礦粉改良粉土路用性能研究

摘 要：文章采用無側(cè)限抗壓試驗，研究礦粉摻量及養(yǎng)護(hù)時間對改良粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示礦粉的改良機(jī)理。研究結(jié)果表明：改良粉土強(qiáng)度隨礦粉摻量增加而增大，隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大，其強(qiáng)度及彈性模量增加主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)7～14 d內(nèi)；在較短的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦粉改良粉土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度就達(dá)到了未改良粉土試樣的3.52倍，彈性模量增大到7.63倍以上，說明礦粉改良粉土具有早強(qiáng)性；經(jīng)礦粉改良后，礦粉水化產(chǎn)生的凝膠狀水化產(chǎn)物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙中，將粉土顆粒相互膠結(jié)，故經(jīng)礦粉改良后的粉土強(qiáng)度顯著提升。研究結(jié)果可為粉土的改良應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：粉土；礦粉改良；路用性能；微觀機(jī)理

中圖分類號：U416.21

0"引言

粉土在我國廣泛分布，隨著高速公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，在一些缺乏優(yōu)質(zhì)填料的地區(qū)修建路基時，從其他地方運(yùn)輸優(yōu)質(zhì)填料面臨工程造價提升、工程進(jìn)度緩慢的問題，若將建設(shè)線路周邊的粉土加以利用，不僅可以緩解優(yōu)質(zhì)填料不足的困境，還能減少工程固廢的產(chǎn)生。此外，礦粉是一種工業(yè)副產(chǎn)物，其中含有氧化鈣、氧化鎂等活性產(chǎn)物，具有一定的膠結(jié)能力，若采用礦粉對粉土進(jìn)行改良后用作路基填料，可以顯著提升粉土的路用性能。

關(guān)于粉土路用性能的研究，張燕明等［1-3］研究了粉土的強(qiáng)度及抗變形能力，研究結(jié)果表明，在非飽和狀態(tài)下，粉土具有良好的強(qiáng)度及模量，能夠承受路基靜荷載及路面上傳下來的動荷載，但粉土若遇水浸泡，其強(qiáng)度及模量會顯著下降，在一些多雨地區(qū)使用粉土填筑路基，宜經(jīng)過改良后才能使其具備較好的路用性能。關(guān)于粉土改良的研究，郭相平等［4-6］研究了水泥和石灰改良對粉土抗剪強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明：粉土經(jīng)過改良后，其粘聚力和內(nèi)摩擦角都顯著增大，但粘聚力的增大更為顯著，通?？梢詫⒄尘哿μ嵘?～5倍，且在飽和狀態(tài)下，改良粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線依然保持為軟化型，破壞模式由未改良時的延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)楦牧己蟮拇嘈云茐?。對于采用礦粉改良的研究，劉曉林等［7-9］研究發(fā)現(xiàn)，將礦粉與路基填料拌和后碾壓密實，可以有效提高路基的安全系數(shù)，顯著降低路基的工后沉降，且改良路基發(fā)生翻漿冒泥、不均勻沉降病害的概率也顯著降低。但目前采用礦粉對粉土改良的研究相對較少，礦粉改良粉土的改良機(jī)理尚未揭示，很有必要對其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

基于此，本文采用無側(cè)限抗壓試驗，研究礦粉摻量及養(yǎng)護(hù)時間對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示礦粉的改良機(jī)理，研究結(jié)果可為粉土的改良應(yīng)用提供理論參考。

1"試驗材料與試驗方案

1.1"試驗材料

試驗所用粉土取自某在建高速公路項目建設(shè)處。將取回后的試驗用土首先在實驗室中進(jìn)行晾曬風(fēng)干，過篩后將混入其中的碎石等雜物篩除，選取過篩后的土體進(jìn)行試驗研究。因試驗用土顆粒粒徑較小，采用水篩法對其顆粒粒徑進(jìn)行分析，其級配曲線如圖1所示，由圖1可知，試驗用土最大顆粒粒徑為2 mm，不均勻系數(shù)Cu為5.8，曲率系數(shù)Cc為1.9，表明試驗用土顆粒粒徑分布均勻且級配良好，顆粒粒徑介于0.005～0.075 mm的土顆粒被認(rèn)定為粉粒，則本試驗用土中粉粒的含量占比高達(dá)75%。采用擊實試驗對試驗用土的最大干密度及最優(yōu)含水率進(jìn)行研究，擊實曲線如圖2所示。由圖2可知，試驗用土的最大干密度為1.79 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.2%。根據(jù)飽和度曲線可知，試驗用土的最優(yōu)飽和度為78%。試驗所用粉土的其他物理特性見表1。

試驗所用礦粉為超細(xì)礦粉。該礦粉中含有大量的石灰石類副產(chǎn)物，具有顆粒小、活性高的特點(diǎn)。為使試驗用土與礦粉混合均勻，試驗所用礦粉顆粒粒徑都＜1 mm，初凝時間為70 min，終凝時間為200 min，比表面積為563 m2/kg。試驗所用礦粉的礦物組成及含量如表2所示。

1.2"試驗方案及試樣制備

為研究礦粉摻量及養(yǎng)護(hù)時間對粉土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，在保持初始干密度為1.70 g/cm3（壓實系數(shù)K=0.95），初始含水率為14.2%的條件下，僅改變礦粉摻量來研究礦粉摻量對粉土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。因礦粉摻量為8%時，其具有較高的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度且有較多的強(qiáng)度儲備，故以礦粉摻量8%為例，研究養(yǎng)護(hù)時間對改良粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，養(yǎng)護(hù)時間分別為3、7、14、28 d。礦粉摻量參照式（1）進(jìn)行計算。將達(dá)到試驗條件的試樣進(jìn)行抽氣飽和，對飽和后的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗。試驗方案如表3所示。

rm=mmms×100%（1）

式中：rm——礦粉摻量（%）；

mm——干礦粉質(zhì)量（g）；

ms——干粉土質(zhì)量（g）。

將試驗所用粉土及礦粉放入105 ℃的烘箱中烘干，參照式（1）計算所需摻入礦粉質(zhì)量，將礦粉及試驗用土手動拌和均勻，噴灑一定質(zhì)量的蒸餾水，將其制備成目標(biāo)含水率的試驗用土，保存于密封袋中至少12 h，充分進(jìn)行水汽平衡。將水汽平衡結(jié)束后的實驗用土采用擊實制樣方式，分5層擊實成型，最后將制備好的試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2"試驗結(jié)果與分析

2.1"礦粉摻量的影響

不同礦粉摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知，在飽和狀態(tài)下，未改良粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為硬化型曲線，軸向應(yīng)力沒有出現(xiàn)明顯的峰值，試樣在軸向壓縮過程中，試樣變形主要發(fā)生側(cè)向鼓脹，沒有產(chǎn)生明顯的裂紋。當(dāng)采用礦粉對粉土進(jìn)行改良后，礦粉改良試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線全部轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕?，軸向應(yīng)力存在明顯的峰值，在軸向受壓的過程中，當(dāng)試樣達(dá)到了峰值抗壓強(qiáng)度后，試樣內(nèi)部的微裂紋相互連通，出現(xiàn)了明顯的貫通裂縫。所以，經(jīng)礦粉改良后，試樣飽和狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由硬化型轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕?，破壞模型由延性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹４送?，隨著礦粉摻量的增加，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力時的峰值應(yīng)變在逐漸增加，由此可以說明，粉土強(qiáng)度隨礦粉摻量的提升，主要是由于摻入更多的礦粉能夠使試樣承受更大的應(yīng)變而不產(chǎn)生破壞，并不是由于摻入更多的礦粉增大了試樣的彈性模量，因為不同礦粉摻量試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性變形階段幾乎是重合的。

不同礦粉摻量改良試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化如下頁圖4所示。由圖4可知，經(jīng)礦粉改良后，飽和粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著增大，雖然無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而增大，但當(dāng)?shù)V粉含量＞4%后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加并不顯著。將飽和狀態(tài)下礦粉改良試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與未改良粉土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比定義為強(qiáng)度增大系數(shù)，當(dāng)采用礦粉對粉土進(jìn)行改良后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度至少為未改良飽和粉土試樣的3.9倍。

不同礦粉摻量改良試樣的彈性模量變化如圖5所示。由圖5可知，摻入礦粉改良后粉土的彈性模量顯著提升，同樣的，當(dāng)?shù)V粉摻量＞4%后，隨著礦粉含量的增加，改良試樣的彈性模量增加幅度并不顯著。將飽和狀態(tài)下改良粉土試樣的彈性模量與未改良粉土試樣的彈性模量之比定義為彈性模量增大系數(shù)，從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻入礦粉對粉土進(jìn)行改良后，改良試樣的彈性模量至少為未改良粉土試樣的7.75倍以上。

2.2"養(yǎng)護(hù)時間的影響

不同養(yǎng)護(hù)時間試樣應(yīng)力-位移曲線變化如圖6所示。由圖6可知，不同養(yǎng)護(hù)時間試樣的應(yīng)力-位移曲線全部為軟化型，破壞模式全部為脆性破壞，且隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，試樣峰值抗壓強(qiáng)度在逐漸增大，達(dá)到峰值應(yīng)力所對應(yīng)的峰值應(yīng)變在逐漸減小。由此可以發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)護(hù)時間對抗壓強(qiáng)度的影響，主要是隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，試樣彈性模量在逐漸增加，因為在彈性變形階段，養(yǎng)護(hù)時間越久的試樣其應(yīng)力-應(yīng)變曲線越陡。

峰值抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，峰值抗壓強(qiáng)度在逐漸增大，即便在較短的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)（t≤3 d），礦粉改良試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度就達(dá)到了未改良粉土試樣的3.52倍，說明礦粉改良粉土具有早強(qiáng)性。在養(yǎng)護(hù)時間為7～14 d時，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了482 kPa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加得最為顯著。

彈性模量隨養(yǎng)護(hù)時間的變化如圖8所示。由圖8可知，礦粉改良試樣彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而逐漸增大，且即便在較短的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)（t≤3 d），礦粉改良試樣的彈性模量增大為未改良試樣彈性模量的7.63倍以上，同樣說明了礦粉改良試樣具有早強(qiáng)性。在養(yǎng)護(hù)時間為7～14 d時，彈性模量增加了46.2 MPa，彈性模量在這段時間內(nèi)增加得最為顯著，同樣也說明了隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，礦粉改良試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高，主要是提高了改良試樣的彈性模量，使試樣在更小的軸向應(yīng)變情況下能承受更大的軸向荷載。

2.3"微觀機(jī)理

礦粉改良前后粉土的微觀形貌如圖9所示，由圖9可知，粉土顆粒相互咬合交錯排列，顆粒與顆粒之間的接觸多為面-面接觸或者面-邊接觸，顆粒邊界粗糙；經(jīng)過礦粉改良后，礦粉水化產(chǎn)生的凝膠狀水化產(chǎn)物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙，將粉土顆粒相互膠結(jié)，故經(jīng)礦粉改良后，粉土的強(qiáng)度顯著提升。

3"結(jié)語

本文通過分析礦粉改良對粉土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，主要研究了礦粉摻量及養(yǎng)護(hù)時間對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示了礦粉的改良機(jī)理，主要得到了如下結(jié)論：

（1）粉土強(qiáng)度隨礦粉摻量增加而增大，主要是由于摻入更多的礦粉能夠使試樣承受更大的應(yīng)變而不產(chǎn)生破壞，并不是由于摻入更多的礦粉增大了試樣的彈性模量。

（2）在較短的養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)，礦粉改良試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度就達(dá)到了未改良粉土試樣的3.52倍，彈性模量就增大為未改良試樣彈性模量的7.63倍以上，表明礦粉改良粉土具有早強(qiáng)性。

（3）經(jīng)過礦粉改良后，礦粉水化產(chǎn)生的凝膠狀水化產(chǎn)物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙，使粉土顆粒相互膠結(jié)。故經(jīng)礦粉改良后，粉土的強(qiáng)度顯著提升。

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