粉煤灰水泥土力学特性试验研究

2022-09-08肖东旭马芹永

安徽理工大学学报（自然科学版） 2022年3期

肖东旭,马芹永*

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南 232001)

水泥土是由水、土、水泥按一定比例拌和而成的复合土工材料，因其取材方便、性能较好且价格低廉，被广泛运用在软弱地基处理、基坑防渗、大坝的边坡加固等工程领域[1]。因此，对水泥土的研究引起了国内外众多学者的关注[2-3]。然而常规水泥土表现出后期承载力不足、变形较大等缺点，如何改善水泥土的工作性能成为上述工程领域研究亟待解决的问题[4-6]。

众多研究和现场试验表明粉煤灰在碱性条件下可显著提升水泥土抵抗破坏和变形的能力[7]。粉煤灰主要成分是铝硅酸盐，在碱性环境中其活性较容易被激发。硅氧四面体和铝氧四面体结构中的Si-O和Al-O键在OH-的作用下发生断裂，促使粉煤灰玻璃体解聚，从而提高粉煤灰与Ca(OH)2的水化进程，形成具有高聚合度和空间网状结构的硅铝酸盐聚合物凝胶，有效地改善水泥土内部结构，使之更加密实，从而提高其强度[8-9]。因此，在建筑材料中合理利用粉煤灰，提升建筑材料的工作性能是近些年的研究热点[10-11]。文献[12]研究表明粉煤灰的加入可有效地提升路基的强度和耐久性。文献[13]98研究了粉煤灰掺量和养护龄期对水泥土强度和变形模量的影响，并建立两者之间的关系。文献[14]发现在水泥土中掺入适量的粉煤灰可有效较低水泥土的渗透性，提升抗渗能力。文献[15]通过开展渗透试验和电镜扫描试验，证实了在碱性条件下，粉煤灰可显著降低试样的孔隙率，提升水泥土的工作性能。以上研究表明在软弱地基中在水泥土中掺入适量粉煤灰可提升地基承载力并降低土体的渗透性，同时粉煤灰的掺入会降低工程造价，具有良好的经济效益、环境效益和社会效益[16]。

岩土工程材料的无侧限抗压强度和劈裂抗压拉强度是工程中重要的参数，由于干缩变形和不均匀沉降，使得水泥土普遍受到拉应力，且拉伸裂缝的存在会极大弱化水泥土的承载力[17]。以上研究主要集中于水泥土材料的抗压性能，但对抗拉性能的研究较为欠缺，因此本文开展了不同粉煤灰掺量和不同养护龄期试验条件下粉煤灰改良水泥黏土的力学试验，研究粉煤灰水泥改良黏土的强度和变形性能，以期为现场应用提供了理论依据。

1 试验方案及材料

(1)试验方案

为研究养护龄期和粉煤灰掺量对水泥改良黏土力学性能的影响，开展了无侧限抗压强度试验和劈裂拉伸试验，试样尺寸分别为φ50mm×100mm和φ50mm×50mm，每组3个平行试样。养护龄期为7d、14d和28d；水泥掺量为15%，粉煤灰掺量分别为0%、3%、6%、9%和12%，水泥和粉煤灰掺量均为干土质量百分比；为充分激发粉煤灰活性，掺入1.0%(占干土质量)的氢氧化钠作为碱激发剂。

(2)试验材料

试验所用黏土取自合肥某堤坝，原状含水率为39.4%，塑限为24.01%，液限为44.31%，根据土工试验规范，将土烘干、破碎，过2mm筛备用；水泥选用八公山水泥厂生产的P.O42.5水泥，其中SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、Na2O、MgO和SO3的含量分别为19.6%、6.5%、66.3%、3.5%、0.3%、0.6%、0.7%和2.5%；粉煤灰为淮南平圩电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，其碱含量为0.95%，SO3含量为0.30%，细度为11.89%，烧失量为0.86%，需水量比为91%，比重为2.15%，SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、Na2O和TiO2的含量分别为54.19%、22.34%、0.41%、12.35%、3.87%、2.63%和4.12%。氢氧化钠(NaOH)选用天津市致远化学试剂公司生产的分析纯，NaOH含量不低于95%；水为试验室自来水。

(3)试验方法

在干土中加入适量水，配置成原状含水率，装入密封袋内浸润24h，随后根据试验方案称量适量的粉煤灰、水泥、NaOH和水，充分搅拌均匀后将混合物放入特定的磨具分层击实。待试样制作好，在实验室内常温养护28d后开展试验。试验开始前，对加载面两端进行打磨，并均匀地涂抹一层凡士林，保证受压面承受垂直荷载同时可有效地减小端面摩擦效应，以获得试样真实的承载力。试验采用WDW-20型微机控制式电子万能实验机，其量程为20kN，精度为1N；使用位移控制方式，加载速率为1mm/min。每组试验3个试样，取其算数平均值作为试样强度。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验

1)应力-应变曲线应力-应变曲线能够综合反映出试样在外荷载作用下的强度和变形特性。水泥土作为一种典型的非均质材料，其内部含有大量的微孔隙，因此应力-应变关系表现出明显的非线性特征，如图1所示。

(a)养护龄期为7d的应力-应变曲线

随着加载的持续进行，应力-应变曲线大致可分为压密阶段、线弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。加载初期，试样内部孔隙在荷载的作用下闭合，试样抵抗变形的能力逐渐增强。随着荷载的持续增加，试样处于线弹性阶段，此阶段应力-应变呈现出明显的线性特征。在塑性变形阶段，在外荷载的作用下，试样内部产生大量的微裂纹和孔洞，试样的承载力下降，因此在到达峰值点之前，应力的增长幅度随应变的增加而减小。在破坏阶段，试样的承载力急剧下降。

不同试验条件下的应力-应变曲线，均表现出明显的应变软化特性。在不同龄期下，随着粉煤灰掺量的增加，试样的承载力和抵抗变形的能力表现出先增加后减小的趋势，当粉煤灰掺量为3%时强度最大。粉煤灰掺量在3%～9%时的强度依然大于素水泥改良土，仅当掺量为12%时，其强度小于素水泥土，因此粉煤灰掺量应控制在合理的范围内。

2)无侧限抗压强度图2为不同试验条件下试样的无侧限抗压强度(UCS)，在不同龄期下，粉煤灰掺量为3%时复合水泥改良土的强度最大，可能是由于粉煤灰中的活性物质和水泥水化产物氢氧化钠产生了火山灰反应，生成了胶凝物质水化铝酸钙和水化硅酸钙，填充试样内部孔隙，使其结构更加致密。随着掺量的增加强度有所降低，造成这一现象的原因是过高的粉煤灰掺量，使得水泥与土颗粒间的粘结反应产生的土团结构减少，从而使其强度降低。

图2 粉煤灰水泥改良黏土无侧限抗压强度

不同粉煤灰掺量下，水泥土的强度均随着养护龄期的增加而增加。试样内部水泥的水化反应以及粉煤灰的聚合反应可能持续进行，产生大量的钙矾石、C-S-H等晶体和胶凝物质，填充了水泥土内部孔隙，增加了密实度，使其整体结构得到了增强，从而提高试样的抵抗变形和破坏的能力。

为进一步描述粉煤灰对水泥改良土强度的影响，引入的强度增长率(η)，计算公式如式(1)所示，计算结果如表4所示。

(1)

式中：σn为不同粉煤灰掺量下水泥土的抗压(拉)强度，MPa；σ0为素水泥土的抗压(拉)强度，MPa。

3)变形模量由试验所得应力-应变曲线可知，粉煤灰改良水泥黏土在外荷载作用下表现出明显的非线性特征，为反映水泥土的变形特性，工程上一般采用变形模量E50表示。

(2)

式中：ε0.5为峰值应力50%处所对应的应变值。

对于基础支护设计和地基处理而言，变形模量是一个重要的设计参数，具体试验结果如图3所示。从图3能够看出，在不同龄期下，粉煤灰可有效提升水泥土的变形能力，当掺量为3%时变形模量最大。同时随着龄期的增长，水泥土抵抗变形的能力得到了显著的提升。因此，合适掺量的粉煤灰有助于改善水泥土形成复合地基时后期变形较大的缺点。

表1 无侧限抗压强度增长率

图3 粉煤灰水泥改良黏土变形模量

4)强度和变形模量的关系无侧限抗压强度和变形模量在工程中是2个重要的设计参数，因此有必要分析二者的关系。根据《建筑地基处理技术规范》( JGJ79-2012 )中提出建议E50=(80～120)UCS，然而土的种类、水泥的种类和掺量、养护环境等众多因素对二者的关系会产生显著的影响。文献[18]通过研究水泥改良锌污染土，发现变形模量和无侧限抗压强度的比值介于18～53；文献[19]开展了水泥改良砂土试验，发现E50= (51～80) UCS。然而在同等试验条件下，普通的硅酸盐水泥改良黏土的变形模量优于比贝利特水泥改良黏土[20]。本研究发现变形模量和无侧限抗压强度的比值在48.59～106.26，如图4所示，变形模量随峰值应力的增大而增大，二者大致呈线性相关，这与文献[13]98的研究结果类似。