不同土質(zhì)水泥土力學(xué)特性的影響因素研究

高鵬飛，胡建林，崔宏環(huán)，閆 利，楊 健

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 河北 張家口 075000；2.山東水總有限公司， 山東 濟(jì)南 250014)

河北西北部地區(qū)存在大量的風(fēng)積沙和粉質(zhì)黏土。由于風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配不良、工程性質(zhì)較差[1]，粉質(zhì)黏土在遇水后毛細(xì)現(xiàn)象明顯且物理化學(xué)性質(zhì)容易發(fā)生改變，兩種土質(zhì)的力學(xué)性能通常不能滿足路面對(duì)基層材料的要求。為此，工程上需要對(duì)兩種土質(zhì)進(jìn)行改良。目前比較經(jīng)濟(jì)有效的改良方法是在素土中摻入水泥，使之改良為水泥土。張本蛟等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，探究了水泥配比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水泥土芯樣的抗壓強(qiáng)度及變形模量隨水泥配比的增加而增加。薛慧君等[3]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析了水泥配比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等條件對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，提出了水泥配比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間與抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)水泥土變形模量進(jìn)行分析，得出了變形模量與抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。吳家琦等[4]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，探究了水泥配比、齡期及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，指出養(yǎng)護(hù)齡期及水泥配比都和抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)。汪海鷗等[5]針對(duì)某地區(qū)粉質(zhì)黏土做了一系列無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在一定水泥配比內(nèi)，水泥土的強(qiáng)度會(huì)隨著水泥配比的增大而增大，并且提出水泥土的最佳養(yǎng)護(hù)齡期為28 d。周海龍等[6]對(duì)水泥土進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析了不同水泥配比及不同齡期下水泥土的強(qiáng)度規(guī)律，并擬合出了其應(yīng)力應(yīng)變曲線的參數(shù)公式。胡建林等[7]對(duì)纖維水泥土做了一系列強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)得出在水泥土中加入纖維可以提高水泥土的韌性。在水泥土強(qiáng)度影響因素的研究中，人們通常只關(guān)注水泥配比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，但在實(shí)際工程中很容易證明，當(dāng)水泥配比相同時(shí)，含水率也會(huì)顯著影響水泥土的抗壓強(qiáng)度。例如周?chē)?guó)鈞等[8]通過(guò)在黏土中摻入水泥粉、水泥漿2種固化劑進(jìn)行了一系列抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：加入水泥粉的水泥土試樣強(qiáng)度比加入水泥漿水泥土試樣強(qiáng)度高2～3倍。賈堅(jiān)等[9]通過(guò)飽和軟土水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析了含水率與水泥土之間抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，并提出在相同水泥配比的前提下，可以通過(guò)控制含水率的方法來(lái)提高水泥土的抗壓強(qiáng)度。儲(chǔ)誠(chéng)富等[10]通過(guò)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析了含水量及水泥配比對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，并提出可以用似水灰比來(lái)預(yù)測(cè)水泥土強(qiáng)度。張培云[11]指出含水率對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性有重要影響，并通過(guò)論述路基土中含水率的影響機(jī)理，得出可以采用不同的施工方法來(lái)控制不同土質(zhì)的含水率，以達(dá)到最大壓實(shí)度。

由于冀西北地區(qū)土質(zhì)種類(lèi)多，條件復(fù)雜，因此有必要對(duì)改良后的水泥土進(jìn)行力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究。為此，本文選擇冀西北地區(qū)廣泛分布的風(fēng)積沙及粉質(zhì)黏土兩種土樣改良為水泥土，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析水泥配比及含水率對(duì)水泥土強(qiáng)度特性的影響，并通過(guò)水泥土的變形模量，進(jìn)一步分析兩種水泥土的變形特征，為工程提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)共選用兩種土樣：土樣1取自張家口市某施工現(xiàn)場(chǎng)粉質(zhì)黏土。土樣2取自張家口市某建設(shè)場(chǎng)地風(fēng)積沙。兩種土樣的基本物理性質(zhì)及顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)表1、圖1。

表1 試驗(yàn)所用土樣的物理性質(zhì)

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

在粉質(zhì)黏土和風(fēng)積沙中摻入質(zhì)量比為11%、14%、17%、20%的水泥(用Aw表示)，改良為不同土質(zhì)的水泥土。通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)獲得兩種素土的最優(yōu)含水率為12%，以最優(yōu)含水率為基準(zhǔn)上下浮動(dòng)2%，確定兩種水泥土的含水率為8%、10%、12%、14%、16%。實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。其中，每個(gè)配比制做9個(gè)平行樣，測(cè)試結(jié)果取9個(gè)試樣的平均值。

1.3 試件制備

本次試驗(yàn)參考《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[12](JTG E51—2009)的相關(guān)內(nèi)容來(lái)進(jìn)行水泥土試件的制作。壓實(shí)度及齡期參考《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[13](JTG/T F20—2015)選取壓實(shí)度為95%，齡期為28 d，具體步驟如下：

(1) 取不同土樣，其中粉質(zhì)黏土過(guò)2 mm篩，風(fēng)積沙過(guò)5 mm篩。

(2) 根據(jù)不同水泥配比、含水率以及參考的壓實(shí)度，稱(chēng)量所需要的水、水泥及素土，配制水泥土混合料，并攪拌均勻。

(3) 將水泥土分兩層放入圓柱型模具中，通過(guò)搗棒振搗后，在壓力機(jī)上以1 mm/min的速度靜壓成型。水泥土試件直徑100 mm，高100 mm。

(4) 成型后靜置4 h，之后用液壓脫模機(jī)將水泥土試件脫出，置入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

(5) 養(yǎng)護(hù)至齡期后，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。加載速度為1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

對(duì)完成養(yǎng)護(hù)的水泥土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，兩種水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均出現(xiàn)典型的峰值強(qiáng)度特征，兩種水泥土在不同含水率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨勢(shì)基本相同，因此列舉了兩種水泥土在含水率16%時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線為代表，如圖2所示。

圖2 水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖2中可以看出:兩種水泥土的應(yīng)力應(yīng)變特征大體相同，均可分為四個(gè)階段，即壓密階段、彈性階段、屈服階段和殘余階段[14]，應(yīng)力應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾又练逯岛笙陆?，具有明顯的峰值應(yīng)力。對(duì)于同一土樣水泥土來(lái)說(shuō)，隨著水泥配比的增加，兩種水泥的應(yīng)力上升段斜率均有明顯增加，峰值應(yīng)力也顯著增大。但風(fēng)積沙水泥土到達(dá)應(yīng)力峰值后會(huì)隨著應(yīng)變的增加而快速下降，最終殘余強(qiáng)度較低，具有明顯的脆性破壞特征，而粉質(zhì)黏土水泥土在進(jìn)入塑性階段后，其應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加下降緩慢，并且在到達(dá)一定應(yīng)變后逐漸趨于平緩，殘余應(yīng)力較高。對(duì)比圖2兩種不同水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以得出，風(fēng)積沙水泥土在不同水泥配比下的峰值應(yīng)力明顯高于粉質(zhì)黏土水泥土，但其到達(dá)應(yīng)力峰值時(shí)的應(yīng)變較大，并且風(fēng)積沙水泥土的脆性特征表現(xiàn)的十分明顯。

為探究水泥配比和含水率對(duì)兩種水泥土峰值應(yīng)力的影響，取水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)作為水泥土的峰值強(qiáng)度，其值如表2所示。由表2可以看出在相同水泥配比和含水率的情況下，風(fēng)積沙水泥土的峰值強(qiáng)度均大于粉質(zhì)黏土水泥土，這是由于風(fēng)積沙水泥土中存在大量的砂顆粒，砂顆粒本身較硬且相互摩擦力大等特點(diǎn)使得其強(qiáng)度高于粉質(zhì)黏土水泥土。

表2 水泥土峰值強(qiáng)度

2.2 水泥配比對(duì)水泥土峰值強(qiáng)度的影響

在水泥土中，水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠等會(huì)與土顆粒發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)土體的強(qiáng)度。Uddin[15]將水泥配比劃分為3個(gè)區(qū)域：即誘導(dǎo)區(qū)、反應(yīng)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)水泥配比處于反應(yīng)區(qū)時(shí)，水泥土強(qiáng)度迅速增加，其強(qiáng)度增長(zhǎng)率也會(huì)隨著水泥配比的增加而增加。為此，可以用強(qiáng)度增長(zhǎng)率來(lái)表征水泥配比的三個(gè)區(qū)域，即水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨水泥配比增加時(shí)，水泥土進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。由圖3及表3可以看出，兩種水泥土的強(qiáng)度都會(huì)隨著水泥配比的增大而增大，但其強(qiáng)度增長(zhǎng)率有明顯區(qū)別。在任意含水率下，風(fēng)積沙水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率會(huì)隨著水泥配比的增大而增大，而粉質(zhì)黏土水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率會(huì)隨著水泥配比的增大呈下降趨勢(shì)，例如，通過(guò)表3可以看出在含水率12%條件下，風(fēng)積沙水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率為13%、31%、89%，而粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率為117%、36%、17%。因此，可以判斷粉質(zhì)黏土水泥土比風(fēng)積沙水泥土率先進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，而提前到達(dá)穩(wěn)定區(qū)，即兩種水泥土對(duì)水泥配比的敏感性不同。

圖3 水泥土峰值強(qiáng)度隨水泥配比的變化

表3 水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率

為探究?jī)煞N水泥土峰值強(qiáng)度隨水泥配比的變化規(guī)律，對(duì)不同含水率下峰值強(qiáng)度隨水泥配比變化曲線進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示。可以看出，風(fēng)積沙水泥土強(qiáng)度隨水泥配比的關(guān)系曲線近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，粉質(zhì)黏土水泥土的強(qiáng)度隨水泥配比的關(guān)系曲線可用對(duì)數(shù)函數(shù)表示，表示函數(shù)如下：

y1=aebx

(1)

y2=clnx+d

(2)

式(1)為風(fēng)積沙水泥土強(qiáng)度與水泥配比的擬合公式；式(2)為粉質(zhì)黏土水泥土強(qiáng)度與水泥配比的擬合公式，x,y分別為水泥配比和峰值強(qiáng)度，a,b,c,d為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，與水泥土的含水率有關(guān)，其值匯總于表4。

圖4 水泥土峰值強(qiáng)度擬合曲線

表4 水泥土強(qiáng)度與水泥配比擬合公式的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3 含水率對(duì)水泥土峰值強(qiáng)度的影響

圖5為風(fēng)積沙水泥土和粉質(zhì)黏土水泥土強(qiáng)度隨含水率的變化曲線，由圖可知，在相同土樣水泥土中，不同水泥配比的強(qiáng)度-含水率曲線基本相同。隨著含水率的增加，風(fēng)積沙水泥土的峰值強(qiáng)度會(huì)先增加后減少，在含水率12%時(shí)達(dá)到最大值，而粉質(zhì)黏土水泥土的峰值強(qiáng)度會(huì)隨含水率的增加先趨于穩(wěn)定，之后迅速減小，在含水率8%時(shí)達(dá)到最大值。兩種水泥土的峰值強(qiáng)度在含水率超過(guò)12%后，均表現(xiàn)為明顯下降。對(duì)比不同配比下的水泥土，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度差值在含水率16%時(shí)最小，例如，粉質(zhì)黏土水泥土在水泥配比17%到20%之間的峰值強(qiáng)度僅相差0.17 MPa。這是因?yàn)樵诟吆蕳l件下，過(guò)多的水分子會(huì)對(duì)水泥-土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“潤(rùn)滑”作用，進(jìn)而破壞水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)，導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度逐漸降低。總的來(lái)說(shuō)，兩種水泥土都存在一個(gè)最優(yōu)含水率使水泥土的強(qiáng)度達(dá)到最大，超過(guò)最優(yōu)含水率后強(qiáng)度驟減。

圖5 水泥土峰值強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系

2.4 水泥土變形模量分析

水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線為非線性曲線，其變形模量不是一個(gè)數(shù)值，因此常常使用變形模量E50來(lái)表征水泥土材料抵抗變形的能力，E50越大表明材料的脆性和結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，其定義為[16]：

(3)

其中：σf為的材料峰值應(yīng)力；ε0.5為材料峰值應(yīng)力的0.5倍對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。其值可從水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線獲取。

圖6給出了風(fēng)積沙水泥土和粉質(zhì)黏土水泥土變形模量與水泥配比的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，隨著水泥配比的增大，兩種水泥土的變形模量都逐漸增大，但其增加幅度不同。風(fēng)積沙水泥土的變形模量增長(zhǎng)趨勢(shì)可視為指數(shù)型增長(zhǎng)，在水泥配比17%到20%時(shí)變形模量增幅最大，而粉質(zhì)黏土水泥土的變形模量可視為對(duì)數(shù)型增長(zhǎng)，在水泥配比11%到14%時(shí)變形模量增幅最大。由此可見(jiàn)水泥配比能顯著影響水泥土的脆性和結(jié)構(gòu)性。

圖6 水泥土變形模量E50與水泥配比Aw的關(guān)系

對(duì)比水泥土的變形模量-水泥配比關(guān)系曲線和峰值強(qiáng)度-水泥配比關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)兩種曲線趨勢(shì)基本一致。由此得出變形模量E50與qu存在一次函數(shù)關(guān)系。為此，列舉了兩種水泥土在不同含水率和不同水泥配比下的E50及qu值如表5、表6所示。

表5 風(fēng)積沙水泥土E50與qu關(guān)系表

從表中可以看出，在任意情況下，兩種水泥土的變形模量與峰值強(qiáng)度都可視為正比關(guān)系，且E50與qu的比值均在一定范圍之內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，兩種水泥土28 d變形模量與峰值強(qiáng)度的關(guān)系可用下式表示：

E50=(30～40)qu

(4)

其中:qu為水泥土的峰值強(qiáng)度；qu=(0.68～7.55)MPa。

表6 粉質(zhì)黏土水泥土E50與qu關(guān)系表

3 結(jié) 論

本文通過(guò)兩種水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，探究了風(fēng)積沙水泥土和粉質(zhì)黏土水泥土強(qiáng)度及變形特征，得出以下結(jié)論：

(1) 兩種水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾又练逯岛笙陆?，最后達(dá)到破壞。但風(fēng)積沙水泥土的脆性特征表現(xiàn)的更為顯著。

(2) 隨著水泥配比的增加，兩種水泥土的強(qiáng)度都顯著增加，但其強(qiáng)度增長(zhǎng)率有明顯不同，并且風(fēng)積沙水泥土的峰值強(qiáng)度在各種情況下均大于粉質(zhì)黏土水泥土。

(3) 隨著含水率的增加，風(fēng)積沙水泥土的峰值強(qiáng)度會(huì)先增加后減少，而粉質(zhì)黏土水泥土的峰值強(qiáng)度則是先趨于穩(wěn)定，之后迅速減小，兩種水泥土的峰值強(qiáng)度在含水率超過(guò)素土最優(yōu)含水率后，均表現(xiàn)為明顯下降。

(4) 隨著水泥配比的增加，兩種水泥土的變形模量都逐漸增加，但其增加幅度不同。對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為28天的兩種水泥土，可用E50=(30～40)qu來(lái)大致估其算變形模量。