水泥摻量和齡期 對(duì)渠道水泥土墊層抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律

王毓國(guó)，張愛(ài)軍，郭敏霞，林志松

(1.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；2.廈門(mén)市政交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門(mén) 361001)

0 引 言

水泥土是通過(guò)在土體中摻入一定比例水泥進(jìn)行壓實(shí)養(yǎng)護(hù)，提高土體的強(qiáng)度、承載力，減小土體的滲透性的一種土體改良加固技術(shù)。新疆伊犁某水電站渠道工程建設(shè)中遭遇渠基黃土濕陷問(wèn)題，需要設(shè)置土基墊層來(lái)提高渠道的防滲性能，提高地基的承載能力，防止渠水下滲引發(fā)黃土濕陷，該墊層設(shè)計(jì)采用水泥土進(jìn)行。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于水泥土的抗壓強(qiáng)度的研究成果較多，提出了水泥土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量之間的關(guān)系。劉松玉[1]、Zhang R J[2]等給出了水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系，N.C.Consoli[3]、S.Saitoh[4]、李建軍[5]等給出了水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系，G.A.Lorenzo[6,7]、曹智國(guó)[8]等提出了綜合考慮齡期與水泥摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度表征參數(shù)。但是，對(duì)于水泥土抗拉強(qiáng)度的研究較少。本文對(duì)新疆伊犁黃土水泥土進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，分析總結(jié)了水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，并進(jìn)行了不同水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期水泥土的滲透試驗(yàn)，探討其滲透規(guī)律。

1 試樣材料

本次試驗(yàn)選用新疆伊犁黃土和堯柏P.C32.5R水泥進(jìn)行，伊犁黃土基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1，堯柏水泥性質(zhì)見(jiàn)表2。水泥土的配制參考《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)[9]。采用水泥土最優(yōu)含水率17.5%、最大干密度1.69 g/cm3進(jìn)行制樣。抗拉試樣中部直徑4 cm，中部有效長(zhǎng)度10 cm，端部長(zhǎng)度1.5 cm，漸變?yōu)閳A臺(tái)，長(zhǎng)度1 cm，體積216.4 cm3。滲透試樣高4 cm，底面積30 cm2，體積120 cm3。將制好的試樣置于養(yǎng)護(hù)缸內(nèi)養(yǎng)護(hù)。水泥摻量為5%、10%、15%、20%，不同水泥摻量的試樣依養(yǎng)護(hù)齡期3、7、14、28 d分為4組，每組3個(gè)抗拉試樣，2個(gè)滲透試樣。

表1 新疆伊犁黃土的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of loess in Yili,Xinjiang

表2 水泥的性質(zhì)Tab.2 Properties of cement

2 抗拉試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

抗拉試驗(yàn)采用本單位研制的單軸抗拉試驗(yàn)儀進(jìn)行(專利號(hào)201310651702)，試驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[10]。試驗(yàn)裝置包括試樣制備系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見(jiàn)圖1、圖2。該試驗(yàn)裝置通過(guò)一次靜壓成型技術(shù)制樣，可避免分層擊實(shí)制樣薄弱面的形成。將養(yǎng)護(hù)好的試樣置于單軸抗拉試驗(yàn)儀的卡槽中，進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為0.8 mm/min。

圖1 抗拉試樣模具Fig. Tensile test sample mold

圖2 單軸抗拉試驗(yàn)儀Fig.2 Uniaxial tensile tester

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 抗拉強(qiáng)度

抗拉試驗(yàn)得到不同水泥摻量(k)、不同齡期(t)的水泥土的拉應(yīng)力(σt)～拉應(yīng)變(εt)曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖4 不同水泥摻量水泥土拉應(yīng)力～拉應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Tensile stress～ tensile strain curves of different cement content cement soil

參考文獻(xiàn)[11]從微觀結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為：水泥水化物晶體的生成使得水泥土的強(qiáng)度增大，同時(shí)由于水化物晶體破壞為脆性，使得水泥土受拉后呈脆性破壞。對(duì)比本次試驗(yàn)中素土和水泥土的拉應(yīng)力～拉應(yīng)變曲線(見(jiàn)圖3、圖4、圖5)可以看出，素土的受拉破壞呈塑形，而水泥土的受拉破壞均呈脆性，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[11]的觀點(diǎn)。

試驗(yàn)所得不同齡期、不同水泥摻量水泥土抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表3、圖6、圖7。從表3、圖6、圖7可以看出：隨著水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的增大，試樣的抗拉強(qiáng)度較素土的抗拉強(qiáng)度有著很大幅度的提升，28d后20%水泥摻量的試樣抗拉強(qiáng)度為素土抗拉強(qiáng)度的30倍。

水泥土抗拉強(qiáng)度的提升不與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的增大成正比。7～14 d水泥土抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)量占28 d水泥土抗拉強(qiáng)度的44%，因此，水泥土抗拉強(qiáng)度的增大主要集中在7～14 d，14 d以后水泥土抗拉強(qiáng)度的增加趨勢(shì)減緩。28 d后5%水泥摻量的水泥土抗拉強(qiáng)度為素土抗拉強(qiáng)度的12倍；10%水泥摻量的水泥土抗拉強(qiáng)度為素土抗拉強(qiáng)度的25倍；15%水泥摻量的水泥土抗拉強(qiáng)度為素土抗拉強(qiáng)度的28倍；20%水泥摻量的水泥土抗拉強(qiáng)度為素土抗拉強(qiáng)度的30倍。說(shuō)明10%的水泥摻量就對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度有了較大的提升，繼續(xù)增加水泥摻量時(shí)抗拉強(qiáng)度增幅趨緩。究其原因是當(dāng)試樣中水泥過(guò)多無(wú)法充分反應(yīng)時(shí)，水泥土強(qiáng)度提升進(jìn)入惰性區(qū)[8]。因此認(rèn)為，伊犁黃土水泥土中的水泥摻量宜在10%左右。

圖5 素土拉應(yīng)力～拉應(yīng)變曲線Fig.5 Soil tensile stress～tensile strain curve

水泥摻量/%不同齡期水泥土的抗拉強(qiáng)度/kPa3 d7 d14 d28 d0(素土)9.60563.461.2122.1120.01089.0109.2225.5243.11599.7102.0227.2270.920100.1170.7258.9289.4

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between curing age and tensile strength

圖7 水泥摻量與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between cement content and tensile strength

2.2.2 極限拉應(yīng)變

試驗(yàn)所得不同水泥摻量、不同齡期的水泥土極限拉應(yīng)變見(jiàn)表4。水泥摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土極限拉應(yīng)變影響較小，與素土極限拉應(yīng)變相比，兩者相差不大。素土極限拉應(yīng)變與水泥土極限拉應(yīng)變均集中在1.6%～3.7%，其值較小，說(shuō)明水泥土在較小的拉應(yīng)變發(fā)生時(shí)就產(chǎn)生破壞。

表4 水泥土極限拉應(yīng)變Tab.4 Cement soil ultimate tensile strain

2.3 水泥土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式

水泥土抗拉強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的對(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系(見(jiàn)圖8)，其參數(shù)a與水泥摻量有圖9所示的線性關(guān)系，進(jìn)行歸一化處理可得到綜合考慮養(yǎng)護(hù)齡期與水泥摻量的水泥土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式[公式(1)]，其擬合結(jié)果見(jiàn)圖10，R2均大于0.8，試驗(yàn)點(diǎn)與給出的擬合曲面符合較好。公式(1)可用于計(jì)算新疆伊犁黃土水泥土在28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)、20%水泥摻量下的水泥土抗拉強(qiáng)度。

圖8 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)數(shù)與拉應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.8 The relationship between logarithm of curing age and tensile stress

圖9 水泥摻量與參數(shù)a關(guān)系曲線Fig.9 The relationship between cement content and parameter a

圖10 公式(1)擬合結(jié)果Fig.10 Formula(1) fitting results

T=(ck+l) lgt+b

(1)

式中：T為水泥土的抗拉強(qiáng)度，kPa；k為水泥摻量，%；t為養(yǎng)護(hù)齡期，d；b、c、l為參數(shù)，本試驗(yàn)得出b取素土抗拉強(qiáng)度值9.6，c為7.253，l為63.599。

3 滲透試驗(yàn)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)[12]中的試驗(yàn)方法，通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)，得到不同齡期、不同水泥摻量水泥土試樣滲透系數(shù)見(jiàn)表5所示。

表5 滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Tab.5 Summary of osmotic test date

滲透系數(shù)與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系不明顯，試驗(yàn)所得水泥土滲透系數(shù)與素土滲透系數(shù)相差不大。主要有2點(diǎn)原因，一是試驗(yàn)試樣養(yǎng)護(hù)環(huán)境不夠濕潤(rùn)，水泥反應(yīng)時(shí)與水反應(yīng)并且放出大量水化熱，使得試樣中水減少，孔隙增大，滲透系數(shù)增大，因此養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥土的抗?jié)B性存在著很大的影響；二是試驗(yàn)試樣所用新疆伊犁黃土性質(zhì)較為特殊，含鹽量較高，最高達(dá)到19.2 g/kg[13]，含鹽量對(duì)于水泥土滲透性的影響還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)果與結(jié)論

(1)水泥土受拉斷裂呈脆性，水泥土的抗拉強(qiáng)度隨水泥摻量的增加和養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，且成型后7～14 d抗拉強(qiáng)度的增大明顯；水泥摻量為10%時(shí)水泥土抗拉強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增加的比率較大，大于10%后則增量趨緩。

(2)水泥土極限拉應(yīng)變與素土極限拉應(yīng)變相差不大，均集中在1.6%～3.7%。

(3)提出了綜合考慮養(yǎng)護(hù)齡期與水泥摻入量的水泥土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好，可以用來(lái)估算不同水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的伊犁黃土水泥土的抗拉強(qiáng)度值。

(4)摻入水泥對(duì)土體滲透性的改善不顯著，水泥土的養(yǎng)護(hù)條件對(duì)其滲透性有著較大的影響。

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