粉煤灰水泥土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

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(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

粉煤灰水泥土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

蒙強(qiáng),邵俐,施倩蕓

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093)

針對上海蘇州河區(qū)域的軟土特點(diǎn),將粉煤灰和水泥作為固化材料加固飽和軟黏土,研究粉煤灰對水泥土力學(xué)特性的影響.通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了不同粉煤灰摻量、水泥摻量以及不同齡期對水泥土強(qiáng)度和變形特性的影響;通過Matlab數(shù)據(jù)擬合,提出了水泥粉煤灰固化土的強(qiáng)度預(yù)測方法.隨著齡期的增長和粉煤灰摻量的增加,固化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由塑性破壞轉(zhuǎn)變成脆性破壞.當(dāng)粉煤灰摻量過高時(shí),水泥土中易發(fā)生耦合反應(yīng),影響固化效果.因此,水泥摻量與粉煤灰摻量比例為1∶1,且粉煤灰最佳摻量為14%～18%.

水泥土; 粉煤灰; 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥土在地基處理中具有少擾動(dòng)、施工周期短、高強(qiáng)度及低造價(jià)等特點(diǎn),適合作為加固上海軟土地基的有效方式之一.粉煤灰是燃煤電廠和供熱鍋爐所排放的主要固體廢棄物,隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展,粉煤灰已成為排放量最大的工業(yè)廢渣之一.粉煤灰水泥土應(yīng)用于地基處理,減少了粉煤灰的排放量,利于環(huán)保,同時(shí)部分替代水泥,降低工程成本.Sawa等[1]將粉煤灰作為固化材料加固淤泥,并進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn),得出了CaO和SO3含量高的粉煤灰對固化土強(qiáng)度提高效果最好,其中,火山灰質(zhì)水化生成的鈣礬石和水化硅酸鈣混合物對固化土強(qiáng)度提高起主要作用.Kolias等[2]采用粉煤灰和水泥對細(xì)粒黏土進(jìn)行固化,研究表明,隨著粉煤灰摻量的增加,固化土塑性降低,抗壓強(qiáng)度提高.Jongpradist等[3]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分析了粉煤灰對高含水量水泥土的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的影響,提出了粉煤灰是水泥的等效膠凝材料,并且建立了關(guān)于水灰比的強(qiáng)度預(yù)測公式.尹利影[4]將粉煤灰添加到水泥漿中進(jìn)行軟土的固化試驗(yàn)研究,隨著粉煤灰摻量的增加,水泥土干縮變形顯著減小.本文探討了粉煤灰水泥土的固化機(jī)理,通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究了粉煤灰水泥土應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律、粉煤灰摻量和齡期對強(qiáng)度的影響,并提出強(qiáng)度預(yù)測方法.

1 試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

土樣取自上海蘇州河區(qū)域,取土深度約10 m.軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.水泥采用強(qiáng)度等級為425號(hào)的普通硅酸鹽水泥.粉煤灰采用Ⅰ級高鈣型,基本化學(xué)成分如表2所示.

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表3所示.

表1 軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of the soft soil

表2 粉煤灰的基本化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of the fly ash

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案Tab.3 Experiment design of unconfined compressive strength test

注:水泥摻入比指水泥質(zhì)量和濕土質(zhì)量之比,粉煤灰摻入比指粉煤灰質(zhì)量和濕土質(zhì)量之比.

1.3試驗(yàn)方法

將烘干的土過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,根據(jù)試驗(yàn)方案將土、水泥、粉煤灰和水按設(shè)計(jì)配比放入攪拌器內(nèi)攪拌至均勻,分3層人工搗實(shí),將混合土體裝入試模(試模內(nèi)壁涂刷一層凡士林),放到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)到?jīng)]有氣泡排出為止,用土工刀刮平表面.試塊尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,成型后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)[5-7].養(yǎng)護(hù)箱溫度為20±3 ℃,相對濕度大于等于90%.達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后,每組取3個(gè)試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),取算術(shù)平均值作為該組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值[8-9].試樣壓試速率為1 mm/min.

2 粉煤灰水泥土固化機(jī)理

粉煤灰主要化學(xué)成分有二氧化硅、氧化鈣和氧化鋁等,其三者含量達(dá)到70%以上.在水泥土固化過程中,粉煤灰主要表現(xiàn)出3種效應(yīng)[10]:形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、活性效應(yīng).粉煤灰和水泥都含有大量火山灰質(zhì),其水化產(chǎn)物主要是CAH系和CSH系凝膠.下面是粉煤灰水泥土的化學(xué)反應(yīng)過程[11].

水泥礦物熟料發(fā)生水解和水化反應(yīng),釋放出游離態(tài)Ca2+和OH-.

在強(qiáng)堿環(huán)境下,粉煤灰中的火山灰質(zhì)與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等結(jié)晶物.

粉煤灰對水泥土的固化過程:首先,粉煤灰以形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)利用其圓滑、細(xì)小等物理特點(diǎn)不斷地?cái)U(kuò)散到水泥土結(jié)構(gòu)中,在孔隙位置不斷地?cái)D壓累積,細(xì)化孔隙;水泥與水接觸后,礦物熟料很快與水發(fā)生水解和水化反應(yīng),形成高濃度的堿性環(huán)境,提高粉煤灰玻璃體的解聚能力,促使其Si-O,Al-O鍵的斷裂,同時(shí)在OH-的作用下,Si-O-A1網(wǎng)絡(luò)聚合體的聚合度降低,形成游離的不飽和活性鍵,與Ca2+反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁等膠凝性產(chǎn)物,提高水泥土前期強(qiáng)度.水泥和粉煤灰的水化物一部分繼續(xù)硬化,形成水泥石骨料,另一部分通過離子交換和團(tuán)?；饔檬馆^小的土顆粒形成較大的土團(tuán)體,逐漸硬凝成不溶于水的結(jié)晶物,從而提高固化土強(qiáng)度.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1粉煤灰水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

固化土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖1所示.在開始受力階段,應(yīng)力應(yīng)變可近似為線性增長關(guān)系;當(dāng)外荷載超過極限荷載的80%～90%之后,表現(xiàn)為緩慢增長.從應(yīng)力應(yīng)變曲線變化可知,隨著齡期的增長,固化土由塑性破壞逐漸發(fā)展為脆性破壞,破壞應(yīng)力也隨之增長.在7～90 d過程中,破壞應(yīng)變約減少1.5%,這是由于火山灰質(zhì)的不斷反應(yīng),生成硅酸鈣和鋁酸鈣等水化膠凝物,在離子交換和團(tuán)?；饔孟屡c土顆粒形成土團(tuán)體,提高了固化土強(qiáng)度,降低了破壞應(yīng)變.

圖1 水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain relationship of the cement soil

3.2粉煤灰摻量對強(qiáng)度的影響

由圖2可知,固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增加,在14～60 d過程中,強(qiáng)度隨著粉煤灰、水泥摻量起伏變化明顯,這是由于水泥和粉煤灰處于半完全水化反應(yīng)的狀態(tài),即水泥水化反應(yīng)提高了土體堿性,提高了粉煤灰中火山灰質(zhì)的水化反應(yīng);部分未水化的粉煤灰在水溶作用下形成大團(tuán)粒結(jié)構(gòu),包裹水泥礦物顆粒,短暫阻礙了水泥的完全水化,隨著團(tuán)粒消散,水泥熟料進(jìn)一步水化,則出現(xiàn)了強(qiáng)度起伏波動(dòng)的情況.水泥摻量為10%和14%時(shí),28 d以后的固化土強(qiáng)度基本上不隨著粉煤灰摻量的增加而變化.60 d和90 d時(shí),強(qiáng)度穩(wěn)定所對應(yīng)的粉煤灰摻量為18%和14%,說明粉煤灰屬于“惰性材料”,過量摻加粉煤灰對強(qiáng)度提高影響不大,當(dāng)水泥摻量較低時(shí),過量的粉煤灰反而會(huì)使強(qiáng)度下降[10].

3.3齡期對強(qiáng)度的影響

由圖3 (見下頁)可知,強(qiáng)度隨著齡期的增長而增長,最終趨于穩(wěn)定,60 d前,強(qiáng)度增長幅度較大,這是水泥和粉煤灰共同反應(yīng)的階段,粉煤灰表現(xiàn)為弱堿性,使得土體局部堿性提高,促進(jìn)粉煤灰水化反應(yīng).在未摻加粉煤灰時(shí),水泥土強(qiáng)度始終低于其他摻有粉煤灰的強(qiáng)度,這說明了粉煤灰的膠凝固化作用.當(dāng)水泥摻量為14%、粉煤灰摻量為14%時(shí),強(qiáng)度在60 d以后一直處于最大值.

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between the unconfined compressive strength and fly ash

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the unconfined compressive strength and curing time

3.4強(qiáng)度預(yù)測方法

在相同條件下,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期存在一定的線性關(guān)系[11].通過無量綱分析對粉煤灰水泥土強(qiáng)度與齡期進(jìn)行擬合[12],建立預(yù)測公式:

qu,t=ATqu,T

(1)

式中:qu,t表示齡期為t的待預(yù)測的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;qu,T表示齡期為T的已知的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;AT為預(yù)測系數(shù).

實(shí)測得到的不同齡期的強(qiáng)度值作為qu,T,分析該齡期強(qiáng)度與其他齡期強(qiáng)度的關(guān)系.同組齡期的強(qiáng)度值取其加權(quán)平均值作為強(qiáng)度數(shù)值.圖4顯示了28 d強(qiáng)度與其他齡期間的線性關(guān)系,對應(yīng)的斜率為預(yù)測系數(shù)AT.

同時(shí),對T=7,14,60,90 d齡期的強(qiáng)度也進(jìn)行了同樣的分析,得到的回歸擬合結(jié)果如表4所示.R2為擬合相關(guān)系數(shù).

由表4可知,同一齡期T的強(qiáng)度預(yù)測系數(shù)AT隨著t的增大而增大.通過Matlab軟件將不同t下的AT值進(jìn)行散點(diǎn)描圖、回歸擬合,得到預(yù)測系數(shù)AT與齡期t的關(guān)系圖,如圖5所示.

圖4 qu,t與qu,28的關(guān)系圖(28天)Fig.4 Relationship between qu,t and qu,28 with the curing time of 28 days

由圖5可知,AT隨著t的增大而增大,隨著T的增大而減小.通過對比不同的擬合方法,得到AT與t的關(guān)系近似于冪函數(shù),即兩者間的變化規(guī)律可以通過式(2)來表達(dá).

AT=atb

(2)

式中,a,b分別為擬合參數(shù),如表5所示.

表4 預(yù)測系數(shù)AT表Tab.4 Relationship between the AT and curing time

圖5 預(yù)測系數(shù)AT與齡期t的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the AT and curing time

由表5可知,隨著齡期T的增大,擬合參數(shù)b值變化不大,即不同齡期T時(shí),

b≈0.309

(3)

同時(shí),擬合參數(shù)a與T的關(guān)系如圖6所示,得出a與T的冪函數(shù)關(guān)系式為

a=1.002 5T-0.309 5

(4)

將式(3)和式(4)代入式(2),得到預(yù)測系數(shù)與齡期的表達(dá)式為

AT=1.002 5T-0.309 5t0.309

(5)

將式(5)代入式(1),得到強(qiáng)度預(yù)測公式為

qu,t=1.002 5T-0.309 5t0.309qu,T

(6)

表5 AT關(guān)于t的擬合參數(shù)表Tab.5 Fitting relationship between the AT and curing time

將T=7,14,28,60,90 d齡期下的實(shí)測強(qiáng)度值作為已知強(qiáng)度值,通過式(6)所預(yù)測的其他齡期強(qiáng)度值作為預(yù)測值,得到已知強(qiáng)度和預(yù)測強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示.其中,qu,r為實(shí)測強(qiáng)度值,qu,p為預(yù)測強(qiáng)度值.

圖6 擬合參數(shù)a與T的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the fitting parameter a and curing time

圖7 qu,p與qu,r的關(guān)系圖Fig.7 Unconfined compressive strength relationship between the predicted values qu,p and the measured values qu,r

由圖7可知,強(qiáng)度預(yù)測值接近實(shí)測值.因此,在與本文研究條件相同的情況下,可以通過經(jīng)驗(yàn)公式(6),由某一齡期的強(qiáng)度預(yù)測其他任一齡期下的強(qiáng)度.

4 結(jié) 論

a. 粉煤灰水泥土強(qiáng)度大幅增長主要集中在60 d以前,90 d以后強(qiáng)度仍緩慢增長;無側(cè)限受壓破壞類型隨著齡期的增長由塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐?且提高粉煤灰摻量可以使水泥土提前表現(xiàn)出脆性破壞.

b. 通過預(yù)測公式qu,t=1.002 5T-0.309 5t0.309·qu,T,可由任一齡期的已知強(qiáng)度值預(yù)測相同條件下的其他齡期強(qiáng)度值.

c. 粉煤灰屬于“惰性材料”,大摻量粉煤灰在水泥土中易發(fā)生耦合反應(yīng);同時(shí),粉煤灰具有調(diào)和作用,避免了固化土干縮開裂問題.

d. 當(dāng)水泥以4%摻入量遞增時(shí),強(qiáng)度約以30%的速率遞增;當(dāng)水泥摻量過低時(shí),對固化土強(qiáng)度提高作用不明顯;當(dāng)水泥摻量在10%～22%的范圍內(nèi),水泥和粉煤灰的最優(yōu)摻量比例為1∶1;且隨著齡期的增長,強(qiáng)度穩(wěn)定所對應(yīng)的粉煤灰摻量由18%降為14%.

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ExperimentalStudyontheMechanicalPropertiesofFlyAshCementSoil

MENG Qiang,SHAOLi,SHIQianyun

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Based on the soft soil characteristics of the Suzhou River in Shanghai,the saturated clay with fly ash and cement as solidified materials was used to research the effect of fly ash on the mechanical characteristics of cement soil.Through unconfined compressive strength tests under different cement dosage,fly ash and curing time,the mixing soil strength properties and deformation characteristics were investigated and a prediction method for the relation between unconfined compressive strength and curing period was proposed through the data fitting by using the Matlab.The results show that the stress-strain relationship of the stabilized soil will be changed from the plastic collapse intobrittle failure with the increase of fly ash and the age.When the fly ash dosage is too high,the coupling reaction is likely to occur,which affects the solidified effect.The best content ratio of cement to fly ash is 1∶1,and the optimum amount of fly ash is from 14% to 18%.

cementsoil;flyash;unconfinedcompressivestrength

1007-6735(2017)05-0490-07

10.13255/j.cnki.jusst.2017.05.013

2017-02-26

蒙 強(qiáng)(1993-),男,碩士研究生.研究方向:軟土地基處理.E-mail:616347579@qq.com

邵 俐(1969-),女,副教授.研究方向:地基處理.E-mail:shaoli69@163.com

TU47

A

(編輯:石 瑛)