水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素分析

黃晨睿，袁忠正，阮波

(1.長安大學(xué) 長安都柏林國際交通學(xué)院，陜西 西安 710021；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

水泥改良土具有改變土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，施工簡單及經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)[1]，很多學(xué)者開展了水泥改良土的物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是改良土力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。邊曉亞等[2]研究表明，隨著水泥摻量的增大，水泥改良黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大，而含水率的影響則相反，14～28 d齡期，強(qiáng)度緩慢增長，28～70 d 齡期，強(qiáng)度迅速增長，70 d齡期后強(qiáng)度基本不變。水泥改良高液限黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大[3]。水泥改良砂漿土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的敏感性分析結(jié)果表明，水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，含水率次之，砂的細(xì)度模數(shù)最小[4]。水泥改良中砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)系數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系[5]。SOLTANI 等[6]考慮了水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期等影響因素，建立了水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的多元非線性預(yù)測模型。以上研究表明，水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實(shí)系數(shù)等因素都會影響水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但研究的主要是水泥改良黏土、軟土和粉土等黏性土。我國沙漠約占18%的國土面積[7]。風(fēng)積沙是沙漠地區(qū)在風(fēng)力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙，采用風(fēng)積沙作為建筑材料，能就地取材，對推動西部沙漠地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著重要意義，已經(jīng)有學(xué)者對風(fēng)積沙作為公路路基填料的壓實(shí)技術(shù)和填筑方法進(jìn)行了研究[7-10]。和若鐵路沿線風(fēng)沙段占線路全長的65%，風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)松散，顆粒表面較為圓滑，粒徑均勻，為C3 填料[11]，不能直接用作鐵路路基基床填料，因此進(jìn)行水泥改良風(fēng)積沙研究[11]。以和若鐵路為工程背景，開展水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)和養(yǎng)護(hù)齡期對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，將水泥改良風(fēng)積沙填筑鐵路路基基床，解決了風(fēng)沙地區(qū)筑路路基基床填料匱乏問題，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

風(fēng)積沙來自和田至若羌線鐵路沿線，XRD 衍射圖譜見圖1，圖譜出現(xiàn)較強(qiáng)的SiO2衍射峰(2θ=26.6°)，其次是Al2O3衍射峰(2θ=21.2°)和CaO 衍射峰(2θ=50.7°)，其主要由SiO2，Al2O3和CaO 組成。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑大于0.25 mm 占1.1%，0.075～0.25 mm 占97.2%，小于0.075 mm占1.7%，顆粒級配均勻。含水率0.9%，密度1.58 g/cm3，比重2.70，最優(yōu)含水率為12.5%，最大干密度為1.61 g/cm3，內(nèi)摩擦角27.4°，黏聚力為0。水泥為P·O 42.5 硅酸鹽水泥，水泥化學(xué)成分見圖2。

圖1 風(fēng)積沙XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of aeolian sand

圖2 水泥化學(xué)成分Fig.2 Compound composition of cement

1.2 試驗(yàn)方案

水泥摻量ac為水泥質(zhì)量和烘干風(fēng)積沙質(zhì)量的比值。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，采用水泥作為單一外摻料進(jìn)行化學(xué)改良時(shí)，基床表層水泥摻量可選用4%，5%和6%，基床底層可選用3%，4%和5%。SUKMAK 等[13]進(jìn)行了水泥改良高嶺土和膨潤土混合黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水泥摻量為0%，7%和14%，結(jié)果表明高嶺土占比高的試樣受水泥增強(qiáng)效果更顯著。GU 等[14]采用5%，7.5%和10%的水泥摻量對鈣質(zhì)砂進(jìn)行改良，結(jié)果表明隨著水泥摻量的增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。以上研究結(jié)果表明，水泥改良不同的土體，需要的水泥摻量有差別。因此試驗(yàn)方案的水泥摻量為4%，5%，6%，9%和11%。

根據(jù)規(guī)范[12]，水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以7 d 齡期為標(biāo)準(zhǔn)，但不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差異較大[15]，YI等[16]研究發(fā)現(xiàn)水泥改良碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在7 d 齡期前增長速率較快，60 d 齡期后趨于強(qiáng)度穩(wěn)定。在前人研究基礎(chǔ)上，試驗(yàn)方案的養(yǎng)護(hù)齡期為1，3，14，28，56 和90 d。

壓實(shí)系數(shù)對水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較顯著[11]。鐵路路基基床表層和底層的改良土壓實(shí)系數(shù)不低于0.95 和0.93，基床以下應(yīng)不低于0.90[12]。因此試驗(yàn)方案采用0.90，0.93 和0.95 這3種壓實(shí)系數(shù)。

1.3 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]，對水泥改良風(fēng)積沙進(jìn)行重型Z3 擊實(shí)試驗(yàn)，得到不同水泥摻量下風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線，見圖3。隨著水泥摻量的增大，水泥改良風(fēng)積沙的最大干密度和最優(yōu)含水率均增大，但增長幅度較小。水泥摻量從0%增大到4% 時(shí)，最大干密度從1.72 g/cm3增大到1.79 g/cm3，增長0.07 g/cm3；最優(yōu)含水率從13.0%增大到13.9%，增長0.9%。水泥改良風(fēng)積沙混合物中由于水泥水化反應(yīng)需要水分，且水泥顆粒對水分子的吸附作用強(qiáng)于風(fēng)積沙顆粒，所以最優(yōu)含水率增大；水泥的比重大于風(fēng)積沙的比重，因此最大干密度隨著水泥摻量的增大亦增大，與周純秀等[18]結(jié)果規(guī)律類似。

圖3 水泥改良風(fēng)積沙擊實(shí)曲線Fig.3 Compaction curves of CAS

按照最優(yōu)含水率稱量水，將水加入風(fēng)積沙中攪拌均勻，制作試料，根據(jù)試驗(yàn)方案，將水泥加入試料中，拌和均勻，形成混合料，稱量混合料質(zhì)量，分3次倒入試模中，采用錘擊法制樣，制作成直徑和高度均為50 mm 的試樣，脫模后放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。水泥改良風(fēng)積沙試件見圖4，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)照片見圖5。

圖4 水泥改良風(fēng)積沙試樣照片F(xiàn)ig.4 Photograph of CAS specimens

圖5 試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Test photograph

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及影響因素分析

在水泥改良風(fēng)積沙試件養(yǎng)護(hù)齡期的最后24 h，將試件置于水中1 d，之后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experiment results of CAS at different influencing factors

從表1可以看出，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期和壓實(shí)系數(shù)的增加呈增大的趨勢。為了研究養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)系數(shù)和水泥摻量等因素及各因素間的交互作用對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的顯著性，進(jìn)行多因素方差分析，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度多因素方差分析結(jié)果Table 2 Results of multi-factor variance analysis on UCS of the CAS

當(dāng)P值小于0.05的時(shí)候，因素對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響顯著。養(yǎng)護(hù)齡期與水泥摻量交互作用的P值為0.878，交互作用對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響不顯著。其余因素的P值均小于0.001，水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)、養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的交互作用等因素對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均影響顯著。

2.2 水泥摻量的影響

7 d 齡期時(shí)，水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響見圖6。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化范圍為0.24～2.88 MPa。壓實(shí)系數(shù)0.90，0.93 和0.95時(shí)，水泥摻量從4%增大到11%，水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增大了6.25倍，6.26倍和6.20倍。水泥水化物填充了風(fēng)積沙內(nèi)部孔隙，使得風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)更加致密；水泥水化物將分散的風(fēng)積沙顆粒緊密膠結(jié)在一起，形成一個(gè)整體，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。

圖6 水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig.6 Cement content versus UCS of CAS

為了進(jìn)一步研究水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙強(qiáng)度增長速率的影響，定義單位水泥強(qiáng)度增長比Gqc：

式中：Δquc為相鄰水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)差值，MPa；Δac為相鄰水泥摻量的差值，%。

水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙單位水泥強(qiáng)度增長比的影響見圖7。單位水泥摻量強(qiáng)度增長比隨著水泥摻量的增大而增大。水泥摻量從4%增大到5%，水泥作用從非反應(yīng)區(qū)進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，ZHANG等[19]認(rèn)為當(dāng)水泥摻量低于5%時(shí)，水泥水化產(chǎn)物較少，對土體強(qiáng)度提高程度有限，水泥改良土強(qiáng)度增長緩慢，這一區(qū)域被稱作為水泥改良土的非反應(yīng)區(qū)。隨著水泥的持續(xù)摻入，水泥水化產(chǎn)物增多，在土體中形成較強(qiáng)的黏結(jié)，水泥改良土強(qiáng)度增長速率增快，逐漸進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。這也解釋了當(dāng)水泥摻量大于5%后，水泥改良風(fēng)積沙的抗壓強(qiáng)度顯著增大的原因。GU 等[14]則認(rèn)為隨著水泥摻量的增加，水化產(chǎn)物不斷填充或分割孔隙體積，其強(qiáng)度增強(qiáng)作用變?nèi)?，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長速率減小。

圖7 水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙單位水泥強(qiáng)度增長比影響Fig.7 Cement content versus strength growth ratio of CAS per unit cemen

從圖7可以看出，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量近似呈冪函數(shù)關(guān)系。黃崇偉等[20]則認(rèn)為水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量呈線性關(guān)系，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性、冪函數(shù)擬合，擬合結(jié)果見表3。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量變化的不同函數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Regression coefficients for the different UCS-growth equations

表3 中的決定系數(shù)最小值為0.97，說明擬合效果較好。當(dāng)水泥摻量為0時(shí)，根據(jù)線性函數(shù)擬合公式，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際情況不符。強(qiáng)度增長比隨著水泥摻量的增大而增大，采用冪函數(shù)更符合實(shí)際情況。

2.3 壓實(shí)系數(shù)的影響

壓實(shí)系數(shù)對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響見圖8。壓實(shí)系數(shù)增大，水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度亦隨之增大，壓實(shí)系數(shù)從0.90 增大到0.95 時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長了20%～67%。與文獻(xiàn)[21]的規(guī)律一致。為了研究不同水泥摻量下壓實(shí)系數(shù)對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，定義強(qiáng)度增長幅度ΔquK：

圖8 壓實(shí)系數(shù)對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig.8 CC versus UCS of CAS

式中：quK1和quK2分別為壓實(shí)系數(shù)為K1和K2時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

不同水泥摻量下壓實(shí)系數(shù)對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長幅度的影響見圖9。壓實(shí)系數(shù)0.93 的強(qiáng)度增長幅度為壓實(shí)系數(shù)0.93 與壓實(shí)系數(shù)0.90的強(qiáng)度差值，壓實(shí)系數(shù)0.95的強(qiáng)度增長幅度為壓實(shí)系數(shù)0.95 與壓實(shí)系數(shù)0.93 的強(qiáng)度差值。強(qiáng)度增長幅度隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而減小，說明水泥摻量在低壓實(shí)系數(shù)下對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果比高壓實(shí)系數(shù)下更顯著。壓實(shí)系數(shù)較低時(shí)，水泥水化物填充改良土孔隙，水泥改良風(fēng)積沙致密，增強(qiáng)效果顯著。而壓實(shí)系數(shù)較高時(shí)，土體內(nèi)部孔隙尺寸和數(shù)量減少，水泥水化物難以充分填充孔隙，水泥膠結(jié)作用沒有充分發(fā)揮，水泥摻量對水泥改良風(fēng)積沙增強(qiáng)效果減弱[22]。這與前面多因素方差分析結(jié)果一致。

圖9 壓實(shí)系數(shù)對水泥改良風(fēng)積沙強(qiáng)度增長幅度的影響Fig.9 CC versus strength growth ratio of CAS

2.4 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

圖10 為不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增大。規(guī)范[12]以水泥改良土7 d 齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，但養(yǎng)護(hù)齡期大于7 d 時(shí)水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度還有顯著增長，不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d 齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系見表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系Table 4 UCS of CAS at different curing time versus 7 d curing age

圖10 養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig.10 Relationships between UCS and curing age

28 d齡期的水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為7 d 齡期的1.21～1.50 倍，90 d 強(qiáng)度為7 d 強(qiáng)度的1.31～1.78倍，與任輝明等[23]的結(jié)果較吻合。

為進(jìn)一步量化養(yǎng)護(hù)齡期對水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度，定義關(guān)于養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率：

式中：qut1和qut2為相鄰齡期t1和t2時(shí)對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率影響見圖11。強(qiáng)度增長率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而逐漸減小，3 d 和7 d 齡期的強(qiáng)度增長率顯著。1～7 d 養(yǎng)護(hù)齡期，水泥水化反應(yīng)劇烈，水泥水化物在水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部發(fā)揮充填孔隙、膠結(jié)團(tuán)聚和沉淀包裹作用，養(yǎng)護(hù)齡期對水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響程度最顯著。在7～90 d 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥膠結(jié)產(chǎn)物已經(jīng)把風(fēng)積沙顆粒膠結(jié)成一個(gè)整體，此時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙已經(jīng)基本具備了較好的密實(shí)性和完整性，增長速率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而降低[14]。

圖11 養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長率影響Fig.11 Effect of curing age on strength growth ratio of UCS

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期近似雙曲線，CONSOLI 等[24]則認(rèn)為水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期近似呈冪函數(shù)，KITAZUME 等[25]則認(rèn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的對數(shù)呈線性增大。采用不同函數(shù)對圖10 的結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果見表5。

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化采用不同函數(shù)擬合結(jié)果Table 5 Regression coefficients for the different UCS-growth equations

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期趨向無窮大時(shí)，采用冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)擬合的計(jì)算結(jié)果趨向無窮大，而采用雙曲線函數(shù)擬合的計(jì)算結(jié)果趨向于常數(shù)，因此，采用雙曲線函數(shù)擬合更符合實(shí)際情況，決定系數(shù)最小值為0.96，擬合效果較好。

2.5 多因素強(qiáng)度預(yù)測模型

多因素方差分析結(jié)果表明，養(yǎng)護(hù)齡期t，壓實(shí)系數(shù)K和水泥摻量ac以及壓實(shí)系數(shù)和水泥摻量ac的交互作用對水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有影響。為預(yù)測多種因素共同作用下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸分析，計(jì)算結(jié)果見表6。R2為0.982，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測模型為：

表6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型參數(shù)估算值Table 6 Regression coefficients for the UCS of CAS equation

為了評估預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)式(4)計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值，結(jié)果見表7。

表7 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測模型誤差分析Table 7 Error analysis of UCS prediction model

3 結(jié)論

1) 水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量呈冪函數(shù)增大，水泥摻量越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大效果越顯著。

2) 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈雙曲線函數(shù)增大，而強(qiáng)度增長速率逐漸減小，建立了不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與7 d齡期強(qiáng)度之間的關(guān)系表達(dá)式。

3) 建立了考慮養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)等影響因素的多元非線性預(yù)測模型，模型預(yù)測效果較好。