外掺材料对滨海水泥土压缩特性的影响研究

田 旭 李 娜,2 姜 屏 方 睿 严浩然

（1.绍兴文理学院 土木工程学院, 浙江 绍兴 312000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,武汉 430071；3.同创工程设计有限公司, 浙江 绍兴 312000）

中国东南滨海地区存在着大量的软土,这类软土含水量极高,强度低,工程性质差.在实际工程中,软土必须经人工处理后才可以作为建筑结构的地基.在众多处理软土地基的方法中,水泥固化方法是最简便的方法之一,将水泥直接加入到软土中现场拌和,凝结后形成的水泥土强度明显提高,抗渗效果良好,因而被广泛应用于大面积滨海软土的处理中[1-3].

由于环境的影响和荷载的作用,水泥土可能产生和扩展微裂缝,从而导致强度的下降.因此,越来越多的研究针对改性水泥土[4-6],通过加入外掺材料对水泥土予以改善,以满足工程要求.目前,研究中常见的改性水泥土主要包括:纤维改性水泥土,粉煤灰改性水泥土,再生砂改性水泥土,纳米材料改性水泥土等.其中,纤维材料可以显著增加水泥土的韧性,使得水泥土整体性更好,粉煤灰等材料可以增加水泥土的强度.蒋志琳等[7]研究了不同玻璃纤维掺量下加筋红黏土的力学特性.Wang等[8]将不同掺量的纳米氧化镁拌入水泥土中,解释了饱和状态下纳米材料改性水泥土应力与应变曲线上升段的数学特征；董玉萍等[9]将高钙粉煤灰及激发剂掺入到水泥土中,发现水泥土材料的早期强度有明显的提升.Consoli[10]等对纤维加筋砂土进行了研究,得出纤维在土体中的加固效果随外掺材料掺量的变化而不同,土体的刚度和脆性均有所提升.

单一的外掺材料一般只能使水泥土的某一性质提升,并不能完全满足工程实践的要求.若将一些外掺材料同时混合加入到水泥土中,理论上可以显著提升水泥土的多项性质,以满足工程要求.本文以滨海水泥土为研究对象,将纤维作为第一外掺材料,粉煤灰、再生砂、纳米黏土为第二外掺材料,对组合外掺材料改性的滨海水泥土的抗压性能和韧性进行探究,力求对复合水泥改性土的工程实践起到借鉴作用.

1 实验

1.1 材料

滨海软土取自浙江绍兴东北部江滨区域,取土地点北邻钱塘江,场地东北侧为杭州湾,其物理力学指标和化学成分见表1和表2.外掺材料包括:聚丙烯纤维,粉煤灰,纳米黏土和再生砂,主要技术指标分别见表3～6.外掺材料如图1所示.

图1 外掺材料

表1 滨海软土的物理力学指标

表2 滨海软土化学成分

表3 聚丙烯纤维主要技术指标

表4 粉煤灰主要技术指标

表5 纳米黏土主要技术指标

表6 再生砂主要技术指标

1.2 试验设计

结合课题组前期研究,试验设计见表7.

表7 固结压缩试验设计

纤维材料对水泥土的整体性、韧性有较大改善,这是其他外掺材料无法达到的效果.因此,纤维材料是获得高强度、高韧性水泥土的必要条件之一.在掺入纤维材料后再掺入其他材料形成的复合外掺材料改性水泥土压缩特性是本文研究的核心问题,试验以固结压缩试验为主.本次固结压缩试验采用全自动气压固结仪,固结试验按《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020)的规定进行,在进行固结压缩试验时的加载荷压分别为12.5,25,50,100,200,400,800 kPa,每级荷载加压持续1 h.

1.3 试样制备方法

在取土场地挖取足够的土样带回实验室,将土样放入清水中浸泡48 h,取出后过筛孔直径为2 mm 的筛,去除土样中的大颗粒杂质.按设计的各组试验配合比,将滨海软土、水泥、其他材料、水依次倒入搅拌机中,搅拌5 min后再加入纤维,搅拌均匀后倒入各环刀中,借助小型振动台将土样振动密实,以保证试样质量.制样完成后将试样表面抹平,放入恒温恒湿箱内养护至试验设计龄期进行相关试验.

2 结果与讨论

2.1 试样（相对）密度

对每种各5个试样的密度各测试1次,取其平均值.各组试样的密度见表8.

表8 试样密度和相对密度

2.2 压缩变形结果分析

本文在进行固结压缩试验时的加载荷压分别为12.5,25,50,100,200,400,800 k Pa,每级荷载加压持续1 h.以7 d龄期下CP 为例,压缩变形量随时间变化曲线如图2所示.在每级荷载加压持续时间内,压缩变形量在最后20 min内保持不变,试样变形稳定.

图2 7 d龄期下CP压缩变形量随时间变化曲线

仅加入纤维的改性水泥土作为对照组,其各龄期条件下压缩变形曲线如图3(a)所示.在800 k Pa的竖向压力下,CP的压缩变形量从龄期为7 d时的4.34 mm 减小到龄期为14 d时的4.06 mm,下降比例为6.45%,从14 d到28 d压缩变形量下降至3.28 mm,下降比例为19.2%.仅加入纤维条件下,随着龄期的增加,CP的抗压缩能力也显著增长.

图3 复合改性水泥土试样压缩变形量曲线

纤维和再生砂改性水泥土的压缩变形曲线如图3(b)所示.在800 kPa的竖向压力下,CPS的压缩变形量从龄期为7 d时的4.99 mm 增长到龄期为14 d时的5.19 mm,增长比例为4.0%.从14 d到28 d,压缩变形量增长至5.41 mm,增长比例为4.3%.CPS的压缩变形发展规律几乎不随龄期的增长而改变,纤维和再生砂改性水泥土的早期强度基本上决定了该水泥土的实际强度.

纤维和纳米黏土改性水泥土压缩变形曲线如图3(c)所示.在800 k Pa的竖向压力下,CPN 的压缩变形量从龄期为7 d时的4.57 mm 减小到龄期为14 d时的3.22 mm,下降比例为29.5%,从14 d到28 d压缩变形量减小到3.02 mm,下降比例为6.2%.说明CPN 的压缩变形发展规律随龄期的增长而逐渐减小,且在龄期为14 d时,压缩变形量降低的幅度较大,说明该水泥土早期强度一般,但随着龄期的增长强度值快速增加,抵抗变形能力显著增强.龄期28 d后,试样在800 kPa荷载作用下产生的压缩变形量远小于同条件下纤维再生砂改性水泥土的压缩变形量,说明纤维和纳米黏土复合改性后的水泥土具有更好的抗压性能.

纤维和粉煤灰改性水泥土的压缩变形曲线如图3(d)所示.纤维和粉煤灰改性水泥土压缩变形曲线形态相比纤维和纳米黏土改性水泥土所得曲线更为平缓,改性后的水泥土强度随龄期的变化规律也与纤维和纳米黏土改性水泥土相似.在800 kPa的竖向压力下,CPF的压缩变形量从龄期为7 d时的3.83 mm 减小到龄期为14 d时的2.65 mm,下降比例为30.8%,从14 d到28 d压缩变形量减小到2.43 mm,下降比例为8.3%.不同点在于,纤维和粉煤灰改性水泥土在各龄期阶段呈现的抗压缩能力均强于纤维和纳米改性水泥土,粉煤灰的掺入更有效地填充水泥土内部间隙从而提高了土体强度.

在800 kPa的竖向压力下,不同外掺材料改性水泥土在不同龄期下的压缩变形量如图4所示.CPS的压缩变形量在各龄期均是最大,抗压缩性能最差.CP、CPN 以及CPF的压缩变形量随着龄期的增长而明显下降,抗压缩性能提升显著.与CP相比,CPN 及CPF的压缩变形量在短龄期7 d下变化不明显；在14 d龄期下,CPN 及CPF 的压缩变形量分别下降了20.7%和33.3%；在28 d龄期下,CPN 及CPF 的压缩变形量分别下降7.9%和25.9%.因此,CPF 的抗压缩能力最显著,粉煤灰和纤维组合改善效果最好.

图4 复合改性水泥土试样最终压缩变形量

2.3 孔隙比变化分析

各试样的初始孔隙比按式(1)计算:

式中:e0为初始孔隙比；h0为试样的初始高度；Δh为试样某级荷载下高度变化量.

仅掺入纤维的改性水泥土的e-P曲线如图5(a)所示.CP在荷载超过400 k Pa后,孔隙比减小程度逐渐降低.在800 kPa的竖向压力下,CP的最终孔隙比在龄期为7 d、14 d及28 d时分别为1.632、1.600及1.612,变化幅度较小.

将各龄期条件下纤维和再生砂改性水泥土试样压缩过程中孔隙比变化曲线绘于图5(b)中.CPS的e-P曲线特点是随着荷载的增加,孔隙比由近似线性减少变为逐渐缓慢地减少,各龄期条件下e-P曲线结果近似.综合其压缩曲线结果,CPS在800 k Pa的竖向压力下,各龄期孔隙比从1.520左右降低至1.500左右,变化幅度较小.因为CPS在所受荷载超过400 k Pa后,压缩变形量的变化幅度较之前有所降低.根本原因是再生砂相对于其他外掺材料具有较大的颗粒粒径,颗粒间的孔隙较大,但随着压缩的进行,颗粒间孔隙逐渐变为颗粒咬合后剩余孔隙,使得孔隙比在加压后期变化幅度较小.

纤维和纳米黏土改性水泥土试样e-P曲线如图5(c)所示.CPN 的e-P曲线随着龄期的增长依次呈现凹抛物线分布、近似线性分布及凸抛物线分布,但试验所得最终孔隙比随龄期的增长逐渐增加,其中龄期自7 d至14 d中增长幅度明显高于龄期14 d至28 d.在800 k Pa的竖向压力下,CPN 的孔隙比从龄期为7 d时的1.497增长到龄期为14 d的1.529,增长比例为2.1%,从14 d到28 d孔隙比增长到1.535,增长比例为0.4%.养护7 d、14 d、28 d的CPN 在固结压缩后其孔隙比减小值分别为0.264、0.232、0.229,孔隙比变化量随着龄期增长而减小.

图5 复合改性水泥土试样e-P 曲线

纤维和粉煤灰改性水泥土的e-P曲线如图5(d)所示.CPF 的e-P曲线随龄期的增长均呈现近似线性的分布规律,试验所得最终孔隙比随龄期的增长逐渐增大.其中龄期自7 d至14 d中增长幅度明显高于龄期14 d至28 d,该增长规律与CPN 一致.在800 k Pa的竖向压力下,CPF的孔隙比从龄期为7 d时的1.548增长到龄期为14 d 时的1.585,增长比例为2.4%,从14 d到28 d孔隙比增加到1.602,增加比例为1.1%.养护7、14、28 d的CPF在固结压缩后其孔隙比减小值分别为0.229、0.195、0.178,孔隙比变化量随着龄期增长而减小.

2.4 微观机理分析

通过电镜仪扫描,7 d龄期下CP、CPN 和CPF放大2000倍的SEM 图如图6所示.可以看出CP的微观结构中小颗粒单元体居多,土体内部存在较多的孔隙.土颗粒之间的胶结程度较差,整体骨架非常松散,密实程度很差；CPN 的微观图像中大小颗粒单元体分布均匀,纳米黏土的掺入使得土颗粒之间有较多针状的水化产物出现,有利于提高颗粒单元体之间的胶结力；CPF 的微观结构与CPN 相比更为致密,CPF中的小颗粒单元体减少,主要以大颗粒团状分布,并且小颗粒单元体以联结方式依附在大颗粒单元体上,这正体现出粉煤灰的掺入提高了土体的抗压缩性.

图6 7 d龄期下复合改性水泥土的SEM 图

图7所示为28 d龄期下CP、CPN 和CPF 放大2 000倍的SEM 图.随着龄期的增长,水化反应更加完全,CP、CPN 和CPF的微观结构均变得更加致密.28 d的CP有较多的大颗粒状单元体出现,土体的内部孔隙率明显降低；CPN 土颗粒之间的胶凝物质增多,土颗粒被紧紧胶结在一起.此外纳米黏土的比表面积很大,可以吸附Ca2+,加快C3S、C2S、C3A 的水化速度,从而提高强度；粉煤灰能够促进水泥在土中的水化速度且填充孔隙.28 d时,CPF 的大部分孔隙已经被胶凝物质充填,土颗粒被紧紧胶结在一起,形成极强的结构连接,整体结构非常致密.

图7 28 d龄期下复合改性水泥土的SEM 图

3 结 论

1)纤维和再生砂改性水泥土不能在纤维改性水泥土的基础上进一步提升水泥土的压缩性能,反而降低了纤维水泥土的抗压缩能力,因此,在工程实际中,再生砂或粒径较大砂类材料不宜同时掺入水泥土中进行改性.

2)CP、CPN 以及CPF的抗压缩性均随着龄期的增长而明显增强.在加入纤维的基础上,继续加入纳米黏土或粉煤灰均可以进一步增强改性水泥土的抗压缩性.在7、14、28 d 3种龄期下均是CPF的抗压缩性最强,改善效果最好.同时,纤维和粉煤灰改性水泥土的压缩特性以及孔隙比变化规律均呈近似线性分布,更容易计算和控制沉降.

3)从SEM 图可知,在纤维水泥土中掺入纳米黏土或粉煤灰后,表面附着了大量的乳白色胶凝物质从而提高了聚丙烯纤维与水泥土颗粒间的胶结力,使得整体结构更加致密.宏观表现为水泥土的抗压缩性得到明显提升.