閱讀 15485 次 水泥土復(fù)合材料物理力學(xué)性質(zhì)研究

水泥土作為一種復(fù)合材料，具有廣泛的工程應(yīng)用。除大量用于處理濕陷性黃土地基以外, 還廣泛用于處理其他非飽和土和雜填土。但關(guān)于水泥土的工程特性研究較少，理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實踐。目前，由于水泥灰土在工程實踐中的廣泛應(yīng)用，關(guān)于水泥灰土的研究逐漸增多，并積累了一定的成果。韓曉雷等[1]通過不同灰土配比的擊實試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，探討了影響灰土強(qiáng)度的主要因素；徐秀香[2]和王蓉[3]、王超楠[4]對純灰土試樣及不同配比水泥灰土試樣開展一系列室內(nèi)試驗，得到了水泥灰土的強(qiáng)度與齡期、水泥摻入量、含水量、圍壓、養(yǎng)護(hù)條件等因素的關(guān)系。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了水泥土物理及工程特性研究。通過對1:9、1:6水泥土試樣進(jìn)行重型和輕型擊實試驗、不同含水量狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等一系列試驗，探討水泥摻量、齡期、含水量等各種因素對水泥土工程性質(zhì)的影響，對水泥土作為工程填料具有一定的理論價值和工程實踐意義。

2、室內(nèi)試驗

2.1 試驗材料

試驗所用的土料取自西安科技大學(xué)東南角土崖，為全擾動新近堆積黃土，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。實驗所用水泥為陜西省銅川市耀州區(qū)生產(chǎn)的“秦嶺”牌32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥。

表1 土料物理性質(zhì)參數(shù)

試驗所用的灰土試樣均按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]制備。將土在室內(nèi)風(fēng)干，再將碾碎的土過0.5 mm 篩，將水泥與土料按體積比為1:9和1：6配置水泥土。然后通過輕型擊實和重型擊實實驗確定1:9和1：6兩種配比水泥土的的最優(yōu)含水量以及最大干密度。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣的養(yǎng)護(hù)齡期分別取為 1 d、3d、5d、10 d、15d、30 d和60 d，含水量控制在最優(yōu)含水量附近。另外，為了充分了解水泥灰土的水穩(wěn)定性，在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的基礎(chǔ)上測定其軟化系數(shù)。

3、試驗結(jié)果分析

通過輕型和重型擊實試驗，確定出各種配比水泥土的最優(yōu)含水量及最大干密度，如表1所示。可以看出：①重型擊實作用下較輕型擊實作用下時最優(yōu)含水量低，最大干密度大；②水泥摻量大的試樣最優(yōu)含水較水泥摻量小的試樣最優(yōu)含水量高，最大干密度小。如表1所示，1:9水泥土和1:6水泥土的重型擊實比輕型擊實最優(yōu)含水量分別降低8.3%和17.9%。各配比水泥土在不同含水量和不同擊實功作用下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線如圖1~圖4所示。

表1 不同配比水泥土的最優(yōu)含水量

從圖1~圖4可以看出：① 隨著齡期的增長各配比水泥土的強(qiáng)度均呈現(xiàn)出增長趨勢；② 輕型擊實水泥土的齡期-強(qiáng)度曲線在10d左右會出現(xiàn)一個拐點，但拐點處抗壓強(qiáng)度與60d時的強(qiáng)度的相比較小，一般為60天時抗壓強(qiáng)度的0.3～0.6；③重型擊實水泥土的齡期-強(qiáng)度曲線沒有明顯的強(qiáng)度拐點，強(qiáng)度增長相對輕型擊實比較均勻。

表2為不同配比水泥土在最優(yōu)含水率狀態(tài)下不同齡期的強(qiáng)度。可以看出：①擊實能量對試樣強(qiáng)度

圖1 1:9水泥土輕型擊實強(qiáng)度曲線

圖2 1:9水泥土重型擊實強(qiáng)度曲線

圖3 1:6水泥土輕型擊實強(qiáng)度曲線

圖4 1:6水泥土重型擊實強(qiáng)度曲線

影響巨大，最優(yōu)含水量狀態(tài)下1:9水泥土、1:6水泥土在重型擊實的情況下比其輕型擊實分別提高約69.44%和60.77%；②水泥摻入量對試樣強(qiáng)度也有一定影響，最優(yōu)含水量狀態(tài)下，兩種水泥土早期強(qiáng)度相當(dāng)，但60天齡期時的強(qiáng)度1:6水泥土在輕型和重型擊實情況下比1:9水泥土的強(qiáng)度分別提高15.7%和11.2%。

表2 不同配比水泥土在最優(yōu)含水率狀態(tài)下不同齡期的強(qiáng)度（kPa）

3.2含水量對抗壓強(qiáng)度的影響

為比較含水量對水泥土的影響，選取不同含水量的土樣進(jìn)行對比。不同含水量水泥土的抗壓強(qiáng)度曲線見圖1~圖4。可以看出同一配比的水泥土、越接近于最優(yōu)含水量，其抗壓強(qiáng)度越大，含水量離最優(yōu)含水量越遠(yuǎn)的試樣強(qiáng)度越低。隨著齡期的增長這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯，到后期最優(yōu)含水量的強(qiáng)度曲線從其他含水量的強(qiáng)度曲線中逐漸向上分離出來。高于最優(yōu)含水量的試樣較低于最優(yōu)含水量的試樣強(qiáng)度下降更為顯著，因而，在實際工程應(yīng)用中含水量的選取建議采取“寧低勿高”的原則。

3.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是衡量和評價填料工程性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，一般采用軟化系數(shù)來進(jìn)行評價。軟化系數(shù)是指填料飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與普通潮濕狀態(tài)下強(qiáng)度之比。表2給出了重型擊實作用下1：6水泥土在不同含水量時的軟化系數(shù)（為了便于比較，文中將最優(yōu)含水量的試驗數(shù)據(jù)加粗）。可見，在最優(yōu)含水量水泥土的軟化系數(shù)最高，水穩(wěn)定性最好。

表2 不同配比水泥土的軟化系數(shù)（60d）

對于實際工程中的夯實擠密樁來講，它們的工作環(huán)境都會受到圍壓的作用，故其破壞形式多具有塑性破壞的特點。水泥土試樣破壞形式與水泥灰土類似，在較短齡期（30d以內(nèi)）表現(xiàn)出原狀土的形式，多表現(xiàn)出應(yīng)變較大的塑性破壞；隨著齡期的增長（60d以后）水泥土試樣的各項力學(xué)性狀逐漸展現(xiàn)出巖石試樣的性質(zhì)，多表現(xiàn)出應(yīng)變較小的脆性破壞。從大量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗中發(fā)現(xiàn)，所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大多可分為三個顯著區(qū)別的階段[2]，如圖5所示。

圖5 水泥土典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線

(1)彈性變形階段：從開始加載至P1點，該階段應(yīng)力較小，變形主要來自于試樣團(tuán)粒和凝結(jié)材料結(jié)晶體產(chǎn)生的彈性變形，應(yīng)力‑應(yīng)變曲線大致為直線，變形在卸載之后可以恢復(fù)。

(2)塑性強(qiáng)化階段：該階段的終點P2對應(yīng)于應(yīng)力‑應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度。應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入彎曲段，斜率減小的同時變形增長速率逐漸增大，壓應(yīng)力增長速率逐漸減小。表明試樣內(nèi)部微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫穿并逐漸發(fā)展成為明顯可見的裂紋和裂縫。

(3)殘余軟化階段：當(dāng)加載應(yīng)力超過試樣的極限強(qiáng)度后，即應(yīng)力‑應(yīng)變曲線開始向下彎曲, 應(yīng)變持續(xù)增長的同時應(yīng)力降低，出現(xiàn)明顯的軟化特征。此時雖然試樣不能承擔(dān)更大的荷載，但由于破裂面兩側(cè)的摩擦咬合作用沒有出現(xiàn)壓應(yīng)力突然急劇下降的現(xiàn)象，試樣還能承受一定的荷載。

4、結(jié)論

通過對1:6、1:9水泥土試樣進(jìn)行重型和輕型擊實作用，得出其最有含水量，并進(jìn)行不同含水量作用下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗以及水穩(wěn)定性試驗，分析齡期、含水量、水泥摻量等因素對水泥土工程性質(zhì)的影響，得到結(jié)論如下：

(1) 水泥含量及擊實功對水泥土最優(yōu)含水量和最大干密度都有較大影響。水泥摻量的影響相對較小；擊實程度對試樣的強(qiáng)度等方面影響巨大，相同配比的試樣，擊實功大時試樣的強(qiáng)度比擊實功小的試樣強(qiáng)度高；

(2)水泥土強(qiáng)度隨齡期增長較均勻，輕型擊實情況下試樣在10d左右會出現(xiàn)一個拐點，一般為60d的強(qiáng)度0.3～0.6；重型擊實情況下水泥土的齡期-強(qiáng)度曲線沒有明顯的強(qiáng)度拐點；

(3) 含水量對水泥土的強(qiáng)度影響較大。試樣越接近最優(yōu)含水量，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度越大，含水量離最優(yōu)含水量越遠(yuǎn)的試樣強(qiáng)度越低，且高于最優(yōu)含水量的試樣較低于最優(yōu)含水量的試樣強(qiáng)度下降更為明顯；

(4) 在最優(yōu)含水量時水泥土的水穩(wěn)定性最好；

(5) 水泥土試樣在齡期較短時多出現(xiàn)塑性破壞；隨齡期的增長逐漸呈現(xiàn)為脆性破壞。典型的水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出3個明顯的階段：彈性變形階段，塑性強(qiáng)化階段以及殘余軟化階段。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓曉雷，郅彬，郭志勇，灰土強(qiáng)度影響因素研究巖土工程學(xué)報2002，24(5)：667-669.

[2] 徐秀香，王蓉.水泥灰土特性的試驗研究沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2006，22(6)：911-915.

[3] 王蓉，水泥灰土強(qiáng)度影響因素及其力學(xué)損傷模型初探與灰土擠密樁復(fù)合地基承載力的概率分析西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[4] 王超楠，水泥灰土的強(qiáng)度特性及工程應(yīng)用研究西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[5]土工實驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999).北京：中國計劃出版社，1999.

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會 文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯 劉真 文徑 審核)