雜。一方面，隨著壓實時間的延長,原本起到膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物被破碎,導致水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用減弱,使固化土的膠結(jié)強度降低;另一方面，由于壓實時間增加,固化土含水率越低,便于壓實,試樣內(nèi)部的孔隙變小,干密度隨之增加,使固化土的強度增加。壓實時間既會導致壓實時間內(nèi)水化產(chǎn)物的膠結(jié)強度喪失,又會使壓實時間后的固化土便于壓實。

如果在某個壓實時間,重塑過程導致固化土損失的強度小于其便于壓實而增加的強度,固化土強度則會達到峰值。如圖4(c)所示,當壓實時間為72 h時,水泥摻量7%、9%的固化土無側(cè)限抗壓強度達到峰值;水泥摻量3%、5%的固化土無側(cè)限抗壓強度隨著壓實時間的增加而降低。對于高水泥摻量(本文7%、9%)的固化土而言,水泥水化反應(yīng)消耗的水分更多,土體更易壓實,干密度更大;72 h的壓實時間相比于28 d齡期而言,重塑過程損失的膠結(jié)強度并不是很大,隨著養(yǎng)護時間的增加,膠結(jié)強度還會增加。由于便于壓實增加的強度大于重塑損失的壓實時間內(nèi)膠結(jié)強度,從而導致在壓實時間為72 h時,固化土強度達到峰值。而對于低水泥摻量(本文為3%、5%)的固化土而言,盡管隨著壓實時間的增加,固化土的干密度會增加,但是水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用是固化土的主要強度來源[15-16],使固化土強度隨壓實時間的增加而降低。

4 結(jié) 論

a. 固化壓實土的強度除受水泥摻量、養(yǎng)護齡期影響之外,還與其拌和后的壓實時間有關(guān)系。試驗結(jié)果表明:水泥摻量和養(yǎng)護齡期與水泥固化土強度具有正相關(guān)的關(guān)系,而壓實時間的延長一方面使得固化土便于壓實,另一方面破碎重塑后又會損失壓實時間內(nèi)的膠結(jié)強度。

b. 壓實時間越長,重塑損失的壓實時間內(nèi)的膠結(jié)強度也就越大,因此應(yīng)避免造成壓實時間過長,否則必須提高其壓實度,才能達到設(shè)計強度。

c. 重塑固化土的無側(cè)限抗壓強度在一定范圍內(nèi)與干密度呈線性關(guān)系,填筑固化土時,可以通過選擇合理的碾壓方式,提高固化土的壓實度,從而提高固化土的無側(cè)限抗壓強度。

[1] 朱偉, 張春雷, 劉漢龍, 等. 疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學與技術(shù), 2002, 25(4): 39-41.(ZHU Wei, ZHANG Chunlei, LIU Hanlong, et al. The status of dredged spoils utilization[J]. Environmental Science and Technology, 2002, 25(4): 39-41. (in Chinese))

[2] TANG Y X, MIYAZAKI Y, TSUCHIDA T. Practices of reused dredgings by cement treatment[J]. Soils and Foundations, 2001, 41(5): 129-143.

[3] DUBIOS V,ABRIAKE N E,ZENTAR R,et al. The use of marine sediments as a pavement base material[J]. Waste Management,2009,29(2):774-782.

[4] 朱偉, 張春雷, 高玉峰,等. 海洋疏浚淤泥固化處理土基本力學性質(zhì)研究[J]. 浙江大學學報(工學版), 2005, 39(10):1561-1565. (ZHU Wei, ZHANG Chunlei, GAO Yufeng, et al. Fundamental mechanical properties of solidified dredged marine sediment[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2005, 39(10):1561-1565. (in Chinese))

[5] 湯怡新, 劉漢龍, 朱偉. 水泥固化土工程特性試驗研究[J].巖土工程學報,2000,22(5):549-554. (TANG Yixin, LIU Hanlong, ZHU Wei. Study on engineering properties of cement-stabilized soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2000, 22(5): 549-554.(in Chinese))

[6] 黃英豪. 固化淤泥的流動性及壓實后力學性質(zhì)[D]. 南京:河海大學, 2011.

[7] 楊廷玉, 周宇, 趙瑩瑩,等. 水泥固化土強度特性試驗研究[J].黑龍江工程學院學報,2012,26(3):6-9. (YANG Tingyu, ZHOU Yu, ZHAO Yingying,et al. Experiment study on strength characteristics of cement solidification soil[J].Journal of Heilongjiang Institute of Technology, 2012,26(3):6-9. (in Chinese))

[8] 黃英豪,董嬋,關(guān)云飛. 擊實對固化淤泥物理力學性質(zhì)的影響[J]. 巖土工程學報,2012,34(9):1728-1733.(HUANG Yinghao,DONG Chan,GUAN Yunfei. Effect of compaction on physical and mechanical properties of solidified dredged materials[j]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012,34(9):1728-1733. (in Chinese))

[9] 佐藤厚子, 西本聰, 鈴木輝之. 固化破砕土の強度特性[R].北海道: 第2回日中地盤シンポジウム, 2005.

[10] 桂躍,高玉峰,宋文智,等. 高含水率疏浚淤泥生石灰材料化土壓實時間內(nèi)強度變化規(guī)律[J].河海大學學報(自然科學版),2010,38(2):186-190. (GUI Yue, GAO Yufeng, SONG Wenzhi,et al. Strength variation rules of filling soil improved from high-water-content dredged sludge with quicklime during preparation time[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2010,38(2):186-190. (in Chinese))

[11] 時田博之, 桜井裕萬, 長谷國男. 高含水不良土を材料とする固化破砕土による盛土施工[R]. 北海道: 北海道技術(shù)研究發(fā)表會, 2005.

[12] CHIU C F, ZHU W, ZHANG C L. Yielding and shear behavior of cement-treated dredged materials[J]. Engineering Geology, 2009, 103(1/2): 1-12.

[13] ZHU W, HUANG Y H, ZHANG C L, et al. Effect of curing time on mechanical behaviors of crushed solidified dredged material [J].Canadian Geotechnical Journal, 2009, 46(9):1093-1099.

[14] 黃英豪, 朱偉, 張春雷,等. 固化淤泥重塑土力學性質(zhì)及其強度來源[J]. 巖土力學,2009,30(5):1352-1356. (HUANG Yinghao, ZHU Wei, ZHANG Chunlei,et al. Mechanical characteristics and strength source of remolded solidified dredged material[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(5):1352-1356. (in Chinese))

[15] ZHU W, ZHANG C L, CHIU A C F. Soil-water transfer mechanism for solidified dredged material[J]. Journal of Geotechnical and Geo environmental Engineering, 2007, 133(5): 588-598.

[16] HORPIBULSUK S, MIURA N,NAGARAJ T S. Assessment of strength development in cement-admixed high water content clays with Abrams’ law as a basis[J]. Geotechnique, 2003, 53(4): 439-444.

Experimental study on influence of compaction period on strength of solidified soil

ZHAO Zirong1, 2, XU Jianyong3, CHEN Yonghui1, 2, CHEN Geng1, 2, WANG Bo1,2, LI Bin4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.JiangsuResearchCenterforGeotechnicalEngineeringTechnology,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,DesignandResearch,Hangzhou310006,China;4.ConstructionHeadquartersofHighway31NorthExtensionSectioninShaoxing,Shaoxing312000,China)

The influence of the compaction period, cement content, and curing period on the strength of solidified soil was studied using an unconfined compressive strength test. The results show that a compaction period that is two long makes the solidified soil more easily compacted, but causes a loss of the cementing strength. According to mechanism analysis, it is found that the strength of the remolded solidified soil is related to the dry density of the sample, and a linear equation is fitted to test data. Based on the test results, it is recommended that solidified soil be used as soon as possible after mixing so as to make full use of cementation of cement. Otherwise, it is necessary to improve the degree of compaction in order to achieve the design requirements.

solidified compaction soil; remolded solidified soil; unconfined compressive strength; compaction period; cement content; curing period; dry density

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.010

2015-12-24

水利部公益性行業(yè)科研專項(201401006)；水利部“948”項目(201435)；浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2012H29,2014H28)

趙子榮(1990—)，男，安徽界首人，碩士研究生，主要從事軟土地基研究。E-mail：1558773703@qq.com

TU411

A

1000-1980(2016)06-0531-05