石灰粉煤灰水泥穩(wěn)定黃土的力學性能研究

劉雄美

(中鐵二十一局集團第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000)

1 引言

黃土主要分布在中亞、東亞、美國中西部[1]，天然狀態(tài)的黃土穩(wěn)定性好、強度較高，但遇水后黃土會出現較大的變形和強度的降低，因此，工程中經常采用無機結合材料穩(wěn)定黃土提高其強度和穩(wěn)定性[2－5]。黃土中添加石灰具有施工簡單、成本低的優(yōu)點，是最常用的穩(wěn)定方法之一[6]686，但石灰穩(wěn)定黃土形成膠結物的速度慢、早期強度較低[7]。

硫鋁酸鹽水泥具有快硬早強、環(huán)境適應性廣的特點[8]620，但成本較高；粉煤灰穩(wěn)定黃土不但穩(wěn)定性好、強度較高及收縮小[9－10]，而且可以做到廢物的二次利用。為減少硫鋁酸鹽水泥的使用量降低成本，采用石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土，穩(wěn)定材料中粉煤灰的主要成分二氧化硅、氧化鋁在石灰提供的堿性環(huán)境下能較快地發(fā)生水化反應[11]3301，硫鋁酸鹽水泥作為快硬早強水泥為穩(wěn)定黃土提供早期強度、減少養(yǎng)護時間。因此石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土適用于對早期強度要求較高的路面基層或黃土地基的處理工程中。

硫鋁酸鹽水泥作為一種新型固化材料，國內外尚未見到采用石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土的相關研究成果，本文選取4種不同配合比的石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土作為試驗土樣，通過標準擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，研究無機結合材料摻量、養(yǎng)護齡期對石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土力學性能的影響規(guī)律，研究成果為穩(wěn)定黃土提供了一種新方法，并為黃土地區(qū)的設計施工提供指導。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗所用黃土取自蘭州市城關區(qū)一建筑基坑，將黃土烘干、碾碎、過0.5 mm孔徑的標準篩；用比重瓶法測得黃土的比重為2.71，用液塑限聯合儀測得黃土的液限27.8%、塑限12.4%，用直剪儀測得黃土的內摩擦角23.5°、粘聚力12.56 kPa。熟石灰、粉煤灰及硫鋁酸鹽水泥購自山東恒旺集團有限公司，熟石灰、粉煤灰及硫鋁酸鹽水泥的比重分別為2.49、2.28、3.15，利用X 衍射測得粉煤灰、熟石灰、硫鋁酸鹽水泥的化學成分如表1、表2、表3所示。

表1 粉煤灰的化學成分

表2 熟石灰的化學成分

表3 硫鋁酸鹽水泥的化學成分

2.2 配合比設計

無機結合材料穩(wěn)定黃土用作路面基層時為達到路面強度的要求，穩(wěn)定材料數量占穩(wěn)定黃土總質量的20%～30%，其中石灰和粉煤灰的質量比為1∶1～1∶4[12－13]。為減少試驗工作量配合比設計中穩(wěn)定材料的數量取穩(wěn)定黃土總質量的20%和30%，石灰和粉煤灰的質量比取1∶2，硫鋁酸鹽水泥的質量分別取穩(wěn)定黃土總質量的1%和5%，具體配合比見表4，不同配合比穩(wěn)定黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度由重型標準擊實試驗所得。

表4 配合比

2.3 試驗方法

2.3.1 試樣的制備

試樣制作時采用內徑61.8 mm、高125 mm的中空圓柱形金屬模具，采用靜壓法壓實試樣。試樣制作前先計算制作1個試樣時所需混合物的質量，再按照表4的配合比計算制備一個試樣所需石灰、粉煤灰、硫鋁酸鹽水泥、黃土和水的質量并稱量，然后將所稱量的黃土和石灰倒入攪拌鍋中并攪拌均勻，接著加入去離子水攪拌均勻，將攪拌均勻的石灰和黃土混合物放入密封的塑料袋中，24 h后在混合物中加入預定質量的粉煤灰和硫鋁酸鹽水泥，并攪拌均勻；接著把穩(wěn)定黃土分為5份，依次往模具中倒入每份混合物、壓實每層混合物。最后，將制作完成的試樣放入(20±2)℃、相對濕度95%以上的養(yǎng)護箱中按照預定齡期養(yǎng)護(1 d、7 d、28 d)。

2.3.2 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度試驗中以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試樣破壞，由式(1)計算穩(wěn)定黃土試樣的無側限抗壓強度(UCS)，為減小試驗誤差，每個配合比制備6個試樣，6個試樣的UCS值不超過平均值的10%時以這6個試樣UCS的平均值為該配合比穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度值。

式中，P為試樣破壞時施加的荷載；d為試樣的直徑，d＝61.8 mm。

3 結果與討論

3.1 標準擊實試驗

采用重型標準擊實試驗得不同配合比穩(wěn)定黃土的干密度與含水率之間的關系如圖1所示，由圖可得每組配合比穩(wěn)定黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率如表4所示。由圖1可知，隨著無機結合材料摻量的增加最優(yōu)含水率逐漸增大、最大干密度減?。辉跓o機結合材料摻量一定的條件下，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加最優(yōu)含水率和最大干密度同時增大。

圖1 穩(wěn)定黃土的擊實曲線

3.2 養(yǎng)護齡期對無側限抗壓強度的影響

不同配合比穩(wěn)定黃土的UCS與養(yǎng)護齡期之間的關系如圖2所示，由圖2可知UCS隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，且前期強度增長速度慢(1～7 d)，后期強度增長速度變快。這主要是因為前期強度主要是硫鋁酸鹽水泥提供，但水泥的摻量相對較少，因而前期強度較低；后期強度增長變快，主要是粉煤灰和石灰綜合穩(wěn)定黃土的膠結效果。

圖2 養(yǎng)護齡期對穩(wěn)定黃土無側限抗壓強度的影響

3.3 無機結合材料摻量對無側限抗壓強度的影響

不同配合比穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度如圖3所示。由圖3可知同一養(yǎng)護齡期穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度隨無機結合材料摻量的增加而增大，這由于無機結合材料摻量越多有更多的膠凝材料與水或空氣中的CO2發(fā)生反應，從而形成更多的膠結物提高穩(wěn)定黃土的強度；當無機結合材料摻量相同時，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加穩(wěn)定黃土無側限抗壓強度增大，這說明硫鋁酸鹽水泥相比石灰和粉煤灰能更有效地提高穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度，這與Laure的研究結果一致[8]624－625。

圖3 無機結合材料摻量對穩(wěn)定黃土無側限抗壓強度的影響

3.4 穩(wěn)定黃土無側限抗壓強度數據的回歸擬合

孔隙率是影響穩(wěn)定黃土無側限抗壓強度的主要因素之一[11]3303，利用前人建立的穩(wěn)定土體孔隙率計算公式(式(2))[6]695，[14]，可知孔隙率和黃土的數量、硫鋁酸鹽水泥、石灰、粉煤灰的體積摻量、無機結合材料的比重以及混合物的最大干密度、試樣的體積有關。

式中，VS為試樣的體積，取值375 mm3；ρd為試樣的最大干密度；L0為黃土的含量；F為粉煤灰的體積摻量；L為石灰的體積摻量；C為硫鋁酸鹽水泥的體積摻量；GsL0為黃土的比重，取2.71；GF為粉煤灰的比重，取2.89；GL為石灰的比重，取2.49；GC為硫鋁酸鹽水泥的比重，取3.15；η為孔隙率。

根據無側限抗壓強度試驗結果進行數據回歸擬合建立養(yǎng)護齡期1 d、7 d、28 d時穩(wěn)定黃土的UCS擬合曲線如圖4～圖6所示；和養(yǎng)護齡期相關的擬合回歸結果如圖7所示，擬合回歸系數A如式(3)所示，擬合所得UCS如式(4)所示。

圖4 養(yǎng)護1 d穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度擬合結果

圖5 養(yǎng)護7 d穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度擬合結果

圖6 養(yǎng)護28 d穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度擬合結果

圖7 與養(yǎng)護齡期相關的無側限抗壓強度回歸系數A

式中，t為穩(wěn)定黃土試樣的養(yǎng)護齡期；Cv為硫鋁酸鹽水泥的體積摻量；Lv為無機結合材料總的體積摻量。

4 結論

本文開展了石灰－粉煤灰－硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定黃土試樣的擊實試驗和無側限抗壓強度試驗，研究了無機結合材料摻量和養(yǎng)護齡期對黃土的穩(wěn)定效果。主要結論如下:

(1)隨無機結合材料摻量的增加，穩(wěn)定黃土最優(yōu)含水率逐漸增大，最大干密度減小。

(2)無機結合材料摻量固定時，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加穩(wěn)定黃土的最優(yōu)含水率和最大干密度均增大。

(3)綜合穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度隨無機結合材料摻量的增加而增大，隨養(yǎng)護齡期的發(fā)展總體上不斷增長，前期無側限抗壓強度增長速度慢、后期增長速度變快。

(4)通過對無側限抗壓強度數據的擬合回歸，建立了穩(wěn)定黃土的無側限抗壓強度與孔隙率、硫鋁酸鹽水泥體積含量、無機結合材料體積含量的關系，建立的擬合關系為工程設計施工提供借鑒。