廢棄泥漿復合膠結材料含水量對無側限抗壓強度的影響

李蘭珍

文章選取南寧地區(qū)的土樣，通過試驗研究了石灰、水泥、膠結劑添加量、材料含水率、壓實度等因素對無機結合穩(wěn)定料抗壓強度的影響。結果表明：水含量決定了膠結劑與石灰水泥的融合度，當材料配合比水的比例為最佳比例時，膠結劑可以充分稀釋，與水泥反應充分，但此時強度并不是最大的，在最佳含水量為94%～98%時強度才達到最大;壓實程度是決定土體無側限抗壓強度的重要因素，壓實度越大，復合膠結材料的強度越大，因此實際施工中應根據(jù)施工要求盡可能提高壓實度。

廢棄泥漿;復合膠結材料;穩(wěn)定材料;抗壓強度;試驗研究

U416.03A080275

0 引言

自20世紀50年代以來，廢棄泥漿復合膠結材料在我國公路行業(yè)逐漸得到了廣泛的應用，由于其是以普通施工用土為基礎，加入了水泥、石灰、膠結劑等廢棄泥漿復合膠結材料，結構和強度遠超一般材料。對廢棄泥漿復合膠結材料進行充分、均勻地攪拌后靜置，可大大提高材料的抗壓強度。因此其作為基層材料廣泛應用于重載交通公路，也稱半剛性基層材料[1-2]。但是從我國重載交通地區(qū)道路工程回訪情況來看，大部分高速公路的使用壽命都達不到預期。應用廢棄泥漿復合膠結材料的初衷是充分發(fā)揮其高強、耐久性，更好地服務于交通事業(yè)，但由于對該材料的抗壓強度分析不夠，導致在公路施工中未充分考慮各方面因素對抗壓強度的影響，在設計上不夠準確。為此，本文選取南寧地區(qū)的土樣，對石灰、水泥、膠結劑添加量、材料含水率、壓實度等因素對廢棄泥漿復合膠結材料抗壓強度的影響進行了試驗研究，并希望通過試驗了解影響廢棄泥漿復合膠結材料抗壓強度的因素和兩者的關系。

1 試驗材料

1.1 試驗材料選擇

廢棄泥漿復合膠結材料是一種人工合成混合建筑材料，因此其結構不同于自然界的天然土質(zhì)，穩(wěn)定性更強。通常廢棄泥漿復合膠結材料的制備需要具備松散的土質(zhì)條件，或者將材質(zhì)較硬密度較大的土進行粉碎，并加入適當配合比的石灰、水泥和其他工業(yè)廢料進行攪拌壓實，這樣得到的土質(zhì)強度比較大，穩(wěn)定性更高，凝固性也更優(yōu)越。廢棄泥漿復合膠結材料的使用范圍廣泛，根據(jù)不同的用途，可以適當調(diào)整添加物來使材料具備不同的功用性能。本文所研究的主要為添加石灰和水泥的廢棄泥漿復合膠結材料[3-5]。本次試驗土壤原料采用南寧市某土場，取土地點為地表深度2.5 m范圍內(nèi)。通過對照半剛性基層材料中對南寧地區(qū)土樣的一般試驗數(shù)據(jù)結果：液限 40.5%，塑限 24%，塑性指數(shù)15.5。

同時對南寧市地鐵1號線與2號線交匯點進行取樣，取樣地點為距地表2 m處，經(jīng)過試驗分析，得到結果為：液限40.2%，塑限21.8%，塑性指數(shù)15.6;同時參照南寧地區(qū)石灰、水泥復合膠結材料配合比中對南寧方特樂園附近采集的土樣進行數(shù)據(jù)分析，結果為：液限40.24%，塑限23.35%，塑性指數(shù)117.68[6-7]。

水泥在穩(wěn)定材料中起主要填充作用，材料選取除了要符合國家規(guī)定的技術指標外還要結合相應的使用場景選用合適的水泥灰號，考慮到試驗要求，應盡量避免使用快速填充水泥，凝固時間最小應為6 h，本文選用強度等級較低的32.5級水泥，避免因為水泥顆粒細小發(fā)生形變影響試驗結果，此外還需注意不可選用變質(zhì)受潮的水泥。本文選用錦州水泥廠生產(chǎn)的420號水泥[8-9]。

石灰在穩(wěn)定材料中可以起到一定的輔助填充作用。由于石灰量少，因此對石灰質(zhì)量等級要求較高，以確保石灰中氧化鈣和氧化鎂的含量能有效地對穩(wěn)定材料進行填充處理，本文選用三級以上的生石灰作為穩(wěn)定材料的添加劑。試驗采用過篩的辦法對石灰進行除渣處理，剔除雜質(zhì)。此外還要求石灰的存放時間不能超過一個月，注意密封保存，防止受潮和變質(zhì)對檢驗結果造成影響。

1.2 試驗材料最佳配合比的確定

先確定最佳材料配合比，研究膠結劑、石灰、水泥等物料的加入量、壓實程度、含水率與無側限抗壓強度的關系。根據(jù)膠結劑生產(chǎn)廠家的建議，膠結劑可與石灰類物質(zhì)混合或與水泥類材料混合，對膠結劑與水泥的配合比有多種，選取其中19種進行試驗。在水泥類中選取2%、3%、4%、5%、6%、7%六種配合比，石灰類選用3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八種配合比，膠結劑選用0.18%、0.20%、0.22%、0.25%、0.28%、0.30%、0.32%、0.35%、0.38%九種配合比，分別組合配合比見表1。

根據(jù)各混合穩(wěn)定料的最優(yōu)含水率和最大干密度，用表5中列出的每一組配合比計算出樣品的質(zhì)量合格成分含量并制備好樣件后，測試一周無側限抗壓強度，并用這一指標作為各配合比填充效果的檢驗標準。在試驗土樣中加入土壤膠結劑后，除水泥為2%的這組配合比外，所有復合膠結材料的抗壓強度都有顯著的提高?？傮w上，石灰組復合膠結材料樣件的強度較水泥組高。石灰組樣件中，只有配合比為3%石灰加0.20%膠結劑的樣件強度為0.8 MPa，未達到理想強度1 MPa以上，其他組樣件表現(xiàn)穩(wěn)定。水泥組樣件中，只有配合比為5%水泥和6%水泥的兩組強度較高，其余樣件的強度都低于石灰組，相較于添加水泥的填充土樣件，添加石灰的填充土樣件穩(wěn)定性更好。所有樣件在經(jīng)過（6+1） d的養(yǎng)生和晾干后，石灰組填充土樣件中，只有配合比為3%石灰加0.25%膠結劑的樣件由于強度不夠，出現(xiàn)輕微破損，其余均保持完整。水泥組樣件中，只有配合比為5%和6%水泥添加量的四組樣件保持完整，其余均出現(xiàn)不同大小的破損，尤其配合比為2%和3%的水泥添加量的填充土樣件破損程度最大。

綜合考慮成本等問題，由于水泥價格要遠遠高于石灰，所以采用石灰組樣件作為試驗對象。樣件選用方面，石灰含量為3%的樣件強度不夠，不選用;含量為7%的樣件雖然石灰含量增加，但是強度增加不明顯;5%石灰含量的樣件中，三組配合比的強度滿足要求，容器穩(wěn)定性更好，偏差系數(shù)低。所以選用石灰含量為5%、膠結劑含量為0.25%的配合比作為最佳配合比。并以此配合比來制備試驗材料。

2 試驗設計

由于目前并沒有針對復合膠結材料抗壓強度的試驗流程規(guī)范，所以本文依照目前主流的無機結合穩(wěn)定料填充土無側限抗壓強度實驗參考規(guī)范來完成整個試驗設計。具體方法流程如下：

2.1 材料制備

對上述土樣進行高溫干燥處理，然后用錘子等工具搗碎，使其變松，最后過篩，除去雜質(zhì)，得到比較純凈的原土，用于實驗。將混合穩(wěn)定劑加入除石灰和土壤的主要成分中，用最優(yōu)含水量和最大干密度計算樣件的重量，再分別計算樣品中的各成分含量。

每個樣件所需混合穩(wěn)定材料的重量計算公式為：

M1=pdv（1+ω）（1）

式中：v——樣件模具體積;

pd——復合膠結材料的密度;

ω——含水率。

每組制備6個樣件，并稱取3個樣件所需的土、石灰或水泥用量，將原土平鋪在鐵板上，加水攪拌均勻，當含水量達到最佳含水量時，用塑料薄膜包裹密封24 h。

2.2 樣件成型

樣品的制備和成型有靜壓和錘擊兩種方法，本試驗采用靜壓的方法，尺寸為100 mm×100 mm，壓實度為100%。將膠結劑、水泥、石灰按不同比例加入原土，均勻混合。把攪拌好的材料放入模子中，用壓板輕輕壓實，然后把材料放入框架內(nèi)，再放在千斤頂上，壓緊壓板直到壓入壓實試模，保持壓力1 min，然后在脫模器上頂出樣件，對樣件稱重并測量樣件高度，精確到0.1 mm。

2.3 試件養(yǎng)生

將樣件稱重測量后，用塑料膜包裹密封，借助養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護處理，為保持恒溫恒濕養(yǎng)護環(huán)境，應用實驗室養(yǎng)生箱，設置恒溫20 ℃±2 ℃、恒濕 95%±1%環(huán)境，對試件進行為期7 d的養(yǎng)生，第7天要將試件浸泡處理。在養(yǎng)生過程中無法避免樣件的質(zhì)量損失，應保證質(zhì)量損失控制在以下范圍內(nèi)：小樣件質(zhì)量損失<2 g，中樣件質(zhì)量損失≤5 g，大樣件質(zhì)量損失≤8 g，如果質(zhì)量損失超出控制范圍，視為無效樣件。

2.4 抗壓強度測量

將7 d養(yǎng)生后的樣件用吸水布或吸水紙吸去表面的水，對樣件稱重，測量樣件高度，精度為0.1 mm。進行抗壓試驗時，將樣件平整放置于平臺上，控制設備壓力值，使試驗樣件的形變速率保持在1 mm/min，并勻速增加。讀取并記錄樣件破壞時的最大壓力P，測量樣件的橫截面積A和直徑D，可通過公式計算得到無側限抗壓強度，計算公式如下：

Rc=P/A（2）

A=1/4·πD2（3）

3 無側限抗壓強度試驗分析

3.1 膠結劑摻量與抗壓強度的關系

選擇膠結劑添加量為0.25%、0.3%、0.35%的三種配合比，另外選取0.2%、0.38%兩種添加量作為參照組，分別進行7 d無側限抗壓強度試驗，考察了膠結劑添加量對抗壓強度的影響，試驗結果如圖1所示。

從圖1可知，土壤膠結劑對復合膠結材料的抗壓強度有很大的提高，但當土體含量達到臨界值0.3%時，增加膠結劑含量并不會增加其抗壓強度，而是明顯減弱。在上述試驗中對參考組配合比中石灰摻量為3%和7%的兩組復合膠結材料進行對比，得到了膠結劑摻量與無側限抗壓強度的關系。如圖2所示。

從圖2中可知，對于石灰添加量為3%和7%的復合膠結材料，膠結劑添加量與強度的關系為先增加后減弱關系。石灰添加量為3%的復合膠結材料無側限抗壓強度與膠結劑添加量的關系，與石灰添加量為7%的復合膠結材料基本相同，強度最大值對應的膠結劑添加量約為0.22%，這與石灰添加量為4%、8%的復合膠結材料也基本相同。由此可以看出，膠結劑摻量對復合膠結材料強度的影響在具體應用中難以確定，應嚴格按照試驗數(shù)據(jù)進行確定，以保證材料的最大值。

3.2 石灰摻量與抗壓強度的關系

在每一組不同膠結劑添加量配合比下，不同的石灰添加量導致強度的變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3可知，石灰在7 d無側限抗壓強度試驗和20 d無側限抗壓強度試驗中，其添加量與強度之間的關系與石灰穩(wěn)定材料的最佳配合比情況相似，均存在最優(yōu)配合比，且隨著時間的推移，當石灰加入量達到6%時，強度明顯提高，石灰用量與強度的關系將持續(xù)增加。同時，對對照組膠結劑摻量為0.28%的填充土也進行了石灰摻量對抗壓強度的影響試驗，試驗結果如圖4所示。

如圖4所示，膠結劑摻量為0.25%的填充土與膠結劑摻量為0.28%、0.32%的復合膠結材料的無側限抗壓強度變化規(guī)律相似，均會隨著石灰摻量的增加而迅速增加。所以在實際施工中，應嚴格控制石灰用量，不得超過1%。

3.3 含水量對抗壓強度的影響

在石灰質(zhì)材料中，水是一種重要的組分，在粉碎、攪拌、壓實等過程中都起著重要作用。制備5種不同含水量的樣品，通過測試7 d無側限抗壓強度，研究含水量與強度的關系，試驗結果如圖5所示。

從圖5可知，強度隨著含水量的增加而出現(xiàn)短暫的增加，但當含水量為9%時，達到最大強度，繼續(xù)增加含水量強度反而迅速減弱。最佳含水量為12.8%時，抗壓強度約為1.623 MPa，并不是最大強度值。所以對于該類復合膠結材料來說，在最佳含水量的94%～98%范圍內(nèi)，其抗壓強度才達到最大。在實際施工過程中，復合膠結材料的含水量要嚴格控制，以保證復合膠結材料的高強度。

3.4 壓實度對抗壓強度的影響

添加膠結劑的復合膠結材料也需要經(jīng)過壓實處理，才能達到一定的硬度，而壓實是一種直接影響復合膠結材料強度的土體加固方法，以石灰5%、膠結劑0.25%為例，分析其與膠結劑之間的關系。選用5個中壓實度樣品，對壓實度與填充土抗壓強度的關系進行分析，其壓實度分別為92%、94%、96%、97%、100%。如圖6所示。

由圖6可知，無側限抗壓強度隨著壓實度的增加呈現(xiàn)線性增大的趨勢。壓實度在93%時，抗壓強度為1.18 MPa，壓實度在100%時，抗壓強度為2.623 MPa，可以計算得出壓實度每變化1%，無側限抗壓強度約變化3.5%左右。該結果為實驗室結果，在實際施工過程中很難達到100%壓實度，所以在施工過程中要按相應的規(guī)范要求來制備物件，以保證其具有一定的壓實強度。

4 結語

選擇合適的材料對結果有很大的影響，本文在選擇實驗材料時，充分考慮了材料的代表性，通過與南寧石灰水泥復合膠結材料的規(guī)范指標對比，確定了可供使用的土樣，并通過土樣配合比分析，確定了廢棄泥漿復合膠結材料的最佳配合比，將其作為制備實驗復合膠結材料的標準。本文研究了石灰、水泥和膠結劑對無側限抗壓強度的影響，得出了以下試驗結論：

（1）復合膠結材料的無側限抗壓強度隨著膠結劑添加量的增加而增大，但是當達到臨界值時，膠結劑添加越多反而造成復合膠結材料的強度下降，所以在實際施工時要嚴格按照實驗結果控制膠結劑的添加量。

（2）復合膠結材料的無側限抗壓強度隨著石灰添加量的增大而增大，當添加量達到臨界值時，復合膠結材料的強度反而會減弱，所以實際施工時要嚴格控制石灰添加量。筆者只對無機結合穩(wěn)定料的無側限抗壓強度實驗進行簡單的研究，文中仍然存在很多不足之處，比如土壤膠結劑與廢棄泥漿復合膠結材料的針對性和兼容性等問題都是影響強度的原因，希望能夠為廣大學者日后研究提供思考。

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