外摻材料對(duì)濱海水泥土壓縮特性的影響研究

田 旭 李 娜,2 姜 屏 方 睿 嚴(yán)浩然

（1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院, 浙江 紹興 312000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071；3.同創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 紹興 312000）

中國(guó)東南濱海地區(qū)存在著大量的軟土,這類(lèi)軟土含水量極高,強(qiáng)度低,工程性質(zhì)差.在實(shí)際工程中,軟土必須經(jīng)人工處理后才可以作為建筑結(jié)構(gòu)的地基.在眾多處理軟土地基的方法中,水泥固化方法是最簡(jiǎn)便的方法之一,將水泥直接加入到軟土中現(xiàn)場(chǎng)拌和,凝結(jié)后形成的水泥土強(qiáng)度明顯提高,抗?jié)B效果良好,因而被廣泛應(yīng)用于大面積濱海軟土的處理中[1-3].

由于環(huán)境的影響和荷載的作用,水泥土可能產(chǎn)生和擴(kuò)展微裂縫,從而導(dǎo)致強(qiáng)度的下降.因此,越來(lái)越多的研究針對(duì)改性水泥土[4-6],通過(guò)加入外摻材料對(duì)水泥土予以改善,以滿足工程要求.目前,研究中常見(jiàn)的改性水泥土主要包括:纖維改性水泥土,粉煤灰改性水泥土,再生砂改性水泥土,納米材料改性水泥土等.其中,纖維材料可以顯著增加水泥土的韌性,使得水泥土整體性更好,粉煤灰等材料可以增加水泥土的強(qiáng)度.蔣志琳等[7]研究了不同玻璃纖維摻量下加筋紅黏土的力學(xué)特性.Wang等[8]將不同摻量的納米氧化鎂拌入水泥土中,解釋了飽和狀態(tài)下納米材料改性水泥土應(yīng)力與應(yīng)變曲線上升段的數(shù)學(xué)特征；董玉萍等[9]將高鈣粉煤灰及激發(fā)劑摻入到水泥土中,發(fā)現(xiàn)水泥土材料的早期強(qiáng)度有明顯的提升.Consoli[10]等對(duì)纖維加筋砂土進(jìn)行了研究,得出纖維在土體中的加固效果隨外摻材料摻量的變化而不同,土體的剛度和脆性均有所提升.

單一的外摻材料一般只能使水泥土的某一性質(zhì)提升,并不能完全滿足工程實(shí)踐的要求.若將一些外摻材料同時(shí)混合加入到水泥土中,理論上可以顯著提升水泥土的多項(xiàng)性質(zhì),以滿足工程要求.本文以濱海水泥土為研究對(duì)象,將纖維作為第一外摻材料,粉煤灰、再生砂、納米黏土為第二外摻材料,對(duì)組合外摻材料改性的濱海水泥土的抗壓性能和韌性進(jìn)行探究,力求對(duì)復(fù)合水泥改性土的工程實(shí)踐起到借鑒作用.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

濱海軟土取自浙江紹興東北部江濱區(qū)域,取土地點(diǎn)北鄰錢(qián)塘江,場(chǎng)地東北側(cè)為杭州灣,其物理力學(xué)指標(biāo)和化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2.外摻材料包括:聚丙烯纖維,粉煤灰,納米黏土和再生砂,主要技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表3～6.外摻材料如圖1所示.

圖1 外摻材料

表1 濱海軟土的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 濱海軟土化學(xué)成分

表3 聚丙烯纖維主要技術(shù)指標(biāo)

表4 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)

表5 納米黏土主要技術(shù)指標(biāo)

表6 再生砂主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合課題組前期研究,試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表7.

表7 固結(jié)壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)

纖維材料對(duì)水泥土的整體性、韌性有較大改善,這是其他外摻材料無(wú)法達(dá)到的效果.因此,纖維材料是獲得高強(qiáng)度、高韌性水泥土的必要條件之一.在摻入纖維材料后再摻入其他材料形成的復(fù)合外摻材料改性水泥土壓縮特性是本文研究的核心問(wèn)題,試驗(yàn)以固結(jié)壓縮試驗(yàn)為主.本次固結(jié)壓縮試驗(yàn)采用全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀,固結(jié)試驗(yàn)按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430-2020)的規(guī)定進(jìn)行,在進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)時(shí)的加載荷壓分別為12.5,25,50,100,200,400,800 kPa,每級(jí)荷載加壓持續(xù)1 h.

1.3 試樣制備方法

在取土場(chǎng)地挖取足夠的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,將土樣放入清水中浸泡48 h,取出后過(guò)篩孔直徑為2 mm 的篩,去除土樣中的大顆粒雜質(zhì).按設(shè)計(jì)的各組試驗(yàn)配合比,將濱海軟土、水泥、其他材料、水依次倒入攪拌機(jī)中,攪拌5 min后再加入纖維,攪拌均勻后倒入各環(huán)刀中,借助小型振動(dòng)臺(tái)將土樣振動(dòng)密實(shí),以保證試樣質(zhì)量.制樣完成后將試樣表面抹平,放入恒溫恒濕箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣（相對(duì)）密度

對(duì)每種各5個(gè)試樣的密度各測(cè)試1次,取其平均值.各組試樣的密度見(jiàn)表8.

表8 試樣密度和相對(duì)密度

2.2 壓縮變形結(jié)果分析

本文在進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)時(shí)的加載荷壓分別為12.5,25,50,100,200,400,800 k Pa,每級(jí)荷載加壓持續(xù)1 h.以7 d齡期下CP 為例,壓縮變形量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示.在每級(jí)荷載加壓持續(xù)時(shí)間內(nèi),壓縮變形量在最后20 min內(nèi)保持不變,試樣變形穩(wěn)定.

圖2 7 d齡期下CP壓縮變形量隨時(shí)間變化曲線

僅加入纖維的改性水泥土作為對(duì)照組,其各齡期條件下壓縮變形曲線如圖3(a)所示.在800 k Pa的豎向壓力下,CP的壓縮變形量從齡期為7 d時(shí)的4.34 mm 減小到齡期為14 d時(shí)的4.06 mm,下降比例為6.45%,從14 d到28 d壓縮變形量下降至3.28 mm,下降比例為19.2%.僅加入纖維條件下,隨著齡期的增加,CP的抗壓縮能力也顯著增長(zhǎng).

圖3 復(fù)合改性水泥土試樣壓縮變形量曲線

纖維和再生砂改性水泥土的壓縮變形曲線如圖3(b)所示.在800 kPa的豎向壓力下,CPS的壓縮變形量從齡期為7 d時(shí)的4.99 mm 增長(zhǎng)到齡期為14 d時(shí)的5.19 mm,增長(zhǎng)比例為4.0%.從14 d到28 d,壓縮變形量增長(zhǎng)至5.41 mm,增長(zhǎng)比例為4.3%.CPS的壓縮變形發(fā)展規(guī)律幾乎不隨齡期的增長(zhǎng)而改變,纖維和再生砂改性水泥土的早期強(qiáng)度基本上決定了該水泥土的實(shí)際強(qiáng)度.

纖維和納米黏土改性水泥土壓縮變形曲線如圖3(c)所示.在800 k Pa的豎向壓力下,CPN 的壓縮變形量從齡期為7 d時(shí)的4.57 mm 減小到齡期為14 d時(shí)的3.22 mm,下降比例為29.5%,從14 d到28 d壓縮變形量減小到3.02 mm,下降比例為6.2%.說(shuō)明CPN 的壓縮變形發(fā)展規(guī)律隨齡期的增長(zhǎng)而逐漸減小,且在齡期為14 d時(shí),壓縮變形量降低的幅度較大,說(shuō)明該水泥土早期強(qiáng)度一般,但隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度值快速增加,抵抗變形能力顯著增強(qiáng).齡期28 d后,試樣在800 kPa荷載作用下產(chǎn)生的壓縮變形量遠(yuǎn)小于同條件下纖維再生砂改性水泥土的壓縮變形量,說(shuō)明纖維和納米黏土復(fù)合改性后的水泥土具有更好的抗壓性能.

纖維和粉煤灰改性水泥土的壓縮變形曲線如圖3(d)所示.纖維和粉煤灰改性水泥土壓縮變形曲線形態(tài)相比纖維和納米黏土改性水泥土所得曲線更為平緩,改性后的水泥土強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律也與纖維和納米黏土改性水泥土相似.在800 kPa的豎向壓力下,CPF的壓縮變形量從齡期為7 d時(shí)的3.83 mm 減小到齡期為14 d時(shí)的2.65 mm,下降比例為30.8%,從14 d到28 d壓縮變形量減小到2.43 mm,下降比例為8.3%.不同點(diǎn)在于,纖維和粉煤灰改性水泥土在各齡期階段呈現(xiàn)的抗壓縮能力均強(qiáng)于纖維和納米改性水泥土,粉煤灰的摻入更有效地填充水泥土內(nèi)部間隙從而提高了土體強(qiáng)度.

在800 kPa的豎向壓力下,不同外摻材料改性水泥土在不同齡期下的壓縮變形量如圖4所示.CPS的壓縮變形量在各齡期均是最大,抗壓縮性能最差.CP、CPN 以及CPF的壓縮變形量隨著齡期的增長(zhǎng)而明顯下降,抗壓縮性能提升顯著.與CP相比,CPN 及CPF的壓縮變形量在短齡期7 d下變化不明顯；在14 d齡期下,CPN 及CPF 的壓縮變形量分別下降了20.7%和33.3%；在28 d齡期下,CPN 及CPF 的壓縮變形量分別下降7.9%和25.9%.因此,CPF 的抗壓縮能力最顯著,粉煤灰和纖維組合改善效果最好.

圖4 復(fù)合改性水泥土試樣最終壓縮變形量

2.3 孔隙比變化分析

各試樣的初始孔隙比按式(1)計(jì)算:

式中:e0為初始孔隙比；h0為試樣的初始高度；Δh為試樣某級(jí)荷載下高度變化量.

僅摻入纖維的改性水泥土的e-P曲線如圖5(a)所示.CP在荷載超過(guò)400 k Pa后,孔隙比減小程度逐漸降低.在800 kPa的豎向壓力下,CP的最終孔隙比在齡期為7 d、14 d及28 d時(shí)分別為1.632、1.600及1.612,變化幅度較小.

將各齡期條件下纖維和再生砂改性水泥土試樣壓縮過(guò)程中孔隙比變化曲線繪于圖5(b)中.CPS的e-P曲線特點(diǎn)是隨著荷載的增加,孔隙比由近似線性減少變?yōu)橹饾u緩慢地減少,各齡期條件下e-P曲線結(jié)果近似.綜合其壓縮曲線結(jié)果,CPS在800 k Pa的豎向壓力下,各齡期孔隙比從1.520左右降低至1.500左右,變化幅度較小.因?yàn)镃PS在所受荷載超過(guò)400 k Pa后,壓縮變形量的變化幅度較之前有所降低.根本原因是再生砂相對(duì)于其他外摻材料具有較大的顆粒粒徑,顆粒間的孔隙較大,但隨著壓縮的進(jìn)行,顆粒間孔隙逐漸變?yōu)轭w粒咬合后剩余孔隙,使得孔隙比在加壓后期變化幅度較小.

纖維和納米黏土改性水泥土試樣e-P曲線如圖5(c)所示.CPN 的e-P曲線隨著齡期的增長(zhǎng)依次呈現(xiàn)凹拋物線分布、近似線性分布及凸拋物線分布,但試驗(yàn)所得最終孔隙比隨齡期的增長(zhǎng)逐漸增加,其中齡期自7 d至14 d中增長(zhǎng)幅度明顯高于齡期14 d至28 d.在800 k Pa的豎向壓力下,CPN 的孔隙比從齡期為7 d時(shí)的1.497增長(zhǎng)到齡期為14 d的1.529,增長(zhǎng)比例為2.1%,從14 d到28 d孔隙比增長(zhǎng)到1.535,增長(zhǎng)比例為0.4%.養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d的CPN 在固結(jié)壓縮后其孔隙比減小值分別為0.264、0.232、0.229,孔隙比變化量隨著齡期增長(zhǎng)而減小.

圖5 復(fù)合改性水泥土試樣e-P 曲線

纖維和粉煤灰改性水泥土的e-P曲線如圖5(d)所示.CPF 的e-P曲線隨齡期的增長(zhǎng)均呈現(xiàn)近似線性的分布規(guī)律,試驗(yàn)所得最終孔隙比隨齡期的增長(zhǎng)逐漸增大.其中齡期自7 d至14 d中增長(zhǎng)幅度明顯高于齡期14 d至28 d,該增長(zhǎng)規(guī)律與CPN 一致.在800 k Pa的豎向壓力下,CPF的孔隙比從齡期為7 d時(shí)的1.548增長(zhǎng)到齡期為14 d 時(shí)的1.585,增長(zhǎng)比例為2.4%,從14 d到28 d孔隙比增加到1.602,增加比例為1.1%.養(yǎng)護(hù)7、14、28 d的CPF在固結(jié)壓縮后其孔隙比減小值分別為0.229、0.195、0.178,孔隙比變化量隨著齡期增長(zhǎng)而減小.

2.4 微觀機(jī)理分析

通過(guò)電鏡儀掃描,7 d齡期下CP、CPN 和CPF放大2000倍的SEM 圖如圖6所示.可以看出CP的微觀結(jié)構(gòu)中小顆粒單元體居多,土體內(nèi)部存在較多的孔隙.土顆粒之間的膠結(jié)程度較差,整體骨架非常松散,密實(shí)程度很差；CPN 的微觀圖像中大小顆粒單元體分布均勻,納米黏土的摻入使得土顆粒之間有較多針狀的水化產(chǎn)物出現(xiàn),有利于提高顆粒單元體之間的膠結(jié)力；CPF 的微觀結(jié)構(gòu)與CPN 相比更為致密,CPF中的小顆粒單元體減少,主要以大顆粒團(tuán)狀分布,并且小顆粒單元體以聯(lián)結(jié)方式依附在大顆粒單元體上,這正體現(xiàn)出粉煤灰的摻入提高了土體的抗壓縮性.

圖6 7 d齡期下復(fù)合改性水泥土的SEM 圖

圖7所示為28 d齡期下CP、CPN 和CPF 放大2 000倍的SEM 圖.隨著齡期的增長(zhǎng),水化反應(yīng)更加完全,CP、CPN 和CPF的微觀結(jié)構(gòu)均變得更加致密.28 d的CP有較多的大顆粒狀單元體出現(xiàn),土體的內(nèi)部孔隙率明顯降低；CPN 土顆粒之間的膠凝物質(zhì)增多,土顆粒被緊緊膠結(jié)在一起.此外納米黏土的比表面積很大,可以吸附Ca2+,加快C3S、C2S、C3A 的水化速度,從而提高強(qiáng)度；粉煤灰能夠促進(jìn)水泥在土中的水化速度且填充孔隙.28 d時(shí),CPF 的大部分孔隙已經(jīng)被膠凝物質(zhì)充填,土顆粒被緊緊膠結(jié)在一起,形成極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)連接,整體結(jié)構(gòu)非常致密.

圖7 28 d齡期下復(fù)合改性水泥土的SEM 圖

3 結(jié) 論

1)纖維和再生砂改性水泥土不能在纖維改性水泥土的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升水泥土的壓縮性能,反而降低了纖維水泥土的抗壓縮能力,因此,在工程實(shí)際中,再生砂或粒徑較大砂類(lèi)材料不宜同時(shí)摻入水泥土中進(jìn)行改性.

2)CP、CPN 以及CPF的抗壓縮性均隨著齡期的增長(zhǎng)而明顯增強(qiáng).在加入纖維的基礎(chǔ)上,繼續(xù)加入納米黏土或粉煤灰均可以進(jìn)一步增強(qiáng)改性水泥土的抗壓縮性.在7、14、28 d 3種齡期下均是CPF的抗壓縮性最強(qiáng),改善效果最好.同時(shí),纖維和粉煤灰改性水泥土的壓縮特性以及孔隙比變化規(guī)律均呈近似線性分布,更容易計(jì)算和控制沉降.

3)從SEM 圖可知,在纖維水泥土中摻入納米黏土或粉煤灰后,表面附著了大量的乳白色膠凝物質(zhì)從而提高了聚丙烯纖維與水泥土顆粒間的膠結(jié)力,使得整體結(jié)構(gòu)更加致密.宏觀表現(xiàn)為水泥土的抗壓縮性得到明顯提升.