不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度試驗研究

嚴(yán)偉，阮波，鄭世龍，丁茴，聶如松，阮晨希

不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度試驗研究

嚴(yán)偉1，阮波2，鄭世龍2，丁茴2，聶如松2，阮晨希2

(1.湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

為研究不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的影響，開展無側(cè)限抗壓強度試驗。選用的養(yǎng)護溫度為30 ℃，40 ℃，50 ℃，60 ℃，70 ℃和80 ℃，水泥摻量為4%和5%，壓實系數(shù)為0.90和0.95。研究不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線、無側(cè)限抗壓強度、峰值應(yīng)變和剛度的影響。研究結(jié)果表明：隨著養(yǎng)護溫度升高，水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線左偏態(tài)特征越顯著，無側(cè)限抗壓強度近似線性降低，峰值應(yīng)變近似反比例降低，而剛度近似線性增大。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件相比，水泥摻量5%，壓實系數(shù)0.95的水泥改良風(fēng)積沙在30 ℃，50 ℃和80 ℃養(yǎng)護條件下的無側(cè)限抗壓強度分別降低了1.1%，17.4%和40.6%，峰值應(yīng)變分別降低了19.7%，31.8%和40.2%，剛度分別增大了18.0%，32.6%和77.9%。新疆塔克拉瑪干沙漠夏季路基施工時，考慮70 ℃養(yǎng)護條件，摻量5%的水泥改良風(fēng)積沙能滿足鐵路路基基床底層填料設(shè)計要求。本文研究成果對風(fēng)積沙鐵路路基基床設(shè)計和施工有借鑒意義。

水泥改良風(fēng)積沙；塔克拉瑪干沙漠；養(yǎng)護溫度；無側(cè)限抗壓強度；峰值應(yīng)變；剛度

水泥的水化動力學(xué)與養(yǎng)護溫度緊密相關(guān)，不同養(yǎng)護溫度對水泥基材料力學(xué)性能、變形特性以及耐久性能等有顯著影響[1?2]。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)水泥基材料的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高[3?4]，?10 ℃養(yǎng)護溫度下的水泥基材料抗壓強度僅是20 ℃養(yǎng)護溫度下的65.5%[4]，水泥基材料在40 ℃和50 ℃養(yǎng)護溫度下的抗壓強度較20 ℃時分別增大了12.1%和13.6%[5]，60 ℃和80 ℃養(yǎng)護溫度下的水泥基材料抗壓強度是20 ℃養(yǎng)護溫度下的1.5倍和1.6倍[6]，抗壓強度增長速率也隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高[3]。但有部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)雖然水泥基材料的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高，但養(yǎng)護溫度超過50 ℃后水泥基材料的抗壓強度會降低[7]，50 ℃養(yǎng)護溫度下水泥基材料抗壓強度僅為20 ℃養(yǎng)護溫度下抗壓強度的一半[8]。水泥摻入量對不同養(yǎng)護溫度下的抗壓強度也有顯著影響。當(dāng)水灰比為0.6時，水泥基材料在60 ℃養(yǎng)護溫度下的抗壓強度是20 ℃養(yǎng)護溫度下的1.61倍，而水灰比為1.2時，水泥基材料在60 ℃養(yǎng)護溫度下的抗壓強度是20 ℃養(yǎng)護溫度下的2.09倍[9]。賀生云等[10]分別研究了37 ℃和42 ℃ 2種養(yǎng)護溫度對水泥基材料變形特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)水泥基材料在37 ℃環(huán)境下的延性優(yōu)于42 ℃下的延性。此外，水泥基材料的彈性模量對溫度敏感性也較強。當(dāng)養(yǎng)護溫度從20°C升高到80 ℃時，水泥基材料的彈性模量呈降低的趨勢，80 ℃養(yǎng)護溫度下水泥基材料的彈性模量僅為20 ℃養(yǎng)護溫度下的82.2%[11]。當(dāng)水泥摻量為0時，砂土水泥土在?10 ℃養(yǎng)護溫度下的彈性模量是20 ℃養(yǎng)護溫度下的106倍，而水泥摻量為12%時，砂土水泥土在?10 ℃養(yǎng)護溫度下的彈性模量是20 ℃養(yǎng)護溫度下的1.7倍[12]。此外，王許諾等[12?13]根據(jù)試驗結(jié)果建立了無側(cè)限抗壓強度和彈性模量隨養(yǎng)護溫度變化的理論公式。以上研究可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件相比，水泥基材料在不同養(yǎng)護溫度下的力學(xué)性能和變形特性均將產(chǎn)生明顯變化。風(fēng)積沙在新疆塔克拉瑪干沙漠廣泛分布，由于風(fēng)積沙存在級配不良、無黏性、水穩(wěn)定性差等特點[14]，不能直接用于鐵路路基基床填料，工程上常采用水泥作為外摻料進行化學(xué)改良[15]。根據(jù)塔克拉瑪干沙漠的氣象資料[16?17]，塔克拉瑪干沙漠全年干燥少雨，夏季大氣溫度最高為46 ℃，地表溫度最高可以達到70 ℃。夏季施工期間，水泥改良風(fēng)積沙的養(yǎng)護易受溫度影響。因此，本文開展無側(cè)限抗壓強度試驗，研究不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙應(yīng)力應(yīng)變行為、無側(cè)限抗壓強度、峰值應(yīng)變和剛度的影響。本研究成果對風(fēng)積沙鐵路路基基床的設(shè)計和施工提供參考。

1 試驗材料

試驗所用風(fēng)積沙來自于中國新疆塔克拉瑪干沙漠中的和若鐵路施工現(xiàn)場，圖1為風(fēng)積沙照片，表1為其物理力學(xué)指標(biāo)，圖2為風(fēng)積沙顆粒級配曲線，風(fēng)積沙的主要粒徑范圍為0.25～0.075 mm，粒徑占比為97.2%，顆粒分布均勻，級配不良。試驗中所用的水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5水泥，表2為其物理力學(xué)指標(biāo)。試驗用水為長沙市自來水。

圖1 塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙

表1 風(fēng)積沙的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 水泥的物理力學(xué)性質(zhì)

圖2 風(fēng)積沙的顆粒級配曲線

2 試樣制備

為研究不同養(yǎng)護溫度(30 ℃，40 ℃，50 ℃，60 ℃，70 ℃和80°C)對水泥改良風(fēng)積沙的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(溫度(20±2)℃，相對濕度95%，以下簡稱20 ℃)作為對照組。試驗方案采用2種壓實系數(shù)(風(fēng)積沙的干密度與最大干密度的比值)和2種常用的水泥摻量c(水泥與干土風(fēng)積沙的質(zhì)量百分比)，試驗方案見表3。

4%，5%水泥摻量下水泥改良風(fēng)積沙混合料的最優(yōu)含水率和最大干密度分別為13.0%，1.72 g·cm?3和13.2%，1.74 g·cm?3[4]。按照試驗方案，根據(jù)規(guī)范[18]將水泥、風(fēng)積沙和水按一定比例充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥苫旌狭希捎渺o力壓實法制樣，制作成直徑50 mm、高度為50 mm的試件。脫模后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護采用SHBY-40B型水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱，其它養(yǎng)護溫度采用101型恒溫鼓風(fēng)干燥箱控制，養(yǎng)護6 d，然后將試件放入浸泡24 h，水面高出試件頂面2.5 cm，取出試件用抹布吸去試件表面的水分，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，無側(cè)限抗壓強度試驗采用ETM504C微機控制電子萬能試驗機，加載速率控制在1 mm/min。無側(cè)限抗壓強度計算公式如下：

式中：u為無側(cè)限抗壓強度，MPa；為試件破壞時的最大荷載，N；為試件面積，mm2。

表3 試驗方案

為了保證試驗數(shù)據(jù)可靠性，每一組試驗測試6個相同狀態(tài)的試樣，對6個試樣的試驗值取平均值，若無側(cè)限抗壓強度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于容許差值10%，應(yīng)重新進行試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同養(yǎng)護溫度對無側(cè)限抗壓強度的影響

不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，達到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而降低。應(yīng)力應(yīng)變曲線近似偏態(tài)分布，養(yǎng)護溫度越高，曲線向左偏移，曲線左偏態(tài)的特征越顯著。

(a) ac=4%，K=0.90；(b) ac=4%，K=0.95；(c) ac=5%，K=0.90；(d) ac=5%，K=0.95

不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度的影響如圖4所示。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻量和壓實系數(shù)的增大而增大。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度變化范圍為0.2～0.7 MPa。當(dāng)水泥摻量為5%，壓實系數(shù)為0.95時，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度最大為0.7 MPa；當(dāng)水泥摻量為4%，壓實系數(shù)為0.90時，在80 ℃養(yǎng)護溫度下，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度最小為0.2 MPa。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護溫度的升高而降低，近似呈線性關(guān)系。無側(cè)限抗壓強度隨溫度變化的擬合結(jié)果見表4，2最小值為0.95，擬合效果好。無側(cè)限抗壓強度降低速率隨著壓實系數(shù)和的水泥摻量的增大而增大。

根據(jù)規(guī)范[19]要求，基床底層填料的7 d飽和無側(cè)限抗壓強度應(yīng)不小于0.45 MPa。新疆和田地區(qū)夏季施工時，考慮70 ℃高溫養(yǎng)護條件，摻量5%的水泥改良風(fēng)積沙能滿足基床底層填料設(shè)計要求。避開高溫施工環(huán)境條件，摻量4%的水泥改良風(fēng)積沙能滿足基床底層填料設(shè)計要求。

為了進一步量化不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強度影響程度，定義了無側(cè)限抗壓強度損失率u[4]，如式(2)所示。

式中：quS為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的無側(cè)限抗壓強度，MPa；quT為不同養(yǎng)護溫度下的無側(cè)限抗壓強度，MPa。

圖5 水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率隨養(yǎng)護溫度的變化規(guī)律

圖5為不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率。當(dāng)水泥摻量為5%，壓實系數(shù)為0.95時，養(yǎng)護溫度為30 ℃和80 ℃對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度損失率分別為1.1%和40.6%。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高。當(dāng)養(yǎng)護溫度為70 ℃時，壓實系數(shù)為0.95時，水泥摻量為4%和5%對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度損失率分別為39.1%和33.9%。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率隨著水泥摻量的增大而減小。當(dāng)養(yǎng)護溫度為70 ℃時，水泥摻量為5%時，壓實系數(shù)為0.90和0.95對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度損失率分別為41.6%和33.9%。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率隨著壓實系數(shù)的增大而減小。不同養(yǎng)護溫度條件下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度損失率變化范圍為1.1%～44.0%。

高溫作用后水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部自由水分蒸發(fā)逸出，產(chǎn)生毛細(xì)裂縫和孔隙，加載后縫隙尖端應(yīng)力集中，從而促使裂縫進一步開展[20]。此外，高溫加快了水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部自由水蒸發(fā)，使得水泥水化反應(yīng)所需的自由水大幅度減小，導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物減少。

表4 擬合公式和相關(guān)系數(shù)

3.2 不同養(yǎng)護溫度對峰值應(yīng)變的影響

脆性是評價材料的變形性能的一個重要指標(biāo)，常用峰值應(yīng)變評價材料的脆性[21]。不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變的影響如圖6所示。水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變隨著養(yǎng)護溫度的升高而降低，高溫會增大水泥改良風(fēng)積沙的脆性，且溫度越高，脆性增強效果越顯著。峰值應(yīng)變降低速率隨著養(yǎng)護溫度的升高而降低，當(dāng)養(yǎng)護溫度從20 ℃升高到30 ℃時，峰值應(yīng)變降低速率最大。水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變隨著水泥摻量和壓實系數(shù)的增大而增大。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變變化范圍為1.2%～2.6%。表5為峰值應(yīng)變隨溫度變化的擬合結(jié)果。峰值應(yīng)變隨溫度變化近似呈反比例函數(shù)關(guān)系，2最小值為0.83，擬合效果較好。為了進一步量化不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變影響程度，定義了峰值應(yīng)變損失率L[4]，如式(3)所示。

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的峰值應(yīng)變，%；T為不同養(yǎng)護溫度下的峰值應(yīng)變，%。

水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率隨養(yǎng)護溫度的變化規(guī)律見圖7。當(dāng)水泥摻量為5%，壓實系數(shù)為0.95時，養(yǎng)護溫度為30°C和80°C對應(yīng)的峰值應(yīng)變損失率分別為19.7%和40.2%。水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率變化范圍為19.7%～45.7%。

圖6 養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變的影響

圖7 水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率隨養(yǎng)護溫度的變化規(guī)律

3.3 不同養(yǎng)護溫度對剛度的影響

剛度是巖土工程問題中確定變形量的設(shè)計參數(shù)之一，常用割線模量50來評價巖土材料的剛度，50是指峰值應(yīng)力一半的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比 值[22]。不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙50的影響如圖8所示。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的剛度變化范圍為15.2～37.0 MPa。剛度隨著水泥摻量和壓實系數(shù)的增大而增大，隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高，對圖中數(shù)據(jù)點進行擬合，結(jié)果見表6，剛度隨溫度近似線性關(guān)系，2大于0.97，擬合效果好。

表5 擬合公式和擬合系數(shù)

圖8 水泥改良風(fēng)積沙的剛度隨不同養(yǎng)護溫度的變化規(guī)律

為了進一步量化不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的剛度影響程度，定義了剛度增長率E[4]，如式(4)所示。

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的剛度，MPa；T為不同養(yǎng)護溫度條件下的剛度，MPa。

表6 擬合公式和擬合系數(shù)

圖9為不同養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙剛度增長率的影響。當(dāng)水泥摻量為5%，壓實系數(shù)為0.95時，養(yǎng)護溫度為30 ℃和80 ℃對應(yīng)的剛度增長率分別為18.0%和77.9%。水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高，且增長幅度隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高。當(dāng)養(yǎng)護溫度為70 ℃時，壓實系數(shù)為0.95時，水泥摻量為4%和5%對應(yīng)的剛度增長率分別為43.6%和59.4%。水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率隨著水泥摻量的增大而增大。當(dāng)養(yǎng)護溫度為70 ℃時，水泥摻量為5%時，壓實系數(shù)為0.90和0.95對應(yīng)的剛度增長率分別為54.3%和59.4%。水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率隨著壓實系數(shù)的增大而增大。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率變化范圍為12.0%～77.9%。

圖9 養(yǎng)護溫度對水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率的影響

3.4 破壞模式

圖10為破壞后的水泥改良風(fēng)積沙試樣。水泥改良風(fēng)積沙的破壞模式呈現(xiàn)出典型的脆性破壞，破壞后的試樣四周土塊均脫落，試樣呈現(xiàn)雙三角錐形狀。

圖10 水泥改良風(fēng)積沙的破壞模式

4 結(jié)論

1) 水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似偏態(tài)分布，具有左偏態(tài)的特性。養(yǎng)護溫度越高，左偏態(tài)的特征越顯著。

2) 在相同濕度條件下，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強度隨著養(yǎng)護溫度的升高近似呈線性降低，強度損失率隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高。當(dāng)水泥摻量為5%，壓實系數(shù)為0.95時，養(yǎng)護溫度為50 ℃和80 ℃對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度分別為0.6 MPa和0.4 MPa，強度損失率分別為17.4%和40.6%。

3) 新疆和田地區(qū)夏季施工時，考慮70 ℃高溫養(yǎng)護條件，水泥摻量5%的水泥改良風(fēng)積沙能滿足基床底層填料設(shè)計要求。避開高溫施工環(huán)境條件，水泥摻量4%的水泥改良風(fēng)積沙能滿足基床底層填料設(shè)計要求。

4) 在相同濕度條件下，水泥改良風(fēng)積沙的剛度隨著養(yǎng)護溫度的升高近似呈線性增大，剛度增長率隨著養(yǎng)護溫度的升高而升高。不同養(yǎng)護溫度下水泥改良風(fēng)積沙的剛度增長率變化范圍為12.0%～ 77.9%。

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Experimental study on unconfined compressive strength of cement-improved aeolian sand under different curing temperature

YAN Wei1, RUAN Bo2, ZHENG Shilong2, DING Hui2, NIE Rusong2, RUAN Chenxi2

(1. Hunan Zhongda Design Institute Co., Ltd., Changsha 410075, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the effect of different curing temperature on cement-stabilized aeolian sand, a series of unconfined compressive strength tests were carried out. The curing temperatures for the specimens were 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃ and 80 ℃, respectively. The cement content was 4% and 5% and the degree of compaction was 0.90 and 0.95, respectively. The effects of different curing temperatures on the stress-strain curve, unconfined compressive strength, peak strain and stiffness of cement-stabilized aeolian sand were studied. The results show that, with the increase of curing temperature, the left skewness of the stress-strain curve of cement-stabilized aeolian sand becomes more obvious, the unconfined compressive strength decreases approximately linearly, the peak strain decreases approximately inversely, and the stiffness increases approximately linearly. Compared with standard curing condition, when the cement content is 5% and the degree of compaction is 0.95, the unconfined compressive strength of the cement-stabilized aeolian sand cured at 30 ℃, 50 ℃ and 80 ℃ is reduced by 1.1%, 17.4% and 40.6%, respectively. The peak strain is reduced by 19.7%, 31.8% and 40.2%, respectively, and the stiffness is increased by 18.0%, 32.6% and 77.9%, respectively. During summer construction in the Taklimakan Desert, considering the high temperature of 70 ℃, the cement-stabilized aeolian sand with 5% cement content can meet the design requirements of surface layer of the railway subgrade bed. The research results provide reference for the design and construction of railway subgrade filling using aeolian sand.

cement-stabilized aeolian sand; Taklimakan desert; curing temperature; unconfined compressive strength; peak strain; stiffness

TU447

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0678 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200919

2020?10?05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51878666)

聶如松(1980?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事鐵路路基及橋梁樁基礎(chǔ)工程方面的教學(xué)、科研工作；E?mail：nierusong97@csu. edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)