黃土EPS顆粒混合輕質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

陶 亮

(廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，簡稱EPS)是一種輕型的高分子有機(jī)聚合物，EPS憑借其質(zhì)量小、耐久性好、易加工和穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)良特性，在工程中得到廣泛應(yīng)用。EPS顆粒與土、水泥、水經(jīng)攪拌混合后得到混合輕質(zhì)土，既可以起到降低混合土重度的作用，又可以充分利用水泥水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)固化作用，從而提高混合輕質(zhì)土的抗壓、抗剪切變化的能力，當(dāng)前被廣泛用于高等級公路、地鐵等工程建設(shè)中。而日本更是在2000年就已經(jīng)開始使用聚苯乙烯泡沫顆?；旌陷p質(zhì)土[1-2]。

目前，國內(nèi)外已有很多關(guān)于混合輕質(zhì)土的研究，但幾乎都是EPS與淤泥、黏土、砂土等混合而得到的。例如，劉漢龍等[3]、董金梅等[4]、朱偉等[5]等通過實(shí)驗(yàn)分析了聚苯乙烯輕質(zhì)混合土(與淤泥粉質(zhì)黏土混合)的滲透、壓縮與強(qiáng)度特性；劉漢龍等[6]研究了聚苯乙烯輕質(zhì)混合土(與淤泥粉質(zhì)黏土混合)的單軸與三軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線的形態(tài)特征；侯天順等[7-9]研究了輕量砂及其輕量土(與海相沉積淤泥混合、與關(guān)山黏土混合)的變形及強(qiáng)度特性；Bathurst R J等[10]通過試驗(yàn)研究認(rèn)為動荷載的影響作用能夠被輕質(zhì)土工材料顯著地削弱，其可以有效降低震動而引起的破壞；Trandair A C等[11]研究了輕質(zhì)土工合成材料在只有單軸循環(huán)加載條件下的動變形特征。

但是研究與黃土混合的聚苯乙烯泡沫顆?；旌陷p質(zhì)土的文獻(xiàn)還幾乎沒有，因此本文研究黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)，以期為今后的工程建設(shè)提供參考。

1 試樣材料以及試樣制備

1.1 試樣材料

試驗(yàn)所用的黃土均為取自陜西扶風(fēng)縣太白鄉(xiāng)長命寺村的Q3黃土，為淺黃色馬蘭黃土，土質(zhì)較均勻，含有部分植物根系留下的空洞。其基本物理性質(zhì)如表1所示。將其攤開自然風(fēng)干并碾碎，再用篩孔為0.5 mm的篩子進(jìn)行篩分。EPS顆粒的粒徑為0.5～1 mm，堆積密度為0.020 g/cm3。固化劑為陜西滿意水泥有限責(zé)任公司制造的復(fù)合硅酸鹽水泥，型號為P·C32.5。水為自來水。

表1 Q3原狀黃土物理性質(zhì)指標(biāo)表

1.2 試樣制備

首先，將自然風(fēng)干碾碎的黃土放在烘箱中烘干，稱取其重量；接著，往其里面加入水泥，攪拌大致5～8 min，使其均勻分布；再加入水，攪拌大概5～10 min，形成均勻的漿體；最后，加入EPS顆粒，攪拌大約10～15 min的時(shí)間，形成均勻的可塑性混合輕質(zhì)土，將其裝入直徑為3.91 cm、高為8.00 cm的三瓣模模具中(在裝入漿體前先在模具內(nèi)側(cè)壁均勻涂抹上一層凡士林，以便于除去模具)，接著放入YH-40B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)為20±1 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95%，1 d后拆模(這1 d的時(shí)間也計(jì)入養(yǎng)護(hù)齡期)，再次放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。

2 試驗(yàn)方法

在達(dá)到28 d的養(yǎng)護(hù)齡期后，對試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)(即UU試驗(yàn))，應(yīng)變速率設(shè)為1 mm/min，每隔30 s采集一次數(shù)據(jù)，圍壓取為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，應(yīng)變達(dá)到20%則自動停止。試驗(yàn)設(shè)備為長安大學(xué)土工實(shí)驗(yàn)樓的南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TFB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，試驗(yàn)方案如表2所示，表中的摻入比均為各種材料與黃土干質(zhì)量之比。

表2 試驗(yàn)方案表

3 試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)電腦終端輸出的Excel表格可以得到各配合比破壞時(shí)的p、q值的大小，如下頁表3所示，其中，p=(σ1+σ3)/2，為摩爾應(yīng)力圓的圓心橫坐標(biāo)；q=(σ1-σ3)/2，為摩爾應(yīng)力圓的半徑，σ1、σ3分別為大、小主應(yīng)力。

表3 各配合比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表

3.2 數(shù)據(jù)分析

本文選用p～q直角坐標(biāo)系統(tǒng)來表示各配合比的應(yīng)力路徑。由表3中的數(shù)據(jù)通過Excel表格就可以擬合得到各配合比的應(yīng)力路徑Kf線(見圖1)，設(shè)縱坐標(biāo)截距為b，斜率為k，即q=pk+b(Kf線)，擬合得到k、b及相關(guān)系數(shù)的平方R2(見表4)。b、k與粘聚力c、摩擦角φ之間存在關(guān)系式(1)[12-13]：

圖1 不同配合比的應(yīng)力路徑圖

sinφ=k；c=b/cosφ

(1)

由此可以得到各配合比的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值的大小(見表4)，由表4可以得到圖2～3。

3.2.1 水泥摻入比對抗剪強(qiáng)度c、φ的影響

從圖2中可以看出，摩擦角隨著水泥摻入比的增大，先減小后增大，但介于14.781 ～17.406 之間，且上下波動幅度很小，僅為2.625，由此可得，水泥對摩擦角的影響很小。

表4 不同配合比的應(yīng)力路徑Kf與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)表

圖2 水泥摻入比對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響曲線圖

圖3 EPS顆粒摻入比對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響曲線圖

粘聚力c先是隨著水泥摻入比的增大而急劇增大，但當(dāng)水泥摻入比增大到20%后，c幾乎保持不變，甚至有下降趨勢。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是：混合輕質(zhì)土中的粘聚力主要來源于水泥的水化反應(yīng)，隨著水泥摻入量的增加，水化反應(yīng)越強(qiáng)烈，所形成的水化作用產(chǎn)物越多，進(jìn)而所形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，抵抗剪切破壞變形的能力就越大，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度越大，所以粘聚力越大；由于輕質(zhì)土中的EPS顆粒的摻入量相同，水泥水化作用產(chǎn)物所能占有的體積相對比較固定，所以當(dāng)水泥摻入量達(dá)到一定程度時(shí)，已沒有多余的空間，甚至有可能反過來影響水泥的水化作用，導(dǎo)致其水化作用不徹底，抗剪強(qiáng)度反而有可能下降。由此可知在水泥摻入比<20%時(shí)，c隨水泥用量的增大而增大；當(dāng)達(dá)到20%時(shí)，水泥摻入量的變化幾乎對c沒有影響。

3.2.2 EPS顆粒摻入比對抗剪強(qiáng)度c、φ的影響

從圖3中可以看出，摩擦角隨著EPS顆粒摻入比的增大，先減小后增大，介于14.781 ～22.097 之間，上下波動幅度為7.316，但是隨EPS顆粒的增加沒有明顯的變化規(guī)律。

粘聚力c先是隨著EPS顆粒摻入比的增大而增大，但當(dāng)EPS顆粒摻入比增大到3%后，c值急劇下降。上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是：當(dāng)EPS顆粒含量很小時(shí)，由于摻水量相對較多，混合輕質(zhì)土在拌制的過程中極易發(fā)生離析現(xiàn)象，可能導(dǎo)致部分水化作用產(chǎn)物未裝入到三瓣模模具，因此，抗剪強(qiáng)度不大；當(dāng)EPS顆粒摻入比增大到3%后，基本不會出現(xiàn)離析現(xiàn)象，又由于粘聚力主要來源于水泥的水化反應(yīng)，當(dāng)水泥摻入量一定，而EPS顆粒摻入量增大時(shí)，固體顆粒之間的水化作用產(chǎn)物就會相對減少變薄，故形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)就會不穩(wěn)定，即抵抗剪切破壞變形的能力就越小，所以粘聚力越小。由此可得，隨EPS顆粒摻入比的增大，粘聚力c先增大后減小。

4 結(jié)語

(1)黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的強(qiáng)度主要取決于水泥水化作用，水化作用產(chǎn)物填充于固體顆粒之間，提高了固體顆粒之間的粘聚力，從而提高了黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度。

(2)黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的內(nèi)摩擦角介于14.781～22.097 之間，受水泥、EPS顆粒摻入量變化的影響很小。

(3)黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的粘聚力，隨水泥摻入量的增加而增大，當(dāng)水泥摻入量到達(dá)20%后，粘聚力c幾乎不受水泥摻入量變化的影響；隨EPS顆粒摻入比的增大，粘聚力c先增大后減小。