水泥改良張家口壩上風(fēng)積沙的力學(xué)性能研究

張 海 島

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

1 引 言

習(xí)近平總書記在中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會上提到的全面建設(shè)小康社會的基礎(chǔ)上，小康社會的到來，也預(yù)示著人們對技術(shù)的要求越來越高，解決人們對公路的需求是目前要解決的問題.2015年7月31日，我國申請舉辦2022年冬奧會成功，而河北省張家口市作為冬奧會雪上項(xiàng)目的比賽地，交通問題更應(yīng)得到解決，而張家口的壩上地區(qū)存在很多的風(fēng)積沙，故需要對張家口壩上地區(qū)的風(fēng)積沙進(jìn)行改良.過去很多學(xué)者都研究了風(fēng)積沙，像國外的一些學(xué)者最初研究風(fēng)積沙的目的是在沙漠地區(qū)選擇出合理的路線并防風(fēng)固沙.比如尼羅河以西的利比亞沙漠，是世界上最大的沙漠-撒哈拉沙漠的一部分，約占埃及面積的2/3，埃及在此沙漠中修筑了一條道路，主要研究了風(fēng)積沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇合理的路線，并采用綠色植物進(jìn)行道路防護(hù)；比如日本西南地區(qū)修建的一條道路，此條道路穿越海岸和沙丘，遇到沙丘時(shí)就修高架橋，并采用了綠色植物和防沙柵欄進(jìn)行防護(hù)[1];土耳其在修建某條公路時(shí)繞開了大的沙丘，道路兩旁也采用了綠色植物和防沙柵欄進(jìn)行防護(hù).但是隨著許多學(xué)者研究風(fēng)積沙的深入，人們發(fā)現(xiàn)用固化劑改良風(fēng)積沙可以作為路基材料.比如Santoni R L等使用新的纖維穩(wěn)定技術(shù)對沙土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究表明，使用51 mm長的單絲聚丙烯纖維來穩(wěn)定級配不良的沙土的最佳纖維含量為1%[2].我國對固化劑改良風(fēng)積沙的研究比較晚，但也取得了很多的結(jié)果.魏杰通過研究水泥改良風(fēng)積沙得出隨著混合料的壓實(shí)度的增大，改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增大，且隨著水泥等級的提高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大的結(jié)論[3]；阮波等通過研究低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)得出了對比標(biāo)注養(yǎng)護(hù)，低溫養(yǎng)護(hù)的水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了32.5%的結(jié)論[4];崔強(qiáng)等通過研究水泥固化作用對風(fēng)積沙地基抗拔基礎(chǔ)承載性能的影響試驗(yàn)中得出了水泥含量對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響與含水率有關(guān)，含水率越大，提高抗拔承載力越明顯的結(jié)論[5].

基于上述學(xué)者的研究，再結(jié)合張家口壩上地區(qū)風(fēng)積沙的性質(zhì)，特通過室內(nèi)試驗(yàn)來研究水泥改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能.

2 試驗(yàn)簡介

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出的最大干密度和最佳含水率入表1所示，再結(jié)合張家口壩上地區(qū)實(shí)際工程中的壓實(shí)度，通過控制變量法制出不同摻量下，不同壓實(shí)度下，不同養(yǎng)護(hù)齡期的試件，此試件是直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱狀試件，最后通過圖2所示路強(qiáng)儀對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

圖1 電熱鼓風(fēng)干燥箱 圖2 路強(qiáng)儀

圖3 養(yǎng)護(hù)中的試件

2.1 試驗(yàn)過程

(1)制件.

將原土料經(jīng)圖1所示的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，其中電熱鼓風(fēng)干燥箱的型號為x101-4，電源380 v，電熱功率是6 kw，大小尺寸是800×800×1000 mm，然后經(jīng)過5 mm的圓孔篩.根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出的最大干密度和最佳含水率進(jìn)行燜土配料，然后燜十二個(gè)小時(shí)，和擊實(shí)試驗(yàn)一樣，待燜土結(jié)束后，加入水泥固化劑，攪拌均勻.根據(jù)公式1計(jì)算出每一個(gè)試件所需要的混合料的質(zhì)量，然后將稱好的混合料灌入高50 mm，直徑為50 mm試模內(nèi)，每次加入試模內(nèi)的質(zhì)量為總質(zhì)量的1/3，每次往試模內(nèi)加入混合料后，用夯棒均勻插實(shí)，然后將插實(shí)好的試模放在壓力機(jī)上，以1 mm/min的加載速率加壓至上下壓柱都壓入試模為止，維持壓力2 min.

(2)養(yǎng)護(hù).

將上述的試件進(jìn)行脫模，稱好其質(zhì)量，高度和直徑，精確到0.01 mm，然后快速將其用保鮮膜包起來并做好標(biāo)記放入養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)七天如圖3所示.

(3)壓件.

從養(yǎng)護(hù)室中取出已經(jīng)達(dá)到養(yǎng)護(hù)天數(shù)的試，重新記錄一下試件的質(zhì)量和高度以及直徑，然后用圖2所示的路強(qiáng)儀將養(yǎng)護(hù)后試件壓碎，由公式2算試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

表1 各水泥摻量下改良風(fēng)積沙的最大干密度與最有含水率

M=V×ρmax×(1+ω)×γ

(1)

設(shè)M為混合料的總重量(g)，V為試模的體積(cm3)，ρmax混合料的最大干密度(g/cm3)，ω為混合料的最佳含水率(%)，γ為混合料的壓實(shí)度(%)

(2)

表2 水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響的試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)工況

通過控制變量法表述水泥摻量的試驗(yàn)方案，如表2所示.為了保證數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)的精確度，每種情況采取平行試驗(yàn)方法，每種工況的試件不少于3個(gè).

(1)水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

表3 壓實(shí)度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響的試驗(yàn)工況

采用控制變量法研究水泥摻量對改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，即控制混合料的壓實(shí)度不變，養(yǎng)護(hù)齡期不變，只改變水泥摻量，對應(yīng)的試驗(yàn)工況如表2所示.

(2)壓實(shí)度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

表4 養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響的試驗(yàn)工況

采用控制變量法研究壓實(shí)度對改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，即控制混合料的水泥摻量不變，養(yǎng)護(hù)齡期不變，只改變混合料的壓實(shí)度，對應(yīng)的試驗(yàn)工況如表3所示.

(3)養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

采用控制變量法研究養(yǎng)護(hù)齡期對改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，即控制混合料的水泥摻量不變，壓實(shí)度不變，只改變試件的養(yǎng)護(hù)齡期，對應(yīng)的試驗(yàn)工況如表4所示.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

圖4 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

通過表1的試驗(yàn)工況進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種工況做三個(gè)試件，最后結(jié)果取三個(gè)試件的平均值作為每個(gè)摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.如圖4所示.

如圖4所示，橫坐標(biāo)的意思是水泥摻量，縱坐標(biāo)的意思是7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.從圖4上可以看出，不論是改良風(fēng)積沙的壓實(shí)度為多少，隨著水泥摻量的增加，改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出增加的趨勢.其中當(dāng)壓實(shí)度為95%時(shí)，固化劑摻量為4%時(shí)，水泥固化劑的壓實(shí)度為1.42 MPa，隨著固化劑摻量的不斷增加，當(dāng)摻量增加到8%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加到了2.35 MPa，故提高水泥摻量可以提高改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能，使其達(dá)到公路路基的要求.

(2)混合料的壓實(shí)度對水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

圖5 壓實(shí)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

通過表2的試驗(yàn)工況進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種工況做三個(gè)試件，最后結(jié)果取三個(gè)試件的平均值作為每個(gè)摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.如圖5所示.

如圖5所示，橫坐標(biāo)的意思是混合料的壓實(shí)度，縱坐標(biāo)的意思是7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.從圖5上可以看出，隨著混合料的壓實(shí)度的增大，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也隨之增大.當(dāng)混合料的壓實(shí)度從89%增加到91%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值從1.814 MPa提高到2.288 MPa，提高了26.13%，壓實(shí)度從91%增加到93%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值從2.288 MPa提高到2.402 MPa，提高了4.98%，可以看出7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值提升的速率減小，但無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值再提高，力學(xué)性能變好，故提高混合料的壓實(shí)度可以提高改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能，使其達(dá)到公路路基的要求.

(3)養(yǎng)護(hù)齡期對水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響.

圖6 養(yǎng)護(hù)齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

通過表3的試驗(yàn)工況進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每種工況做三個(gè)試件，最后結(jié)果取三個(gè)試件的平均值作為每個(gè)摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.如圖6所示.

如圖6所示，橫坐標(biāo)的意思是試件的養(yǎng)護(hù)齡期，縱坐標(biāo)的意思是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.從圖6上可以看出，隨著試件的養(yǎng)護(hù)齡期的增大，7天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也隨之增大.試件的養(yǎng)護(hù)齡期從14天增加到21天，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值從4.92 MPa提高到5.69 MPa，提高了13.53%，試件的養(yǎng)護(hù)齡期從21天增加到28天，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值從5.69 MPa提高到6.13 MPa，提高了7.73%，可以看出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值提升的速率在減小，但無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值再提高，力學(xué)性能變好，故提高試件的養(yǎng)護(hù)齡期可以提高改良風(fēng)積沙的力學(xué)性能，使其達(dá)到公路路基的要求.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)本次室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，本文分析了水泥摻量、壓實(shí)度和養(yǎng)護(hù)齡期對改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，在本試驗(yàn)下得出以下結(jié)論.

(1)改良風(fēng)積沙的強(qiáng)度性能隨著固化劑的摻量的增加而增大，但是增長的速率逐漸減慢.

(2)改良風(fēng)積沙的強(qiáng)度性能隨著混合料的壓實(shí)度的增加而增大，但是其增長的速率減慢，混合料的壓實(shí)度達(dá)到95%，力學(xué)性能基本穩(wěn)定.

(3)改良風(fēng)積沙的強(qiáng)度性能隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，但是強(qiáng)度增長的速率減慢，養(yǎng)護(hù)21天，試件的強(qiáng)度基本穩(wěn)定.