不同土质水泥土力学特性的影响因素研究

2021-07-21高鹏飞胡建林崔宏环

水利与建筑工程学报 2021年3期

高鹏飞，胡建林，崔宏环，闫利，杨健

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000；2.山东水总有限公司，山东济南 250014)

河北西北部地区存在大量的风积沙和粉质黏土。由于风积沙结构松散、级配不良、工程性质较差[1]，粉质黏土在遇水后毛细现象明显且物理化学性质容易发生改变，两种土质的力学性能通常不能满足路面对基层材料的要求。为此，工程上需要对两种土质进行改良。目前比较经济有效的改良方法是在素土中掺入水泥，使之改良为水泥土。张本蛟等[2]通过现场实验，探究了水泥配比对水泥土强度的影响规律，发现水泥土芯样的抗压强度及变形模量随水泥配比的增加而增加。薛慧君等[3]通过无侧限抗压强度实验，分析了水泥配比、养护时间等条件对水泥土抗压强度的影响，提出了水泥配比及养护时间与抗压强度的经验公式，并对水泥土变形模量进行分析，得出了变形模量与抗压强度的数学表达式。吴家琦等[4]通过无侧限抗压强度实验，探究了水泥配比、龄期及养护条件对水泥土抗压强度的影响，指出养护龄期及水泥配比都和抗压强度呈正相关。汪海鸥等[5]针对某地区粉质黏土做了一系列无侧限抗压强度实验，结果表明：在一定水泥配比内，水泥土的强度会随着水泥配比的增大而增大，并且提出水泥土的最佳养护龄期为28 d。周海龙等[6]对水泥土进行了单轴抗压强度实验，分析了不同水泥配比及不同龄期下水泥土的强度规律，并拟合出了其应力应变曲线的参数公式。胡建林等[7]对纤维水泥土做了一系列强度实验得出在水泥土中加入纤维可以提高水泥土的韧性。在水泥土强度影响因素的研究中，人们通常只关注水泥配比对水泥土强度的影响，但在实际工程中很容易证明，当水泥配比相同时，含水率也会显著影响水泥土的抗压强度。例如周国钧等[8]通过在黏土中掺入水泥粉、水泥浆2种固化剂进行了一系列抗压强度实验，结果表明：加入水泥粉的水泥土试样强度比加入水泥浆水泥土试样强度高2～3倍。贾坚等[9]通过饱和软土水泥土抗压强度试验,分析了含水率与水泥土之间抗压强度的关系，并提出在相同水泥配比的前提下，可以通过控制含水率的方法来提高水泥土的抗压强度。储诚富等[10]通过抗压强度实验，分析了含水量及水泥配比对水泥土强度的影响，并提出可以用似水灰比来预测水泥土强度。张培云[11]指出含水率对路基的稳定性和耐久性有重要影响，并通过论述路基土中含水率的影响机理，得出可以采用不同的施工方法来控制不同土质的含水率，以达到最大压实度。

由于冀西北地区土质种类多，条件复杂，因此有必要对改良后的水泥土进行力学特性的实验研究。为此，本文选择冀西北地区广泛分布的风积沙及粉质黏土两种土样改良为水泥土，通过无侧限抗压强度实验，分析水泥配比及含水率对水泥土强度特性的影响，并通过水泥土的变形模量，进一步分析两种水泥土的变形特征，为工程提供理论参考。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

本次试验共选用两种土样：土样1取自张家口市某施工现场粉质黏土。土样2取自张家口市某建设场地风积沙。两种土样的基本物理性质及颗粒级配曲线见表1、图1。

表1 试验所用土样的物理性质

图1 土样颗粒级配曲线

1.2 试验方案

在粉质黏土和风积沙中掺入质量比为11%、14%、17%、20%的水泥(用Aw表示)，改良为不同土质的水泥土。通过击实试验获得两种素土的最优含水率为12%，以最优含水率为基准上下浮动2%，确定两种水泥土的含水率为8%、10%、12%、14%、16%。实验方案如表2所示。其中，每个配比制做9个平行样，测试结果取9个试样的平均值。

1.3 试件制备

本次试验参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[12](JTG E51—2009)的相关内容来进行水泥土试件的制作。压实度及龄期参考《公路路面基层施工技术细则》[13](JTG/T F20—2015)选取压实度为95%，龄期为28 d，具体步骤如下：

(1) 取不同土样，其中粉质黏土过2 mm筛，风积沙过5 mm筛。

(2) 根据不同水泥配比、含水率以及参考的压实度，称量所需要的水、水泥及素土，配制水泥土混合料，并搅拌均匀。

(3) 将水泥土分两层放入圆柱型模具中，通过捣棒振捣后，在压力机上以1 mm/min的速度静压成型。水泥土试件直径100 mm，高100 mm。

(4) 成型后静置4 h，之后用液压脱模机将水泥土试件脱出，置入养护箱养护28 d。

(5) 养护至龄期后，在万能试验机进行无侧限抗压强度试验。加载速度为1 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 水泥土应力应变曲线分析

对完成养护的水泥土试件进行抗压强度实验，两种水泥土的应力应变曲线均出现典型的峰值强度特征，两种水泥土在不同含水率下的应力应变曲线趋势基本相同，因此列举了两种水泥土在含水率16%时的应力应变曲线为代表，如图2所示。

图2 水泥土应力应变曲线

从图2中可以看出:两种水泥土的应力应变特征大体相同，均可分为四个阶段，即压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和残余阶段[14]，应力应变曲线都表现为应力随应变增加至峰值后下降，具有明显的峰值应力。对于同一土样水泥土来说，随着水泥配比的增加，两种水泥的应力上升段斜率均有明显增加，峰值应力也显著增大。但风积沙水泥土到达应力峰值后会随着应变的增加而快速下降，最终残余强度较低，具有明显的脆性破坏特征，而粉质黏土水泥土在进入塑性阶段后，其应力随着应变的增加下降缓慢，并且在到达一定应变后逐渐趋于平缓，残余应力较高。对比图2两种不同水泥土的应力应变曲线可以得出，风积沙水泥土在不同水泥配比下的峰值应力明显高于粉质黏土水泥土，但其到达应力峰值时的应变较大，并且风积沙水泥土的脆性特征表现的十分明显。

为探究水泥配比和含水率对两种水泥土峰值应力的影响，取水泥土应力应变曲线的峰值点作为水泥土的峰值强度，其值如表2所示。由表2可以看出在相同水泥配比和含水率的情况下，风积沙水泥土的峰值强度均大于粉质黏土水泥土，这是由于风积沙水泥土中存在大量的砂颗粒，砂颗粒本身较硬且相互摩擦力大等特点使得其强度高于粉质黏土水泥土。

表2 水泥土峰值强度

2.2 水泥配比对水泥土峰值强度的影响

在水泥土中，水泥水化产物C-S-H凝胶等会与土颗粒发生一系列的物理化学反应，进而增强土体的强度。Uddin[15]将水泥配比划分为3个区域：即诱导区、反应区和稳定区。当水泥配比处于反应区时，水泥土强度迅速增加，其强度增长率也会随着水泥配比的增加而增加。为此，可以用强度增长率来表征水泥配比的三个区域，即水泥土的强度增长率随水泥配比增加时，水泥土进入反应区。由图3及表3可以看出，两种水泥土的强度都会随着水泥配比的增大而增大，但其强度增长率有明显区别。在任意含水率下，风积沙水泥土的强度增长率会随着水泥配比的增大而增大，而粉质黏土水泥土的强度增长率会随着水泥配比的增大呈下降趋势，例如，通过表3可以看出在含水率12%条件下，风积沙水泥土的强度增长率为13%、31%、89%，而粉质黏土的强度增长率为117%、36%、17%。因此，可以判断粉质黏土水泥土比风积沙水泥土率先进入反应区，而提前到达稳定区，即两种水泥土对水泥配比的敏感性不同。

图3 水泥土峰值强度随水泥配比的变化

表3 水泥土强度增长率

为探究两种水泥土峰值强度随水泥配比的变化规律，对不同含水率下峰值强度随水泥配比变化曲线进行拟合，拟合曲线如图4所示。可以看出，风积沙水泥土强度随水泥配比的关系曲线近似呈指数函数关系，粉质黏土水泥土的强度随水泥配比的关系曲线可用对数函数表示，表示函数如下：

y1=aebx

(1)

y2=clnx+d

(2)

式(1)为风积沙水泥土强度与水泥配比的拟合公式；式(2)为粉质黏土水泥土强度与水泥配比的拟合公式，x,y分别为水泥配比和峰值强度，a,b,c,d为实验参数，与水泥土的含水率有关，其值汇总于表4。

图4 水泥土峰值强度拟合曲线

表4 水泥土强度与水泥配比拟合公式的实验参数

2.3 含水率对水泥土峰值强度的影响

图5为风积沙水泥土和粉质黏土水泥土强度随含水率的变化曲线，由图可知，在相同土样水泥土中，不同水泥配比的强度-含水率曲线基本相同。随着含水率的增加，风积沙水泥土的峰值强度会先增加后减少，在含水率12%时达到最大值，而粉质黏土水泥土的峰值强度会随含水率的增加先趋于稳定，之后迅速减小，在含水率8%时达到最大值。两种水泥土的峰值强度在含水率超过12%后，均表现为明显下降。对比不同配比下的水泥土，发现其强度差值在含水率16%时最小，例如，粉质黏土水泥土在水泥配比17%到20%之间的峰值强度仅相差0.17 MPa。这是因为在高含水率条件下，过多的水分子会对水泥-土结构产生“润滑”作用，进而破坏水化产物与土颗粒之间的胶结，导致水泥土强度逐渐降低。总的来说，两种水泥土都存在一个最优含水率使水泥土的强度达到最大，超过最优含水率后强度骤减。

图5 水泥土峰值强度随含水率的变化关系

2.4 水泥土变形模量分析

水泥土的应力应变曲线为非线性曲线，其变形模量不是一个数值，因此常常使用变形模量E50来表征水泥土材料抵抗变形的能力，E50越大表明材料的脆性和结构性越强，其定义为[16]：

(3)

其中：σf为的材料峰值应力；ε0.5为材料峰值应力的0.5倍对应的应变。其值可从水泥土应力应变曲线获取。

图6给出了风积沙水泥土和粉质黏土水泥土变形模量与水泥配比的关系曲线。从图6可以看出，随着水泥配比的增大，两种水泥土的变形模量都逐渐增大，但其增加幅度不同。风积沙水泥土的变形模量增长趋势可视为指数型增长，在水泥配比17%到20%时变形模量增幅最大，而粉质黏土水泥土的变形模量可视为对数型增长，在水泥配比11%到14%时变形模量增幅最大。由此可见水泥配比能显著影响水泥土的脆性和结构性。