膠結(jié)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

衛(wèi)春安，蘇安雙，賈 青，閻 爍

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

粉質(zhì)黏土是塑性指數(shù)介于10～17的黏性土，具有時(shí)效性，其沉降量可能隨著時(shí)間的推移而增加，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)筑物損壞、倒塌。然而，粉質(zhì)黏土分布廣泛且具有就地取材的特點(diǎn)，在我國(guó)水利工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院賈金生院士提出膠結(jié)土壩的概念，其使用的筑壩材料便是往特殊土料中加入有機(jī)或無(wú)機(jī)膠凝材料，形成性能良好的膠結(jié)土[1]。因此，很有必要對(duì)粉質(zhì)黏土加入一定比例的膠凝材料，提高其性能。

國(guó)內(nèi)外對(duì)膠結(jié)土力學(xué)性能進(jìn)行了一定的研究。Asskar Janalizadeh Choobbasti等[2]利用水泥對(duì)砂土進(jìn)行了改性試驗(yàn)，從不同的試樣孔隙率、水泥摻量進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得到了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨試樣孔隙率變大而減小，隨水泥摻量增大而變大。Young-sang Kim等[3]利用粉煤灰底灰和高爐爐渣作為黏結(jié)劑對(duì)花崗巖土進(jìn)行了改性，并通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析了改性后土的強(qiáng)度。Kai Gu等[4]用活性氧化鎂與生石灰作為復(fù)合改性材料，對(duì)黏土和微黏性粉砂土進(jìn)行了改性，并進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彈性剛度、破壞應(yīng)變、含水量、微觀結(jié)構(gòu)、熱重分析，以及不同浸泡條件下的耐久性分析，表明了其復(fù)合材料對(duì)黏土和微黏性粉砂土有很好的改性作用。張軍等[5]用水泥對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行了改性，得出相同含水率、水泥摻量，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)而變大，而相同含水率、相同養(yǎng)護(hù)齡期情況下，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而顯著增大。張振寰等[6]通過(guò)不同用水量和水泥摻量對(duì)最優(yōu)含水率為12%、最大干密度為1.95 g/cm3的素土進(jìn)行改性，研究了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨用水量或水泥摻量的變化關(guān)系。陳中學(xué)等[7]研究了不同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同水泥標(biāo)號(hào)對(duì)淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。李永輝等[8]定量分析了鄭州地區(qū)粉土水泥土的水泥摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及破壞特征的影響規(guī)律。曾晨等[9]利用數(shù)值分析軟件對(duì)不同土質(zhì)的水泥土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化的數(shù)值模擬，分析了水泥土模型應(yīng)力的分布規(guī)律。

本文對(duì)粉質(zhì)黏土加入不同摻量的膠凝材料并進(jìn)行了不同時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，對(duì)養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，分析了其力學(xué)性能的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指讓試樣只受到垂直方向的力，而不受水平方向的力的抗壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)用到的儀器是YTS-YQ-22電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可以對(duì)試樣進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能試驗(yàn)。其工作原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由調(diào)速系統(tǒng)控制伺服電機(jī)進(jìn)而控制橫梁上下移動(dòng)，其速度范圍為0.001～1000 mm/min。

1.2 試驗(yàn)材料

土料選自哈爾濱市的粉質(zhì)黏土，加入土料中的膠凝材料有水泥、石灰、粉煤灰，水泥為425號(hào)普通硅酸鹽水泥，石灰和粉煤灰的等級(jí)都為Ⅰ級(jí)，選用的水為普通自來(lái)水。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)按摻入粉質(zhì)黏土中的膠凝材料種類的多少可分為單摻膠凝材料改性試驗(yàn)、雙摻膠凝材料改性試驗(yàn)和三摻膠凝材料改性試驗(yàn)。其中單摻膠凝材料改性試驗(yàn)加入土料中的膠凝材料分別為水泥、石灰、粉煤灰，雙摻膠凝材料改性試驗(yàn)加入土料中的膠凝材料分別為水泥和石灰、水泥和粉煤灰、石灰和粉煤灰，三摻膠凝材料改性試驗(yàn)加入土料中的膠凝材料有水泥、石灰和粉煤灰。將每種方案的改性方式設(shè)計(jì)3種不同的配比，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到各個(gè)改性后土料的最優(yōu)含水率和最大干密度，按最優(yōu)含水率為設(shè)計(jì)含水率、最大干密度的98%為設(shè)計(jì)干密度配制試樣，具體的配合比設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 配合比設(shè)計(jì)方案

根據(jù)表1的配合比用擊實(shí)成型法配制直徑為61.8 mm、高150 mm的試樣，每個(gè)方案配制9個(gè)試樣，素土試樣配制3個(gè)，共192個(gè)試樣，放入養(yǎng)護(hù)箱里養(yǎng)護(hù)(素土試樣無(wú)需養(yǎng)護(hù))，待到一定的齡期后取出做無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線

對(duì)素土試樣(無(wú)需養(yǎng)護(hù))和設(shè)計(jì)的摻入不同膠凝材料比例的試樣(養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果繪制7個(gè)方案不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線，如圖1～圖7所示，其中素土土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.32 MPa。

2.2 結(jié)果分析與思考

由圖1～圖7可知，養(yǎng)護(hù)齡期7 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)的80%左右，養(yǎng)護(hù)齡期14 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí) 的90%左右，可見(jiàn)養(yǎng)護(hù)齡期14 d時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)接近養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的數(shù)值，說(shuō)明膠結(jié)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大趨勢(shì)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小。這是由于水泥、石灰、粉煤灰在前期水化作用明顯，反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物較多，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，能與水發(fā)生反應(yīng)的礦物質(zhì)會(huì)逐漸減少，生成的水化產(chǎn)物也會(huì)越來(lái)越少。

圖1 方案1土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖2 方案2土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖3 方案3土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖4 方案4土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖5 方案5土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖6 方案6土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

圖7 方案7土樣不同養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

在單摻膠凝材料的情況下，隨水泥、石灰和粉煤灰摻量的增多，膠結(jié)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，其中單摻水泥提高的最明顯，而單摻粉煤灰對(duì)粉質(zhì)黏土的力學(xué)性能提高的不是很明顯，即單摻粉煤灰對(duì)粉質(zhì)黏土的改性效果不是很好。在雙摻膠凝材料的情況下，當(dāng)水泥和石灰在膠結(jié)土中總的比例一定時(shí)，摻入的水泥含量越高，粉質(zhì)黏土改性的效果也就越好；當(dāng)水泥和粉煤灰在膠結(jié)土中總的比例一定時(shí)，摻入的水泥含量越高，粉質(zhì)黏土的改性效果也一樣變得更好；當(dāng)石灰和粉煤灰在膠結(jié)土中總的比例一定時(shí)，摻入石灰的含量越高，粉質(zhì)黏土的改性效果也會(huì)更好一些，但表現(xiàn)的不是很明顯。其中雙摻水泥和石灰的改性效果最好。在三摻膠凝材料的情況下，當(dāng)水泥、石灰和粉煤灰在膠結(jié)土中總的比例一定時(shí)，水泥的摻量越高，粉質(zhì)黏土的改性效果也就越好。這些說(shuō)明水泥對(duì)粉質(zhì)黏土的改性效果影響最大，也就是水泥中能與粉質(zhì)黏土膠結(jié)的礦物質(zhì)最多。

通過(guò)對(duì)比單摻膠凝材料、雙摻膠凝材料和三摻膠凝材料的膠結(jié)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的數(shù)值可知，適當(dāng)?shù)碾p摻膠凝材料和三摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土改性效果都比單摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土好，適當(dāng)?shù)娜龘侥z凝材料的粉質(zhì)黏土改性效果又會(huì)比雙摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土好，其中改性效果最好的配制方法是雙摻4%水泥和2%石灰，其次是三摻3%水泥、1.5%石灰和1.5%粉煤灰，但粉煤灰價(jià)格相對(duì)較低，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，三摻膠凝材料是改性粉質(zhì)黏土的最佳方案，更具有實(shí)用性。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了不同膠凝材料摻量的粉質(zhì)黏土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的力學(xué)性能，得出的結(jié)論如下：

(1)摻入膠凝材料的粉質(zhì)黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，但增大的速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小。

(2)粉質(zhì)黏土摻入的膠凝材料越多(摻入總量不超過(guò)10%)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。

(3)從實(shí)際工程運(yùn)用角度出發(fā)，適當(dāng)?shù)娜龘侥z凝材料的粉質(zhì)黏土改性效果優(yōu)于雙摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土，適當(dāng)雙摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土改性效果優(yōu)于單摻膠凝材料的粉質(zhì)黏土。摻入3%水泥、1.5%石灰和1.5%粉煤灰是對(duì)粉質(zhì)黏土改性的最佳配制方法。