胶结土无侧限抗压强度试验研究

2020-10-14卫春安苏安双

水利科学与寒区工程 2020年5期

卫春安，苏安双，贾青，阎烁

(1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

粉质黏土是塑性指数介于10～17的黏性土，具有时效性，其沉降量可能随着时间的推移而增加，进而导致构筑物损坏、倒塌。然而，粉质黏土分布广泛且具有就地取材的特点，在我国水利工程建设中有着广泛的应用。中国水利水电科学研究院贾金生院士提出胶结土坝的概念，其使用的筑坝材料便是往特殊土料中加入有机或无机胶凝材料，形成性能良好的胶结土[1]。因此，很有必要对粉质黏土加入一定比例的胶凝材料，提高其性能。

国内外对胶结土力学性能进行了一定的研究。Asskar Janalizadeh Choobbasti等[2]利用水泥对砂土进行了改性试验，从不同的试样孔隙率、水泥掺量进行了无侧限抗压试验，得到了无侧限抗压强度随试样孔隙率变大而减小，随水泥掺量增大而变大。Young-sang Kim等[3]利用粉煤灰底灰和高炉炉渣作为黏结剂对花岗岩土进行了改性，并通过无侧限抗压强度试验、承载比试验、抗拉强度试验分析了改性后土的强度。Kai Gu等[4]用活性氧化镁与生石灰作为复合改性材料，对黏土和微黏性粉砂土进行了改性，并进行了无侧限抗压强度、弹性刚度、破坏应变、含水量、微观结构、热重分析，以及不同浸泡条件下的耐久性分析，表明了其复合材料对黏土和微黏性粉砂土有很好的改性作用。张军等[5]用水泥对淤泥质土进行了改性，得出相同含水率、水泥掺量，水泥土的无侧限抗压强度随养护龄期增长而变大，而相同含水率、相同养护龄期情况下，水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺量增加而显著增大。张振寰等[6]通过不同用水量和水泥掺量对最优含水率为12%、最大干密度为1.95 g/cm3的素土进行改性，研究了无侧限抗压强度随用水量或水泥掺量的变化关系。陈中学等[7]研究了不同水泥掺量、不同养护龄期、不同水泥标号对淤泥、淤泥质黏土、黏土的无侧限抗压强度的变化规律。李永辉等[8]定量分析了郑州地区粉土水泥土的水泥掺量、含水率、养护龄期对其无侧限抗压强度及破坏特征的影响规律。曾晨等[9]利用数值分析软件对不同土质的水泥土进行了无侧限抗压强度变化的数值模拟，分析了水泥土模型应力的分布规律。

本文对粉质黏土加入不同掺量的胶凝材料并进行了不同时间的养护，对养护后的试样进行了无侧限抗压试验，分析了其力学性能的变化规律。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

无侧限抗压强度是指让试样只受到垂直方向的力，而不受水平方向的力的抗压试验。本次试验用到的仪器是YTS-YQ-22电子万能试验机，可以对试样进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验。其工作原理是通过计算机系统，由调速系统控制伺服电机进而控制横梁上下移动，其速度范围为0.001～1000 mm/min。

1.2 试验材料

土料选自哈尔滨市的粉质黏土，加入土料中的胶凝材料有水泥、石灰、粉煤灰，水泥为425号普通硅酸盐水泥，石灰和粉煤灰的等级都为Ⅰ级，选用的水为普通自来水。

1.3 试验方法

本试验按掺入粉质黏土中的胶凝材料种类的多少可分为单掺胶凝材料改性试验、双掺胶凝材料改性试验和三掺胶凝材料改性试验。其中单掺胶凝材料改性试验加入土料中的胶凝材料分别为水泥、石灰、粉煤灰，双掺胶凝材料改性试验加入土料中的胶凝材料分别为水泥和石灰、水泥和粉煤灰、石灰和粉煤灰，三掺胶凝材料改性试验加入土料中的胶凝材料有水泥、石灰和粉煤灰。将每种方案的改性方式设计3种不同的配比，通过击实试验得到各个改性后土料的最优含水率和最大干密度，按最优含水率为设计含水率、最大干密度的98%为设计干密度配制试样，具体的配合比设计方案见表1。

表1 配合比设计方案

根据表1的配合比用击实成型法配制直径为61.8 mm、高150 mm的试样，每个方案配制9个试样，素土试样配制3个，共192个试样，放入养护箱里养护(素土试样无需养护)，待到一定的龄期后取出做无侧限抗压强度试验。

2 结果与分析

2.1 抗压强度与养护龄期关系曲线

对素土试样(无需养护)和设计的掺入不同胶凝材料比例的试样(养护龄期为7 d、14 d、28 d)进行无侧限抗压试验，试验结果绘制7个方案不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线，如图1～图7所示，其中素土土样的无侧限抗压强度为0.32 MPa。

2.2 结果分析与思考

由图1～图7可知，养护龄期7 d时的无侧限抗压强度是养护龄期28 d时的80%左右，养护龄期14 d时的无侧限抗压强度是养护龄期28 d时的90%左右，可见养护龄期14 d时的无侧限抗压强度已经接近养护28 d时的数值，说明胶结土无侧限抗压强度增大趋势随养护龄期的增长而减小。这是由于水泥、石灰、粉煤灰在前期水化作用明显，反应生成的水化产物较多，随着时间的增长，能与水发生反应的矿物质会逐渐减少，生成的水化产物也会越来越少。

图1 方案1土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图2 方案2土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图3 方案3土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图4 方案4土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图5 方案5土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图6 方案6土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

图7 方案7土样不同养护龄期无侧限抗压强度变化关系曲线

在单掺胶凝材料的情况下，随水泥、石灰和粉煤灰掺量的增多，胶结土无侧限抗压强度越大，其中单掺水泥提高的最明显，而单掺粉煤灰对粉质黏土的力学性能提高的不是很明显，即单掺粉煤灰对粉质黏土的改性效果不是很好。在双掺胶凝材料的情况下，当水泥和石灰在胶结土中总的比例一定时，掺入的水泥含量越高，粉质黏土改性的效果也就越好；当水泥和粉煤灰在胶结土中总的比例一定时，掺入的水泥含量越高，粉质黏土的改性效果也一样变得更好；当石灰和粉煤灰在胶结土中总的比例一定时，掺入石灰的含量越高，粉质黏土的改性效果也会更好一些，但表现的不是很明显。其中双掺水泥和石灰的改性效果最好。在三掺胶凝材料的情况下，当水泥、石灰和粉煤灰在胶结土中总的比例一定时，水泥的掺量越高，粉质黏土的改性效果也就越好。这些说明水泥对粉质黏土的改性效果影响最大，也就是水泥中能与粉质黏土胶结的矿物质最多。

通过对比单掺胶凝材料、双掺胶凝材料和三掺胶凝材料的胶结土无侧限抗压强度的数值可知，适当的双掺胶凝材料和三掺胶凝材料的粉质黏土改性效果都比单掺胶凝材料的粉质黏土好，适当的三掺胶凝材料的粉质黏土改性效果又会比双掺胶凝材料的粉质黏土好，其中改性效果最好的配制方法是双掺4%水泥和2%石灰，其次是三掺3%水泥、1.5%石灰和1.5%粉煤灰，但粉煤灰价格相对较低，从经济角度出发，三掺胶凝材料是改性粉质黏土的最佳方案，更具有实用性。