趙子榮,徐建勇,陳永輝,陳 庚,王 波,李 斌

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;4. 31省道北延紹興市區(qū)段工程建設(shè)指揮部,浙江 紹興 312000)

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壓實(shí)時(shí)間對(duì)固化土強(qiáng)度影響試驗(yàn)

趙子榮1,2,徐建勇3,陳永輝1,2,陳 庚1,2,王 波1,2,李 斌4

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2. 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心,江蘇 南京 210098; 3. 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;4. 31省道北延紹興市區(qū)段工程建設(shè)指揮部,浙江 紹興 312000)

以固化土壓實(shí)時(shí)間、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期為控制變量,通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究上述變量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:壓實(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)一方面使得固化土便于壓實(shí),另一方面又會(huì)損失壓實(shí)時(shí)間內(nèi)的膠結(jié)強(qiáng)度;對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析,發(fā)現(xiàn)重塑固化土強(qiáng)度與試樣干密度相關(guān),并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出線性公式。建議固化土拌和后應(yīng)盡早使用,以求更好地發(fā)揮水泥的膠結(jié)作用,否則必須提高其壓實(shí)度,才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

固化壓實(shí)土;重塑固化土;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;壓實(shí)時(shí)間;水泥摻量;養(yǎng)護(hù)齡期;干密度

固化土廣泛應(yīng)用于污染土治理、淤泥固化、軟弱地基處理等工程中,例如港口、航道的疏浚以及湖泊的清淤工程都會(huì)產(chǎn)生大量淤泥,這些淤泥強(qiáng)度低、含水率高并且壓縮性高[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)資源的再利用,可以將淤泥進(jìn)行固化處理,處理后的固化淤泥強(qiáng)度高、變形小,同時(shí)對(duì)污染物有穩(wěn)定和包裹作用[3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了很多關(guān)于水泥固化的研究,例如分析固化劑的類型、不同的配比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化土強(qiáng)度及變形的影響。朱偉等[4]通過(guò)對(duì)疏浚淤泥固化后的基本力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量之間具有線性關(guān)系。湯怡新等[5]通過(guò)大量的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)任意一種軟質(zhì)原料土都存在最小的水泥用量。然而在很多工程中,固化淤泥從拌和到壓實(shí)需要一段時(shí)間的放置和運(yùn)輸,由于固化后的淤泥并不是立即使用,使淤泥的固化攪拌與澆筑施工在時(shí)間和空間上不能同步[6],導(dǎo)致固化淤泥喪失了部分黏聚力。楊廷玉等[7]通過(guò)對(duì)水泥固化土的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)水泥固化土抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)是黏聚力。黃英豪等[8]通過(guò)對(duì)比水泥固化土和重塑固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,得出重塑固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很大折減的結(jié)論。以上結(jié)果說(shuō)明經(jīng)過(guò)重塑后的水泥固化土強(qiáng)度與固化土強(qiáng)度不同,水泥土破碎的時(shí)間越晚,強(qiáng)度越低。佐藤厚子等[9]通過(guò)對(duì)高爐礦渣水泥和石灰固化土試驗(yàn),明確了固化土與擊實(shí)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間有一定的關(guān)系,并指出擊實(shí)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角可以用其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度來(lái)表示。桂躍等[10]通過(guò)分析不同配比生石灰淤泥材料化土土性與壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系,得出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)時(shí)間增大而增大,然而并沒(méi)有考慮固化土壓實(shí)后強(qiáng)度增長(zhǎng)的問(wèn)題。時(shí)田博之等[11]通過(guò)在淤泥中加入水泥、石灰和專用固化劑的研究表明,擊實(shí)土的強(qiáng)度同樣可以滿足工程設(shè)計(jì)的要求。由于固化壓實(shí)土經(jīng)過(guò)固化、破碎、碾壓、填筑后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù),強(qiáng)度還會(huì)增長(zhǎng)。本文基于工程中固化壓實(shí)土的使用方法,分析不同的壓實(shí)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)齡期及水泥摻量對(duì)固化土強(qiáng)度的影響,得出壓實(shí)時(shí)間對(duì)固化土強(qiáng)度的影響規(guī)律,分析了壓實(shí)時(shí)間對(duì)固化土強(qiáng)度作用的機(jī)理,以供施工參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料及方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用淤泥來(lái)自浙江溫州,其具體的物理指標(biāo):含水率67%,密度1.63 g/cm3,相對(duì)密度2.76,液限53.7%,塑限28.2%,孔隙比 1.737。試驗(yàn)所用水泥為32.5#普通硅酸鹽水泥。

為模擬固化土放置和運(yùn)輸消耗的時(shí)間對(duì)其強(qiáng)度的影響,通過(guò)制作不同壓實(shí)時(shí)間的無(wú)側(cè)限試樣,測(cè)試其相應(yīng)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,研究固化土經(jīng)過(guò)破碎、再養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度變化規(guī)律。

其中,水泥摻量是指水泥的質(zhì)量/濕土的質(zhì)量,壓實(shí)時(shí)間是指水泥土從拌和到制樣時(shí)所用的時(shí)間。試驗(yàn)水泥摻量分別為3%、5%、7%和9%,壓實(shí)時(shí)間分別為4 h、10 h、72 h和168 h,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d和28 d。試樣共有4×4×3=48種,每種試樣設(shè)計(jì)3個(gè)平行試樣。

1.2 制樣方法及養(yǎng)護(hù)

圖1 試驗(yàn)步驟示意圖Fig. 1 Schematic diagram of test steps

首先,將淤泥的含水率調(diào)制到67%,然后向調(diào)好的淤泥內(nèi)分別加入3%、5%、7%和9%的水泥,攪拌均勻。將拌和好的水泥土用聚乙烯塑料袋包裹起來(lái),置于(20±2) ℃、濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)箱，分別壓實(shí)4 h、10 h、3 d和7 d后,再進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的制樣,控制試樣的濕密度相同。按照(JTG E51—2009)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行制樣,試樣直徑為50 mm,高為50 mm。到了預(yù)定的壓實(shí)時(shí)間后,將水泥土用切土刀剁成直徑不大于5 mm的小塊,分3層填入模具內(nèi),每層經(jīng)振搗后再填筑下一層,最后將模具放入反力架的液壓千斤頂上,靜力脫模。制好后的試樣用聚乙烯塑料袋包裹起來(lái),置于(20±2) ℃、濕度大于90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)值時(shí),進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。需要說(shuō)明的是,應(yīng)將水泥土破碎重塑前的壓實(shí)時(shí)間算入試樣齡期,保證當(dāng)水泥摻量一樣時(shí),相同齡期內(nèi)的水泥水化產(chǎn)物含量也保持一致,便于對(duì)比不同壓實(shí)時(shí)間對(duì)固化土強(qiáng)度的影響。如圖1所示,當(dāng)t1=0時(shí),即沒(méi)有壓實(shí)時(shí)間,制作的試樣稱為水泥固化土[12];當(dāng)t1

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水泥摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

首先分析水泥摻量對(duì)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,如圖2所示,隨著水泥摻量的增加,各壓實(shí)時(shí)間的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之增加。

如圖2(a)和圖2(c)所示,壓實(shí)時(shí)間t為4 h、10 h和72 h的固化土,7 d和28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈近似線性增加。而從圖2(b)可以看出,t為4 h、10 h和72 h的固化土,隨著水泥摻量的增加,14 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加較快后來(lái)增加較慢。以t為72 h的固化土為例,當(dāng)水泥摻量由5%增加到7%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由311.6 kPa增加到654.8 kPa,增加了110%;當(dāng)水泥摻量由7%增加到9%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由654.8 kPa增加到722 kPa,增加了10%。

如圖2(a)和圖2(b)所示,t為4 h的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線位于t為10 h的固化強(qiáng)度無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線之上。而由圖2(c)可以看出,t為72 h,摻量為7%和9%的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線位于最上方,其余依次是t為4 h、10 h、168 h的固化土。

圖2 水泥摻量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 2 Relationship between cement content and unconfined compressive strength with different curing periods

2.2 齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

壓實(shí)時(shí)間為4 h的固化壓實(shí)土與常規(guī)制樣方法(水泥固化土)最為貼近,以其為例,分析固化壓實(shí)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系。

圖3 齡期與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between curing period and unconfined compressive strength

如圖3所示,固化壓實(shí)土的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加,當(dāng)水泥摻量c為3%時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),14 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度相差不大,固化壓實(shí)土強(qiáng)度增加比較緩慢;當(dāng)c為9%時(shí),隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,固化壓實(shí)土強(qiáng)度增加較快,28 d強(qiáng)度為7 d強(qiáng)度的1.56倍。

2.3 壓實(shí)時(shí)間對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)時(shí)間的關(guān)系Fig. 4 Relationship between compaction period and unconfined compressive strength with different curing periods

如圖4所示,固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)時(shí)間的增加而降低,然而不同水泥摻量的固化土強(qiáng)度受壓實(shí)時(shí)間影響程度不同。

由圖4(a)和圖4(b)可知,當(dāng)水泥摻量c為5%、7%和9%時(shí),7 d和14 d齡期固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)時(shí)間增加而降低。以c為9%、7 d齡期的固化土為例,當(dāng)壓實(shí)時(shí)間由4 h增加到168 h時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由688 kPa下降到375.1 kPa,下降了45%。然而當(dāng)水泥摻量較低時(shí),隨著壓實(shí)時(shí)間增加,固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低的幅度不高。以c為3%、7 d齡期的固化土為例,壓實(shí)時(shí)間為4 h和168 h時(shí)的固化土,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為61.4 kPa和47.6 kPa,下降了22%。

由圖4(c)可知,對(duì)于c為7%和9%的固化土,隨著壓實(shí)時(shí)間的延長(zhǎng),固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增加、后降低,且無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在72 h時(shí)達(dá)到最大值。以9%水泥摻量的固化土為例,壓實(shí)時(shí)間由4 h增加到72 h,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由1 079 kPa增加到1 445.6 kPa,增加了34%;當(dāng)壓實(shí)時(shí)間由72 h增加到168 h時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度由1 445.6 kPa下降到774.5 kPa,下降了46%。這是由于水泥摻量較高,水化反應(yīng)消耗的水分較多,試樣更易于壓實(shí),干密度較大,使得強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2.4 重塑固化土強(qiáng)度與干密度的關(guān)系

圖5 重塑固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系Fig. 5 Relationship between dry density and unconfined compressive strength of remolded solidified soil

重塑固化土是拌和后的水泥土養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后,經(jīng)破碎后立即制樣,并測(cè)試其無(wú)側(cè)限強(qiáng)度的試樣。此時(shí)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)作用被破壞,重塑固化土的強(qiáng)度主要是顆粒之間的孔隙填充,通過(guò)分析干密度與重塑固化土強(qiáng)度的關(guān)系,研究壓實(shí)性與固化土強(qiáng)度的關(guān)系。如圖5所示,重塑固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著干密度的增加而增加,呈線性關(guān)系(R2=0.965 2)。重塑固化土的含水率較低,便于壓實(shí),使干密度增加,土體內(nèi)部的孔隙減小,固化土強(qiáng)度增加。

qu=6 828.9ρd-6 978.2

式中:qu——重塑固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;ρd——重塑固化土的干密度。

3 固化壓實(shí)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度組成的機(jī)理分析

由以上分析可知,影響無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素有齡期、水泥摻量和壓實(shí)時(shí)間,這些因素通過(guò)影響固化土顆粒的填充和膠結(jié)起作用。隨著水泥摻量的增加,養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),固化土的膠結(jié)強(qiáng)度越高。隨著壓實(shí)時(shí)間的增加,水化反應(yīng)會(huì)消耗更多的孔隙水,使固化土含水率下降,便于壓實(shí),干密度會(huì)有所增加;但是重塑過(guò)程會(huì)導(dǎo)致固化土的結(jié)構(gòu)破壞,使得膠結(jié)強(qiáng)度下降。

綜上,水泥摻量和齡期與固化土強(qiáng)度具有正相關(guān)關(guān)系,而壓實(shí)時(shí)間與固化土強(qiáng)度的關(guān)系較為復(fù)雜。一方面，隨著壓實(shí)時(shí)間的延長(zhǎng),原本起到膠結(jié)作用的水化產(chǎn)物被破碎,導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用減弱,使固化土的膠結(jié)強(qiáng)度降低;另一方面，由于壓實(shí)時(shí)間增加,固化土含水率越低,便于壓實(shí),試樣內(nèi)部的孔隙變小,干密度隨之增加,使固化土的強(qiáng)度增加。壓實(shí)時(shí)間既會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)時(shí)間內(nèi)水化產(chǎn)物的膠結(jié)強(qiáng)度喪失,又會(huì)使壓實(shí)時(shí)間后的固化土便于壓實(shí)。

如果在某個(gè)壓實(shí)時(shí)間,重塑過(guò)程導(dǎo)致固化土損失的強(qiáng)度小于其便于壓實(shí)而增加的強(qiáng)度,固化土強(qiáng)度則會(huì)達(dá)到峰值。如圖4(c)所示,當(dāng)壓實(shí)時(shí)間為72 h時(shí),水泥摻量7%、9%的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值;水泥摻量3%、5%的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)時(shí)間的增加而降低。對(duì)于高水泥摻量(本文7%、9%)的固化土而言,水泥水化反應(yīng)消耗的水分更多,土體更易壓實(shí),干密度更大;72 h的壓實(shí)時(shí)間相比于28 d齡期而言,重塑過(guò)程損失的膠結(jié)強(qiáng)度并不是很大,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,膠結(jié)強(qiáng)度還會(huì)增加。由于便于壓實(shí)增加的強(qiáng)度大于重塑損失的壓實(shí)時(shí)間內(nèi)膠結(jié)強(qiáng)度,從而導(dǎo)致在壓實(shí)時(shí)間為72 h時(shí),固化土強(qiáng)度達(dá)到峰值。而對(duì)于低水泥摻量(本文為3%、5%)的固化土而言,盡管隨著壓實(shí)時(shí)間的增加,固化土的干密度會(huì)增加,但是水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用是固化土的主要強(qiáng)度來(lái)源[15-16],使固化土強(qiáng)度隨壓實(shí)時(shí)間的增加而降低。

4 結(jié) 論

a. 固化壓實(shí)土的強(qiáng)度除受水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期影響之外,還與其拌和后的壓實(shí)時(shí)間有關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期與水泥固化土強(qiáng)度具有正相關(guān)的關(guān)系,而壓實(shí)時(shí)間的延長(zhǎng)一方面使得固化土便于壓實(shí),另一方面破碎重塑后又會(huì)損失壓實(shí)時(shí)間內(nèi)的膠結(jié)強(qiáng)度。

b. 壓實(shí)時(shí)間越長(zhǎng),重塑損失的壓實(shí)時(shí)間內(nèi)的膠結(jié)強(qiáng)度也就越大,因此應(yīng)避免造成壓實(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),否則必須提高其壓實(shí)度,才能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

c. 重塑固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與干密度呈線性關(guān)系,填筑固化土?xí)r,可以通過(guò)選擇合理的碾壓方式,提高固化土的壓實(shí)度,從而提高固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

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Experimental study on influence of compaction period on strength of solidified soil

ZHAO Zirong1, 2, XU Jianyong3, CHEN Yonghui1, 2, CHEN Geng1, 2, WANG Bo1,2, LI Bin4

(1.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.JiangsuResearchCenterforGeotechnicalEngineeringTechnology,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;3.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,DesignandResearch,Hangzhou310006,China;4.ConstructionHeadquartersofHighway31NorthExtensionSectioninShaoxing,Shaoxing312000,China)

The influence of the compaction period, cement content, and curing period on the strength of solidified soil was studied using an unconfined compressive strength test. The results show that a compaction period that is two long makes the solidified soil more easily compacted, but causes a loss of the cementing strength. According to mechanism analysis, it is found that the strength of the remolded solidified soil is related to the dry density of the sample, and a linear equation is fitted to test data. Based on the test results, it is recommended that solidified soil be used as soon as possible after mixing so as to make full use of cementation of cement. Otherwise, it is necessary to improve the degree of compaction in order to achieve the design requirements.

solidified compaction soil; remolded solidified soil; unconfined compressive strength; compaction period; cement content; curing period; dry density

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.010

2015-12-24

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201401006)；水利部“948”項(xiàng)目(201435)；浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012H29,2014H28)

趙子榮(1990—)，男，安徽界首人，碩士研究生，主要從事軟土地基研究。E-mail：1558773703@qq.com

TU411

A

1000-1980(2016)06-0531-05