粉煤灰改性水泥土强度特性与渗透性研究

2024-01-16刘春辉赵超群

砖瓦 2024年1期

张成刘春辉赵超群姜浩

(烟台大学土木工程学院，山东烟台 264005）

随着城镇和工业的发展，特别是我国高速铁路的快速发展，天然地基越来越不能满足大型聚集地对强度和使用性能的要求。水泥作为一种重要的胶凝材料，被广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程，利用水泥作为固化剂来提高软土地基的强度和减少软土地基的变形,已经被沿海软土地区工程建设项目较为普遍地采用[1]。

虽然水泥加固土的成效较好，但这种方法对水泥的需求量较大，带来的环保问题越来越突出。粉煤灰的加入不但能降低水泥水化热[2]、稳定性好、强度较高，而且可以做到废物的二次利用，减少水泥的使用量，降低成本。粉煤灰作为固体工业废料具有潜在活性，在碱激发作用下，能生成具有胶凝性能的物质[3]，可以降低土体粘度，增加凝固时间，增加复合材料的均匀性和稳定性。土体改良过程，即粉煤灰与混合物相互作用的过程，包括由于阳离子交换和颗粒粘附而对土体结构的改变，这可以归因于火山灰反应[4]。

水泥土强度指标通常采用室内无侧限压缩试验，但近年来，为了更好地模拟深层土搅拌的情况，经常采用三轴压缩试验来研究土体的力学性能。A.Porbaha等[5]的试验表明，土基复合材料在不排水三轴压缩试验中，与同条件下排水相比，在达到峰值应力和破坏应力之前应变更小，这表明不排水条件更加临界。

因此，本研究通过一系列室内固结不排水三轴剪切试验来研究两种复合材料的物理性能。以烟台砂土为材料，采用不同水泥胶凝材料处理后制成复合材料，围压范围为100kPa～900kPa。胶凝材料所采用的两种类型分别为：①水泥；②水泥和粉煤灰的混合物。通过对复合材料的力学和水力参数进行评价，分析两种复合材料的力学和渗透性能。

1 材料和方法

1.1 试样制备

为了制备均匀的试样，将所需质量的干水泥和粉煤灰与土体充分混合，然后加入自来水，用电动搅拌器充分搅拌2min，最后将所得混合物注入圆柱形饱和器中。饱和器的直径为39.1mm，高度为80mm。制样前在饱和器内壁均匀涂抹凡士林，便于成样后脱模。采用锤击法制样，分3层倒入饱和器内，并将土面整平，分层击实。

1.2 三轴试验程序

王滨生等[8]的研究表明，养护时间90d 时试样抗压强度达到最大。本试验试样在标准条件（温度20℃±2℃，湿度95%±5%）下养护90d，以产生大部分预期强度。之后，开展渗透试验与固结不排水三轴试验。

本研究所采用的三轴仪配备体积压力控制器，用于精确控制围压与反压。渗透试验与三轴试验均在该三轴仪上开展。试验方案如表1 所示。进行三轴试验时要确保试样完全饱和，为此将试样放入真空室，在-0.1MPa 的压力下进行饱和，然后将试样放置在三轴室中进行B 值检测，发现B 值远小于预期值(0.8)[9,10]，即试样未达到完全饱和。为此，在三轴压力室中进行反压饱和，即施加围压230kPa，并施加反压200kPa，并在后续试验中保持恒定，使复合水泥土饱和24h，并对试样再次进行B值检测，以确保试样达到饱和。

表1 试验方案

试样在三轴仪中分3个阶段进行固结，直至达到有效围压（100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa），每一阶段完成时间约为8h。固结试验完成后，对试样进行渗透试验。压差为30kPa，其值等于试样底部压力减去试样顶部压力，即试样顶部压力保持为200kPa，试样底部压力设定为230kPa。在水力梯度h下，记录某时刻t（本研究为2min）的总渗透水量Q。试样的渗透系数k由式（1）确定：

式中A为截面面积；L为试样高度。

渗透试验结束后，设置底部压力为200kPa。在不排水条件下试样以0.02mm/min 速率进行轴向加载，当试样轴向应变达到15%或试样发生破坏后终止加载。

2 三轴试验结果

本研究共开展了10种不同工况下的固结不排水三轴试验，每种工况开展3 组平行试验，以消除制样以及试验操作误差。分析了两种不同胶凝材料（水泥（C）和水泥+粉煤灰（CF））的影响，其中胶凝材料的掺量为10%（胶凝材料与干土的质量比），CF中掺入5%的粉煤灰（粉煤灰与水泥的质量比），即粉煤灰与干土的质量比为0.5%。试验中分别施加了100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa 的有效围压。表2 为三轴试验获取的不同胶凝材料水泥土的偏应力、平均有效应力、峰值轴向应变及残余轴向应变。偏应力（q）由式（2）确定，其中σ1′为最大有效主应力，σ3′为最小有效主应力。

表2 固结不排水三轴剪切试验结果

平均有效应力（p′）定义如下:

2.1 三轴试验中的应力-应变

图1为C与CF试样孔隙水压力（u）随轴向应变（ε）的变化曲线，其中u 为实测孔隙水压力减去恒定反压。由图1 可以看出，C 与CF 试样孔隙水压力随轴向应变的变化规律基本一致，即自有效围压为100kPa时，试样的孔隙水压力随轴向应变先增大后减小，并趋于一个相对稳定的负值，说明试验加载过程中，试样发生剪胀现象；对于有效围压大于100kPa 的工况，C 与CF 试样的孔隙水压力随轴向应变逐渐增大，然后趋于稳定，表明三轴试验加载过程中，试样发生显著的剪缩现象。

图1 孔压与轴向应变关系

2.2 峰值应力与围压关系

峰值偏应力(qpeak)与σc′的关系如图2 所示。当σc′小于500kPa时，C水泥土的qpeak变化不大，但当σc′大于500kPa 后，qpeak呈现线性增大趋势；对于CF型复合材料，qpeak未出现显著转折点，与σc′之间呈线性增加的关系。

图2 峰值强度与有效围压应力的关系

2.3 渗透系数与围压的关系

图3 为渗透系数(k)与有效围压应力(σc′)的关系曲线，图中k值由固结试验后的渗透试验得到。由图3可以看出，不同围压下试样的渗透系数变化不大，k值均在某一常数附近普遍呈现出轻微的波动，表明施加围压后，试样的体积并未发生显著压缩，这是由于水泥与粉煤灰的掺入，在砂土中形成骨架作用，且该骨架在施加围压后并未发生破坏；CF型试样的k值大于C试样，表明水泥粉煤灰试样的渗透性大于纯水泥试样，可以看出粉煤灰的掺入增加了试样孔隙的数量。