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        黃土EPS顆?;旌陷p質(zhì)土的抗剪強度特性試驗研究

        2018-11-22 01:47:12
        西部交通科技 2018年9期
        關(guān)鍵詞:粘聚力輕質(zhì)抗剪

        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]等通過實驗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)的變形及強度特性;Bathurst R J等[10]通過試驗研究認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)護箱中進行養(yǎng)護,養(yǎng)護溫度設(shè)為20±1 ℃,養(yǎng)護濕度為95%,1 d后拆模(這1 d的時間也計入養(yǎng)護齡期),再次放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護到規(guī)定齡期。

        2 試驗方法

        在達到28 d的養(yǎng)護齡期后,對試樣進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(即UU試驗),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)變達到20%則自動停止。試驗設(shè)備為長安大學(xué)土工實驗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儀,試驗方案如表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 試驗方案表

        3 試驗結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

        3.1 試驗結(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 各配合比的實驗結(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與抗剪強度指標(biāo)表

        圖2 水泥摻入比對抗剪強度指標(biāo)的影響曲線圖

        圖3 EPS顆粒摻入比對抗剪強度指標(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)越強烈,所形成的水化作用產(chǎn)物越多,進而所形成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,即結(jié)構(gòu)強度越大,抵抗剪切破壞變形的能力就越大,進而抗剪強度越大,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)水泥摻入量達到一定程度時,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,抗剪強度反而有可能下降。由此可知在水泥摻入比<20%時,c隨水泥用量的增大而增大;當(dāng)達到20%時,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,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,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)土的抗剪強度。

        (2)黃土EPS顆粒混合輕質(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。

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