粉煤灰改良Q3黃土填料變形特性試驗(yàn)研究

楊曉松 黨進(jìn)謙 楊 瑤 徐 镕 楊保存*

(1 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

濕陷性黃土遇水后在自重或者非自重荷載作用下產(chǎn)生的濕陷性變形具有突發(fā)性、非連續(xù)性和不可逆性，會(huì)對(duì)其上的各種建、構(gòu)筑物造成嚴(yán)重破壞。黃土濕陷性機(jī)理、濕陷性評(píng)價(jià)方法及其控制技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題是巖土工程界長(zhǎng)期的研究熱點(diǎn)[1]。

對(duì)于黃土濕陷性機(jī)理，井彥林等[2]提出了擊實(shí)率的概念，對(duì)原狀黃土濕陷性與擊實(shí)率等指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行挖掘。查甫生等[3]引入電阻率法進(jìn)行黃土濕陷過(guò)程中的微結(jié)構(gòu)變化規(guī)律定量分析。朱元青等[4]考慮吸力對(duì)黃土濕陷變形的影響，研制了一套可以控制吸力的非飽和土濕陷三軸儀，為深入研究黃土濕陷特性提供了有力的工具。李國(guó)玉等[5][6]、谷琪等[7]和王泉等[8]考慮氣候因素影響下的凍融作用，對(duì)黃土濕陷原因和機(jī)理進(jìn)行研究，從而將黃土濕陷性的研究范圍拓展到廣大凍土地區(qū)。隨著建筑規(guī)模日益增大，工程涉及到的濕陷性土層厚度越來(lái)越大，常規(guī)濕陷性研究成果已無(wú)法滿足各種大型工程需求?；诖? 邵生俊等[9]、楊校輝等[10]、姚志華等[11]和馬閆等[12]對(duì)大厚度黃土濕陷性變形特征和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行探討。張愛(ài)軍等[13][14]對(duì)伊犁某大型渠道工程濕陷性黃土渠基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)，分析了伊犁黃土強(qiáng)烈自重濕陷性的歷史原因和內(nèi)在原因；進(jìn)一步，結(jié)合渠道工程實(shí)際，充分考慮渠道工程防滲層的作用，提出了基于增濕變形的渠道工程渠基黃土濕陷性評(píng)價(jià)方法。這些研究成果從黃土濕陷機(jī)理和評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行了深入探討，但是尚不能很好的指導(dǎo)工程建設(shè)。

傳統(tǒng)意義上認(rèn)為，黃土經(jīng)過(guò)壓實(shí)能很大程度上減少其濕陷性，能夠基本滿足建筑物強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。然而在實(shí)際工程中，仍有不少壓實(shí)黃土地基在運(yùn)行多年以后出現(xiàn)二次或多級(jí)濕陷病害。本文從工程性質(zhì)改良和工業(yè)廢料變廢為寶的角度對(duì)粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮和濕陷變形特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期更好的指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

粉煤灰取自陜西靖原第二電廠，最大干密度為1. 13 g/cm3，最優(yōu)含水率為33. 67%，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。黃土取自西北農(nóng)林科技大學(xué)南區(qū)地平面以下2 m處的擾動(dòng)黃土，土樣為黃褐色，具有較大孔隙，土質(zhì)均勻，土體疏松，屬馬蘭黃土(Q3)。所用黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合工程實(shí)踐，選用粉煤灰摻量為0%、10%、15%、20%和25%(干粉煤灰與風(fēng)干黃土質(zhì)量之比)，養(yǎng)護(hù)齡期為0 d、7 d、14 d和28 d。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，選用控制干密度1. 60 g/cm3,控制含水率17%。壓縮試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)。濕陷變形試驗(yàn)采用雙線法，最大垂直壓力為1 600 kPa，分6級(jí)加荷，加荷壓力分別為50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa和1 600 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮變形試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，壓縮系數(shù)與粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖1和圖2。

根據(jù)圖1，粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小。以0 d養(yǎng)護(hù)為例，當(dāng)粉煤灰摻量由0%增加到10%時(shí)，壓縮系數(shù)減小29. 9%；隨著粉煤灰摻量增加至15%、20%和25%時(shí)，壓縮系數(shù)減小的趨勢(shì)減緩，分別減13. 4%、9. 4%和1. 8%。經(jīng)過(guò)7 d、14 d和28 d養(yǎng)護(hù)的試樣，壓縮系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加呈比較平緩的減小趨勢(shì)。以28 d養(yǎng)護(hù)為例，隨著粉煤灰摻量由10%逐漸增加到25%，壓縮系數(shù)分別減小3. 2%、3. 9%和2. 7%。

表1 粉煤灰化學(xué)成分組成

表2 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表3 壓縮系數(shù)av0. 1～0. 2/MPa-1試驗(yàn)結(jié)果

圖1 壓縮系數(shù)與粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖2 壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線

圖2表明，粉煤灰改良Q3黃土填料的壓縮系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸減小。粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線變化趨勢(shì)相同，即7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)，減小幅度較大，分別為12. 9%和8. 8%，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，變化曲線以近似線性規(guī)律減小。

未改良Q3黃土填料(粉煤灰摻量0%)在試驗(yàn)條件下的壓縮系數(shù)為0. 298，為中等壓縮性土。摻入適量粉煤灰進(jìn)行改良以后，壓縮系數(shù)雖仍在0. 1～0. 5之間，為中等壓縮性土，但其壓縮系數(shù)已大大減小。以粉煤灰摻量25%的改良Q3黃土填料為例，0 d養(yǎng)護(hù)時(shí)，壓縮系數(shù)較未改良時(shí)減小46%；28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)，壓縮系數(shù)較未改良時(shí)減小52. 3%?？梢?jiàn)，利用粉煤灰作為添加劑改良Q3黃土填料的壓縮變形特性是可行的。

2.2 濕陷變形試驗(yàn)

濕陷變形試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 濕陷系數(shù)δ試驗(yàn)結(jié)果

表5 15%-200kPa濕陷系數(shù)δ試驗(yàn)結(jié)果

圖3 濕陷系數(shù)與垂直壓力關(guān)系曲線

圖4 濕陷系數(shù)與粉煤灰摻量關(guān)系曲線

圖5 濕陷系數(shù)與齡期關(guān)系曲線

圖3為濕陷系數(shù)與垂直壓力關(guān)系曲線。關(guān)系曲線都具有峰值濕陷壓力和峰值濕陷系數(shù)。粉煤灰摻量為0%和10%時(shí)較為明顯，峰值濕陷壓力分別為200 kPa和100 kPa，峰值濕陷系數(shù)分別為0. 032和0. 028。

濕陷系數(shù)與粉煤灰摻量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。在各級(jí)垂直壓力作用下，關(guān)系曲線表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。粉煤灰摻量小于15%時(shí)，改良Q3黃土填料的濕陷系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小；粉煤灰摻量大于15%時(shí)，改良Q3黃土填料的濕陷系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加而增加。15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料在各級(jí)垂直壓力作用下都具有最小的濕陷系數(shù)。

進(jìn)一步將15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料試樣進(jìn)行0 d、7 d、14 d和28 d養(yǎng)護(hù)，研究濕陷系數(shù)改良效果的時(shí)間效應(yīng)。結(jié)合工程實(shí)際，10米以內(nèi)土層垂直壓力為200 kPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表5、濕陷系數(shù)與齡期關(guān)系曲線圖5，200 kPa垂直壓力下，15%粉煤灰摻量改良Q3黃土填料的濕陷系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)逐漸減小。

3 結(jié)論與討論

利用粉煤灰作為添加劑能夠很好的改良Q3黃土填料的變形特性。

(1) 壓縮系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加和養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，減小的幅度亦隨之逐漸變緩。

(2) 濕陷系數(shù)與粉煤灰摻量的關(guān)系曲線存在拐點(diǎn)，即15%。15%粉煤灰摻量的改良Q3黃土填料在各級(jí)垂直壓力下都具有最小的濕陷系數(shù)，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，200 kPa垂直壓力下的濕陷系數(shù)逐漸減小，具有較好的時(shí)效性。

分析認(rèn)為，粉煤灰自身具有活性和火山灰效應(yīng)。當(dāng)粉煤灰與Q3黃土填料在一定含水率條件下充分拌和以后，黃土填料、粉煤灰含有的堿性氧化物如Na2O、K2O和CaO與粉煤灰所含有的難溶酸性氧化物如SiO2、AL2O3和Fe2O3等發(fā)生一系列的水解水化反應(yīng)，如離子交換作用、碳酸化作用、凝膠作用、團(tuán)粒作用和結(jié)晶作用等。這些水解水化反應(yīng)并不是相互獨(dú)立，而是相互聯(lián)系、相互影響和同步進(jìn)行[15][16]。水解水化反應(yīng)加強(qiáng)了改良Q3黃土填料顆粒間的團(tuán)聚作用，提高了土體的密實(shí)性，加強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，強(qiáng)化了土體的結(jié)構(gòu)性，從而能夠很好地改良Q3黃土填料的壓縮和濕陷變形特性。由于水解水化反應(yīng)過(guò)程比較緩慢，因而粉煤灰改良Q3黃土填料的改良效果具有時(shí)間效應(yīng)。

最優(yōu)粉煤灰摻量是特定條件下粉煤灰充分水解水化反應(yīng)所需的量。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)最優(yōu)摻量，多余的粉煤灰將不會(huì)參與水解水化反應(yīng)，而是作為無(wú)黏性材料分散在土體中，對(duì)改良土體結(jié)構(gòu)起著弱化作用。這種結(jié)構(gòu)弱化作用將隨著粉煤灰摻量的增加逐漸增強(qiáng)。

綜合壓縮和濕陷變形試驗(yàn)結(jié)果與分析，在試驗(yàn)條件下，粉煤灰改良Q3黃土填料變形特性的最優(yōu)摻量為15%。

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