公路路基高砂高泡固結(jié)體的強(qiáng)度與演化特征

吳 瑞

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 合肥 231603)

0 引言

水泥基填充材料作為公路路基最重要的組成部分,其綜合性能、使用壽命等將直接決定公路路基的使用壽命,并在很大程度上直接影響后期的維護(hù)成本[1],因此,在西部地表廣泛賦存天然砂土的公路路基鋪設(shè)過程中,為了確保公路能夠在承載作用下安全使用,需要高泡水泥基填充材料固結(jié)體具有足夠的強(qiáng)度,以滿足其力學(xué)穩(wěn)定性的要求。為了在控制成本的前提下盡可能保障公路路基的強(qiáng)度和力學(xué)穩(wěn)定性等[2],高砂高泡水泥基填充材料固結(jié)體的開發(fā)與應(yīng)用是關(guān)鍵,而高砂高泡水泥基填充材料固結(jié)體中水膠比、砂膠比等對(duì)最終公路路基的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生重要的影響[3],但是這方面的研究報(bào)道一直處于空白[4]。本文從水膠比和砂膠比角度出發(fā),研究了水膠比和砂膠比對(duì)公路路基高砂高泡水泥基填充材料固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度和氣孔孔徑分布的影響,結(jié)果將有助于高強(qiáng)、高力學(xué)穩(wěn)定性的公路路基填充材料固結(jié)體的開發(fā)與應(yīng)用。

1 材料與方法

試驗(yàn)原料包括廣州華潤(rùn)水泥廠生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥(密度3 050 kg/m3,3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.8 MPa和52.2 MPa)、甘肅利鑫源微硅粉有限公司生產(chǎn)的NX2型微硅粉(二氧化硅含量91.6%)、鄂爾多斯市烏審旗門克慶煤礦的細(xì)砂Ⅱ作為集料(0.1～0.25 mm粒徑比例約95.46%)、河北縱橫科技公司生產(chǎn)的BYBY-2型復(fù)合發(fā)泡劑、南陽復(fù)星水泥廠生產(chǎn)的C117增稠劑和自來水。高砂高泡水泥基填充材料的配比方案如表1,測(cè)試項(xiàng)目包括水膠比和砂膠比,其中,水膠比設(shè)計(jì)為0.5,0.6,0.7和0.8,砂膠比設(shè)計(jì)為3.0,3.5,4.0和4.5;膠凝材料中水泥和微硅粉比例分別為90% 和10%,細(xì)集料類型為細(xì)砂Ⅱ。試樣按照表1所示方案配置后澆注到100 mm×100 mm×100 mm的三聯(lián)方模中,脫模后置于YB-38N型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行7～90 d的養(yǎng)護(hù)處理(濕度大于96%、溫度為20℃)[5]。

表1 高砂高泡水泥基填充材料的配比方案Tab.1 Proportioning scheme of high sand and high foam cement-based filling materials

室溫抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用美國(guó)MTS-810型微機(jī)伺服萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,加載速率為0.15 mm/min,最終結(jié)果取6組試樣的平均值;氣孔孔徑分析參照國(guó)標(biāo)GB/T 15445.2-2006《粒度分析結(jié)果的表述》[6]并采用電子掃描成像法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比

圖1為水膠比對(duì)水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)的影響?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著水膠比從0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的特征,在水膠比為0.7時(shí)取得最大值,約13.2 MPa,水泥基填充材料基體的抗壓強(qiáng)度變化主要與不同水膠比下填充材料基體的含水率不同有關(guān)。當(dāng)水膠比為0.7時(shí),基體的含水率約為27.2%,此時(shí)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài),而過低或者過高的水膠比則會(huì)使基體處于欠飽和或者過飽和狀態(tài),由顆粒間內(nèi)聚力和摩擦力提供的強(qiáng)度會(huì)有所降低[7-9]。

圖1 水膠比對(duì)水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of water-binder ratio on uniaxial compressive strength of cement-based filling materials

圖2為水膠比對(duì)氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響。從圖2(a)的氣孔孔徑分布圖中可見,不同水膠比下試樣的氣孔孔徑與分布頻率的變化趨勢(shì)基本相同,即隨著氣孔孔徑增加,氣孔分布頻率逐漸減小,不同水膠比下試樣的氣孔孔徑主要集中在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm,而其它孔徑則相對(duì)較少,且通過對(duì)比分析可知,水膠比為0.7時(shí)孔徑0.25～0.35 mm的頻率最高。從圖2(b)的等效平均孔徑和方差值的變化趨勢(shì)可知,隨著水膠比從0.5增加至0.8,等效平均孔徑呈現(xiàn)先減小后增大,方差值呈現(xiàn)先減小后增大然后又減小的趨勢(shì),整體而言,水膠比為0.6時(shí),等效孔徑較小且集中度較高,這主要與此時(shí)顆粒間摩擦力較大,更容易造成氣孔破碎并形成通孔有關(guān)[10]。

(a) 氣孔孔徑分布

(b) 等效平均孔徑和方差值

圖3為氧化時(shí)間和水膠比對(duì)高砂高泡固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響,其中,分別列出了水膠比分別為0.5,0.6,0.7和0.8時(shí)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7～90 d的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試值。通過對(duì)比分析可知,隨著標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間從7 d增加至90 d,不同水膠比下固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸增大的特征,且相對(duì)而言,在相同標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間下,水膠比為0.6的固結(jié)體可以獲得最大的單軸抗壓強(qiáng)度,而水膠比為0.5的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度最小。從水膠比對(duì)固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響來看,不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,固結(jié)體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增加后減小的特征,在水膠比為0.6時(shí)取得最大值。此外,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7 d增加至28 d時(shí),固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28 d增加至90 d時(shí),固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)較慢。這主要是因?yàn)殚_始養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,水泥的水化反應(yīng)會(huì)消耗膠結(jié)體中的水分并降低孔隙水壓力,且水化產(chǎn)物會(huì)填充顆粒間孔隙而增強(qiáng)膠結(jié)體強(qiáng)度,而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),水化反應(yīng)所需的膠結(jié)體中水分減少,膠結(jié)體強(qiáng)度增加幅度會(huì)相對(duì)較緩[11-12]。

圖3 氧化時(shí)間(.)和水膠比(.)對(duì)高砂高泡固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of oxidation time (.) and water-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

2.2 砂膠比

圖4為砂膠比對(duì)水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)和膠凝材料含量的影響?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著砂膠比從3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度和膠凝材料含量都呈現(xiàn)逐漸減小的特征。當(dāng)砂膠比為3.0時(shí),水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度約為13.2 MPa、膠凝材料含量約為25.1%,而當(dāng)砂膠比增加至4.5時(shí),水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度約為8.3 MPa、膠凝材料含量約為18.2%?？梢?當(dāng)砂膠比從3.0增加至4.5時(shí),水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)和膠凝材料含量的下降幅度分別為37.1% 和27.5%。

圖4 砂膠比對(duì)水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)度和膠凝材料含量的影響Fig.4 Effect of sand-binder ratio on cement-based uniaxial compressive strength and material content of cementitious filler

圖5為砂膠比對(duì)氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響。從圖5(a)的氣孔孔徑分布圖中可見,不同砂膠比下試樣的氣孔孔徑與分布頻率的變化趨勢(shì)基本相同,即隨著氣孔孔徑增加,氣孔分布頻率逐漸減小,不同砂膠比下試樣的氣孔孔徑主要集中在0.25～0.35 mm，0.35～0.45 mm和0.45～0.55 mm,而其它孔徑則相對(duì)較少,且通過對(duì)比分析可知,不同砂膠比下,試樣中氣孔孔徑在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的頻率高達(dá)50%以上。從圖5(b)的等效平均孔徑和方差值的變化趨勢(shì)可知,隨著砂膠比從3.0增加至4.5,等效平均孔徑和方差值都呈現(xiàn)逐漸增大特征。這主要是因?yàn)楫?dāng)砂膠比處于較低值時(shí),試樣中的凝結(jié)材料含量相對(duì)較大,孔壁硬化速度也相應(yīng)較高,氣孔孔徑較小,而在高砂膠比的試樣中,顆粒間的摩擦阻力會(huì)增加氣孔破碎和通孔的幾率[13],氣孔孔徑也會(huì)相對(duì)分散。

圖5 砂膠比對(duì)氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響Fig.5 Effect of sand-binder ratio on pore size distribution, equivalent mean pore size and variance

圖6為氧化時(shí)間和砂膠比對(duì)高砂高泡固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響,其中,分別列出了砂膠比為3.0,3.5,4.0和4.5時(shí)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7～90 d的固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試值。通過對(duì)比分析可知,隨著標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間從7 d增加至90 d,不同砂膠比下固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸增大的特征,且相對(duì)而言,在相同標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間下,砂膠比為3.0的固結(jié)體可以獲得最大的單軸抗壓強(qiáng)度,而砂膠比為4.5的固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度最小。從砂膠比對(duì)固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響上來看,不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下固結(jié)體試樣的單軸抗壓強(qiáng)度都隨著砂膠比的增大而減小。此外,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從7 d增加至28 d時(shí),固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28 d增加至90 d時(shí),固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)較慢。在相同砂膠比下,氧化時(shí)間越長(zhǎng)則固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度越大。這主要是因?yàn)楦呱案吲莨探Y(jié)體的氣孔等效平均孔徑和分散度都會(huì)隨著膠砂比的增加而增大,孔壁均勻性惡化造成固結(jié)體承載能力降低,而氧化時(shí)間越長(zhǎng)則氣孔等效平均孔徑和分散度會(huì)相對(duì)減小,固結(jié)體的強(qiáng)化變化主要是基體與氣孔二者協(xié)同作用的結(jié)果[14]。

圖6 氧化時(shí)間(.)和砂膠比(.)對(duì)高砂高泡固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of oxidation time (.) and sand-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

3 結(jié)論

1)隨著水膠比從0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的特征,在水膠比為0.7時(shí)取得最大值,約13.2 MPa。隨著標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間從7 d增加至90 d,不同水膠比下固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸增大的特征,且相對(duì)而言,在相同標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間下,水膠比為0.6的固結(jié)體可以獲得最大的單軸抗壓強(qiáng)度。

2)隨著砂膠比從3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強(qiáng)度和膠凝材料含量都呈現(xiàn)逐漸減小的特征。當(dāng)砂膠比從3.0增加至4.5時(shí),水泥基填充材料基體單軸抗壓強(qiáng)和膠凝材料含量的下降幅度分別為37.1% 和27.5%。

3)不同砂膠比下試樣中氣孔孔徑在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的頻率高達(dá)50%以上。隨著砂膠比從3.0增加至4.5,等效平均孔徑和方差值都呈現(xiàn)逐漸增大的特征。隨著標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間從7 d增加至90 d,不同砂膠比下固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度都表現(xiàn)為逐漸增大的特征,且相對(duì)而言,在相同標(biāo)準(zhǔn)氧化時(shí)間下,砂膠比為3.0的固結(jié)體可以獲得最大的單軸抗壓強(qiáng)度,而砂膠比為4.5的固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度最小。在相同砂膠比下,氧化時(shí)間越長(zhǎng)則固結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度越大。