粉煤灰水泥土變形特性實(shí)驗(yàn)研究*

陳　峰　賴錦華

(①福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　福州　350116) (②福建江夏學(xué)院工程學(xué)院　福州　350108)

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粉煤灰水泥土變形特性實(shí)驗(yàn)研究*

陳峰①②賴錦華①

(①福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院福州350116) (②福建江夏學(xué)院工程學(xué)院福州350108)

水泥土中摻入粉煤灰能在一定程度改善其性能，而變形特性是實(shí)際工程應(yīng)用的重要指標(biāo)。因此，研究粉煤灰和齡期對(duì)水泥土變形特性的影響對(duì)實(shí)際工程具有較大的參考價(jià)值。通過(guò)粉煤灰摻量為0和8%的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)與粉煤灰的摻加有利于水泥土變形模量的增長(zhǎng)，尤其是粉煤灰的摻加有利于后期變形模量的增長(zhǎng)。進(jìn)一步對(duì)比分析兩種粉煤灰摻量時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和平均變形模量，發(fā)現(xiàn)它們之間基本上呈線性關(guān)系，隨后通過(guò)擬合得出了它們之間的換算公式。最后，考慮應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型特征以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，推導(dǎo)出了一定條件下的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變上升段表達(dá)式，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

水泥土粉煤灰齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變形特性

0　引　言

水泥土作為軟土地基處理的主要材料，20多年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)其特性進(jìn)行了大量研究，其強(qiáng)度和變形是水泥土在工程應(yīng)用上的重要參數(shù)。Kaniraj et al.(1999)通過(guò)水泥粉煤灰穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，得出含水量、齡期、水泥摻入比與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和割線模量的函數(shù)關(guān)系； Bahar et al.(2004)研究了不同水泥摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度和耐久性的影響； Jaritngam et al.(2006)通過(guò)不同水泥摻入比的一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究并得出水泥摻入比與水泥土物理性指標(biāo)、承載比、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系； 黃鶴等(2000)指出了約在0.85εm(εm表示最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變)以前應(yīng)力-應(yīng)變呈直線關(guān)系，隨著水泥摻入比的增加，直線關(guān)系特征越來(lái)越明顯； 梁仁旺等(2001)通過(guò)水泥摻入比為12%、15%、18%、21%、24%、28%共18個(gè)水泥土進(jìn)行的試驗(yàn)得出了水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線； 徐紅等(2001)利用淤泥質(zhì)黏土摻加不同比例的粉煤灰，分別進(jìn)行滲透、固結(jié)、直剪及三軸剪切試驗(yàn)，研究了黏土摻入粉煤灰后其工程力學(xué)性能變化的特征； 龔曉南(2002)根據(jù)眾人的研究得出了7d、30d齡期水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與90d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的換算公式。王天亮等(2010)在大量動(dòng)靜三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得出水泥土應(yīng)力-應(yīng)變呈應(yīng)變軟化型。 粉煤灰作為外加礦物摻料加入水泥土中可以改善其強(qiáng)度與變形特性，而一般的試驗(yàn)研究都集中在強(qiáng)度方面，在變形特性方面的研究還很少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了粉煤灰水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)粉煤灰水泥土受壓后的變形特性進(jìn)行了研究。

1　粉煤灰水泥土實(shí)驗(yàn)

參考梁仁旺等(2001)、嵇曉雷等(2011)的研究，本次實(shí)驗(yàn)采用的水泥摻入比aw為15%； 根據(jù)曹云等(2009)的研究，水灰比采用0.45； 進(jìn)行粉煤灰摻入比0與8%的對(duì)比研究。試驗(yàn)采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方體試件。水泥采用福建水泥股份有限公司煉石水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用華能福州電廠粉煤灰，其主要成分(表1)。試驗(yàn)用土選自福州某工地，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(快剪實(shí)驗(yàn))(表2)。

表1　粉煤灰化學(xué)成分及含量Table1　Chemical composition and content of fly ash

化學(xué)成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3含量/%57.234.713.512.590.170.22

表2　試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table2　Physical mechanical properties index of soil

土樣名稱天然含水率/%天然密度/g·cm-3孔隙比液限塑限/%壓縮系數(shù)a1-2/MPa-1內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)淤泥質(zhì)黏土54.41.621.49945.120.81.089.06.5

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥土強(qiáng)度與變形特性的重要工程指標(biāo)，因此水泥土的研究一般采用無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)所用儀器為ZBSX 92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)、JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)、ZT-96型水泥膠砂振實(shí)臺(tái)以及WDW-50微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試件拆膜后在溫度20±3℃，相對(duì)濕度90%以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)，試件彼此間隔10～20mm，試件應(yīng)避免直接被水沖淋。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)得到不同粉煤灰摻量試塊在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(表3)。

表3　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table3　The unconfined compressive strength test results

粉煤灰摻入比/%qu/MPa7d28d60d90d01.181.72.352.5880.942.132.953.35

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1水泥土變形模量

水泥土作為復(fù)合建筑工程材料，并非彈性材料，因此實(shí)際工程應(yīng)用中水泥土的變形模量一般采用平均變形模量E50來(lái)表示，E50的定義為：

(1)

其中， ε0.5為應(yīng)力等于0.5qu所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

2.1.1E50與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu

實(shí)驗(yàn)得出了粉煤灰摻入比分別為F=0與F=8%時(shí)水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1，圖2)。通過(guò)這些曲線可以得到相應(yīng)齡期的E50值(表4)。

圖1　粉煤灰摻入比F=0時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 1　F=0，stress-strain curves

圖2　粉煤灰摻入比F=8%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2　F=8%，stress-strain curves

表4　不同齡期水泥土的E50值Table4　E50of cement-soil in different curing period

粉煤灰摻入比/%E50值/MPa7d28d60d90d0134.09202.38230.39379.41897.87226.60546.30620.34

由表4可得E50與qu的擬合關(guān)系，其擬合式為：

E50=150.4qu， R2=0.939

(2)

圖3　水泥土E50 與qu的擬合關(guān)系Fig. 3　Simulation effect of cement-soil between E50and qu

相應(yīng)的擬合曲線(圖3)。從圖3 可以看出，不同的齡期條件下，粉煤灰摻入比為0與8%時(shí)其水泥土E50與qu呈線性關(guān)系，并且隨著抗壓強(qiáng)度的增大其變形模量也相應(yīng)增大。對(duì)于粉煤灰摻入比為0與8%的水泥土，不同齡期時(shí)的變形模量可根據(jù)式(2)由無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu估算而來(lái)?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)中提出建議E50=(100～120)qu； 王朝東等(1996)通過(guò)水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線給出了E50=(141～196)qu； 李建軍等(2009)通過(guò)三軸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系得到：當(dāng)qu=0.4～4.5MPa時(shí)，變形模量E50=100～450MPa及E50=(100～250)qu。不同學(xué)者提出的計(jì)算公式有所不同，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)施工情況進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)以獲得相應(yīng)的關(guān)系式，才能確保安全可靠。

2.1.2粉煤灰與E50

由表4可知， 7d齡期時(shí)，普通水泥土變形模量E50值為134.09MPa，粉煤灰摻入比F=8%時(shí)為97.87MPa； 而到了28d齡期時(shí)，普通水泥土E50值為202.38MPa，F(xiàn)=8%時(shí)達(dá)到了226.6MPa，增強(qiáng)了約12%； 60d齡期時(shí)，普通水泥土E50值為230.39MPa，F(xiàn)=8%時(shí)達(dá)到了546.3MPa，增強(qiáng)了137%； 90d齡期時(shí)，普通水泥土E50值為379.41MPa，F(xiàn)=8%時(shí)為620.34MPa，增強(qiáng)了約64%。由此可以看出，隨著齡期的增長(zhǎng)，摻加粉煤灰有利于水泥土變形模量的增長(zhǎng)。因此粉煤灰的摻加有利于克服水泥土形成復(fù)合地基時(shí)后期變形較大的缺點(diǎn)。

2.2水泥土破壞應(yīng)變?chǔ)舊

在實(shí)際工程應(yīng)用中，破壞應(yīng)變?chǔ)舊是衡量水泥土變形特性的重要參考指標(biāo)，破壞應(yīng)變?chǔ)舊大則其塑性特征明顯，破壞應(yīng)變?chǔ)舊小則其脆性特征顯著。圖4 為各齡期下粉煤灰摻入比F=0與8%時(shí)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖。

圖4　水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 4　Stress-strain relation of cement-soil

從圖4 可以看出，粉煤灰摻入比為0時(shí)，水泥土破壞應(yīng)變?chǔ)舊隨著齡期的增長(zhǎng)而變小，說(shuō)明了齡期增長(zhǎng)使得水泥土由塑性破壞特性逐漸向脆性破壞特征轉(zhuǎn)變。粉煤灰摻入比為8%時(shí)，水泥土破壞應(yīng)變?chǔ)舊的變化與粉煤灰摻入比為0時(shí)相同，即隨著齡期增長(zhǎng)逐漸變小。說(shuō)明了無(wú)論摻加粉煤灰與否，水泥土破壞特性都會(huì)隨著齡期增長(zhǎng)逐漸由塑性破壞過(guò)渡到脆性破壞。

以此同時(shí)，相同齡期不同粉煤灰摻入比條件下， 7d齡期時(shí)，粉煤灰的摻加使得水泥土的破壞應(yīng)變?chǔ)舊增大，水泥土破壞特性向塑性特征轉(zhuǎn)變； 28d、60d、90d齡期時(shí)，粉煤灰的摻加均使得水泥土的破壞應(yīng)變?chǔ)舊減小，水泥土破壞特性向脆性特征轉(zhuǎn)變?？偟膩?lái)說(shuō)，粉煤灰的摻加使得水泥土的破壞特性由塑性特征向脆性特征轉(zhuǎn)變，在齡期越長(zhǎng)的水泥土中這種特性表現(xiàn)得越明顯。

2.3粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變特點(diǎn)及擬合

水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在水泥土復(fù)合地基承載力與沉降計(jì)算等工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，因此進(jìn)行粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究很有必要。

2.3.1粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特點(diǎn)

從圖4 不同齡期的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，可以得出以下結(jié)論：

(1)無(wú)論摻加粉煤灰與否，在0.85εm(εm表示最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變)之前，關(guān)系曲線基本呈線性，σ-ε關(guān)系可近似于直線。直線段的斜率、強(qiáng)度qu、破壞應(yīng)變?chǔ)舊等受齡期和粉煤灰摻入比的影響較大。

(2)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線斜率基本上隨著強(qiáng)度qu的增加而增大。早期時(shí)(7d內(nèi))，粉煤灰的摻入使得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線斜率變小。而在齡期較長(zhǎng)時(shí)，粉煤灰的摻入能夠使得水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線斜率增大。并且在較長(zhǎng)齡期時(shí)，粉煤灰的摻入使得水泥土破壞應(yīng)變?chǔ)舊也變小。

(3)無(wú)論是否摻加粉煤灰，水泥土破壞應(yīng)變?chǔ)舊均隨著齡期逐漸變小，水泥土的破壞特性也由塑性逐漸向脆性轉(zhuǎn)變，這一特性在長(zhǎng)齡期的水泥土中表現(xiàn)得更加明顯。

2.3.2粉煤灰應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，具有彈塑性、黏性、各向異性等特點(diǎn)，受諸多因素的影響。想要建立考慮所有影響因素的應(yīng)力-應(yīng)變模型是相當(dāng)困難的。在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下，考慮部分影響因素建立粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變模型是可行的。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度所得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，通過(guò)非線性擬合，建立一個(gè)考慮單軸受力的粉煤灰水泥土應(yīng)力-應(yīng)變模型。由于水泥土在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線下降段受實(shí)驗(yàn)條件影響，精度有所不足，所以此次實(shí)驗(yàn)僅考慮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段模型的研究。

粉煤灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段必須滿足以下幾個(gè)特征：

(1)ε=0，σ=0

(2)0≤ε≤εm，dσ2/dε2≤0

(3)ε=εm，σ=σ0

(4)ε≥0， 0≤σ≤σ0

其中，εm表示最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，σ0為最大應(yīng)力。

通過(guò)上面4個(gè)條件直接給出表達(dá)式比較困難。因此，采用對(duì)實(shí)驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，以滿足上述4個(gè)條件。

選用擬合的表達(dá)式形式為：

y=ax+bx2

即

(3)

其中，a和b分別為回歸參數(shù)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)取得的粉煤灰摻入比為0和8%的σ-ε曲線進(jìn)行擬合，獲得相應(yīng)的回歸參數(shù)a、b及擬合系數(shù)R2(表5)。

表5　回歸參數(shù)表Table5　Regression parameter table

粉煤灰摻入比/%齡期/dabE50/MPaqu/MPaR2071.50-0.47134.091.180.998282.22-0.65202.381.70.994604.61-1.78230.392.350.967905.65-2.32379.412.580.987871.13-0.3498.870.940.977282.36-1.22226.602.130.978606.84-3.36546.302.950.999908.72-4.30620.343.350.976

從擬合系數(shù)R2可以看出，二次曲線的擬合效果很好。由于E50與qu對(duì)水泥土來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的參數(shù)，所以對(duì)表中回歸參數(shù)a， b的值分別與qu和E50進(jìn)行回歸分析，可以得到相應(yīng)的回歸方程：

a=3.152qu-2.528R2=0.946

(4)

b=0.431-0.00738E50R2=0.987

(5)

圖5　回歸參數(shù)a， b擬合曲線Fig. 5　The matched curve of regression parameter about a and b

式(4)、式(5)的回歸曲線(圖5)。通過(guò)式(2)可由qu換算E50，然后將E50和qu代入式(4)、(5)即可得到相應(yīng)的a， b值。再由式(3)可得相應(yīng)粉煤灰摻入比的應(yīng)力-應(yīng)變上升段表達(dá)式。

當(dāng)然必須指出的是，以上所推導(dǎo)出的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段表達(dá)式是在單軸受壓狀態(tài)下提出的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。并且僅在水灰比為0.45，粉煤灰摻入比為0和8%，水泥摻入比為15%，試驗(yàn)選用的土樣為福州某地區(qū)淤泥質(zhì)黏土的前提下得出。這個(gè)關(guān)系模型是否符合其他不同的試驗(yàn)條件，必須通過(guò)大量的試驗(yàn)才能夠驗(yàn)證。

3　結(jié)　論

本文為了研究粉煤灰水泥土的變形特性，使其更好的應(yīng)用在工程中，進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到了以下結(jié)論：

(1)隨著水泥土齡期的增長(zhǎng)，其變形模量也隨之增長(zhǎng)，而摻加粉煤灰后水泥土的變形模量顯著增加，尤其有利于水泥土后期變形模量的增長(zhǎng)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)水泥土的平均變形模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本上呈線性關(guān)系，因此本次實(shí)驗(yàn)擬合出了平均變形模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的換算公式。

(2)無(wú)論摻加粉煤灰與否，水泥土破壞特性都會(huì)隨著齡期增長(zhǎng)逐漸由塑性破壞過(guò)渡到脆性破壞。但同齡期時(shí)，除早期(7d)外，粉煤灰的摻加使得水泥土的破壞特性由塑性特征向脆性特征轉(zhuǎn)變，相對(duì)地，齡期越長(zhǎng)這種特性表現(xiàn)越明顯。

(3)通過(guò)拋物線公式擬合應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，獲得相應(yīng)表達(dá)式σ=aε+bε2的回歸參數(shù)a、b的值。再進(jìn)一步通過(guò)對(duì)參數(shù)a、b的值分別與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和變形模量進(jìn)行回歸分析，得出相應(yīng)參數(shù)的回歸方程，最后推導(dǎo)出單軸受壓狀態(tài)下水泥摻入比為15%，水灰比為0.45，粉煤灰摻入比為0和8%的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變上升段表達(dá)式。這種研究方法以及得出的結(jié)果可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考。

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EXPERIMENTAL STUDY OF DEFORMATION CHARACTERISTICS OF FLY ASH CEMENT-SOIL

CHEN Feng①②LAI Jinhua①

(①CollegeofEnvironmentandResources，F(xiàn)uzhouUniversity，F(xiàn)uzhou350116) (②CollegeofEngineering，F(xiàn)ujianJiangxiaUniversity，F(xiàn)uzhou350108)

The incorporation of fly ash into cement-soil can improve its performance in a certain extent. The deformation characteristic is an important index of actual engineering applications. Therefore， researching the effects of fly ash and ages on deformation characteristics of cemente-soil has a great reference value to actual engineering applications. The unconfined compressive strength test of 0 and 8%fly ash cement-soil is done. The experiments show that the growth of the curing age and the addition of fly ash are beneficial to the growth of cement-soil deformation modulus. Especially， the addition of fly ash is beneficial to the growth of the late deformation modulus. By further analyzing the unconfined compressive strength and the average deformation modulus of 0 and 8%fly ash cement-soil specimen， it is found that there is a basically linear relationship between them. Then the conversion formula is derived between them by fitting. Finally， considering the characteristics of stress-strain curve model and regression analysis on the test data， the expression of stress-strain of cement-soil on ascent stage is deduced under the definite condition. The results provide the reference for actual engineering designs．

Cement-soil， Fly ash， Curing period， Unconfined compressive strength， Deformation characteristics

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.012

2015-05-26;

2015-10-01.

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2015J01634)，福建省省屬高校專項(xiàng)科研項(xiàng)目(編號(hào)：JK2014059)資助.

陳峰(1980-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程. Email：cfxh@fzu.edu.cn

TU41

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