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        鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的力學(xué)性能研究

        2019-04-16 07:10:18侯芮陳四利馬嘯胡炎通江國龍
        中外公路 2019年1期
        關(guān)鍵詞:鐵尾礦砂抗壓

        侯芮, 陳四利, 馬嘯, 胡炎通, 江國龍

        (沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)

        1 引言

        水泥土由于具有低滲、高強(qiáng)等特點(diǎn),可作為路基加固土應(yīng)用在鐵路、公路、飛機(jī)跑道等路基加固工程中。中國鐵尾礦的產(chǎn)出量巨大,尾礦的堆積占用土地、污染環(huán)境、不安全等問題都造成了諸多負(fù)面影響。將鐵尾礦砂應(yīng)用于水泥土不僅可以改善環(huán)境污染,更加節(jié)約了建筑材料。因此,對鐵尾礦砂水泥土的力學(xué)性能的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

        近年來,國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)性能作了廣泛研究。如曹智國、嚴(yán)紅霞、陳瑞生等進(jìn)行了水泥土抗壓強(qiáng)度的影響因素研究,得出影響水泥土強(qiáng)度的主要因素有水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、含水率等。鹿群、夏永杰、陳四利等研究了摻石灰、纖維、廢鋼渣等對水泥土力學(xué)性能的影響;韓鵬舉等研究了化學(xué)腐蝕溶液對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律;赫文秀等進(jìn)行了摻砂水泥土的力學(xué)性能研究,得出摻砂量為50%時(shí)效果最佳。

        該文在上述研究基礎(chǔ)上將鐵尾礦砂應(yīng)用于水泥土,并通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)研究鐵尾礦水泥復(fù)合土的抗壓性能,抗折性能隨水泥摻量、齡期、尾礦砂摻量的關(guān)系;分別擬合出抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量的函數(shù)關(guān)系,為工程應(yīng)用服務(wù)。

        2 試驗(yàn)概況

        2.1 試驗(yàn)原材料

        試驗(yàn)采用的土樣為取自沈陽市某路基地的粉質(zhì)黏土,其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。所用鐵尾礦砂取自鞍山某尾礦庫,其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1,細(xì)度模數(shù)為1.2,屬于高硅型特細(xì)尾礦砂。選用強(qiáng)度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)用水為自來水。

        表1 土樣、鐵尾礦砂的物理性質(zhì)指標(biāo)

        2.2 試驗(yàn)方案及方法

        水泥土試件中水泥摻量取3種:12%、16%、20%,尾礦砂按0、15%、20%、25%等質(zhì)量代替土體,水灰比取1.2。根據(jù)JGJ T233-2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,采用70.7 mm×707 mm×70.7 mm、40 mm×40 mm×160 mm的試模分別制備試件108個(gè),在清水環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7、14、28 d。

        試件養(yǎng)護(hù)到指定齡期后,采用WDW-100C微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn),電動抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折試驗(yàn)。

        3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        3.1 水泥摻量對尾礦砂水泥土強(qiáng)度的影響

        圖1為7、28 d齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化情況。

        圖1 不同齡期水泥摻量-抗壓強(qiáng)度曲線

        從圖1可以看出:水泥摻量對鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度影響顯著。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d、鐵尾礦砂摻量為15%的條件下,水泥摻量為16%、20%的強(qiáng)度達(dá)到4.96、5.41 MPa,較同齡期水泥摻量為12%的強(qiáng)度分別增長67%、82%。所以,抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大。

        圖2為28 d抗折強(qiáng)度隨水泥摻量的變化規(guī)律。

        由圖2可以看出:隨水泥摻量的增加,抗折強(qiáng)度增加。鐵尾礦砂摻量為25%,水泥摻量為20%的水泥土試件抗折強(qiáng)度達(dá)到2.82 MPa,較水泥摻量為12%、16%的強(qiáng)度分別增長63.0%、13.25%。其主要原因在于水泥摻量的增加,加劇了水泥水解、水化反應(yīng),生成的水化膠凝物質(zhì)增多,包裹在土顆粒和鐵尾礦砂表面,增加土體內(nèi)部的黏結(jié)力,使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度增加。與水泥摻量由12%增至16%相比,水泥摻量由16%增至20%時(shí),抗壓、抗折強(qiáng)度均增長緩慢。所以從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā),鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的水泥摻量不宜過大,控制在16%左右較為合理。

        圖2 28 d齡期水泥摻量-抗折強(qiáng)度曲線

        3.2 尾礦砂摻量對水泥土強(qiáng)度的影響

        圖3為不同齡期水泥土抗壓強(qiáng)度隨鐵尾礦砂摻量的變化情況。從圖3可以看出:在不同齡期,不同水泥摻量下,抗壓強(qiáng)度隨尾礦砂摻量的增加逐漸增加。鐵尾礦砂摻量為25%,水泥摻量為12%、16%、20%的試件,養(yǎng)護(hù)7 d后,其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到3.65、5.39、5.82 MPa,是純水泥土強(qiáng)度的1.65、1.27、1.12倍,能夠滿足一般工程的強(qiáng)度需要。當(dāng)齡期達(dá)到28 d時(shí),鐵尾礦砂摻量每增加5%,水泥摻量為20%、16%、12%的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土試件,其抗壓強(qiáng)度平均增長0.34、0.57、0.69 MPa。因此,在鐵尾礦砂摻量小于25%的條件下,尾礦砂摻量越大,水泥土的抗壓強(qiáng)度越大。

        圖4為不同齡期尾礦砂水泥土抗折強(qiáng)度隨尾礦砂摻量的變化關(guān)系。從圖4可看出:在尾礦砂摻量小于25%條件下,齡期達(dá)到28 d時(shí),抗折強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量近似呈直線增長,水泥摻量為20%、16%、12%的鐵尾礦砂水泥復(fù)合土,鐵尾礦砂摻量每增加5%,其抗折強(qiáng)度分別平均增長0.12、0.17、0.15 MPa。

        低摻量的尾礦砂提高水泥土強(qiáng)度的主要原因:① 尾礦砂的加入可以改善土顆粒的級配,減小土體的空隙率,增加水泥土的密實(shí)性,因此水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度有所提高;② 鐵尾礦砂屬于高硅型特細(xì)尾礦砂,化學(xué)成分與土相似,但粒徑大于黏土顆粒,在土體中充

        圖3 不同齡期尾礦砂摻量-抗壓強(qiáng)度曲線

        圖4 不同齡期尾礦砂摻量-抗折強(qiáng)度曲線

        當(dāng)了粗骨料的作用,在水泥水化、硬化形成的膠凝物質(zhì)的作用下,使土顆粒圍繞其形成整體,故水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度有所提高。

        由于水泥土早期強(qiáng)度不穩(wěn)定,在這里討論齡期為28 d,不同水泥摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量的函數(shù)關(guān)系,應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行擬合。得到尾礦砂水泥土的強(qiáng)度fcu、抗折強(qiáng)度ft與尾礦砂量S的表達(dá)式如下:

        fcu=a(S)+b

        (1)

        ft=c(S)+d

        (2)

        式中:a、b、c、d為回歸系數(shù)。

        求得的抗壓、抗折強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量的回歸系數(shù)和相關(guān)度R1、R2見表2,相關(guān)度R1、R2均大于0.9,說明抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與尾礦砂摻量按照一次函數(shù)擬合效果較好。

        表2 強(qiáng)度與鐵尾礦砂摻量的回歸系數(shù)

        3.3 齡期對尾礦砂水泥土強(qiáng)度的影響

        圖5、6分別為純水泥土、尾礦砂摻量為15%的水泥土抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期的變化情況。

        圖5 純水泥土、尾礦砂15%水泥土齡期-抗壓強(qiáng)度曲線

        從圖5、6可以看出:在養(yǎng)護(hù)齡期小于28 d的條件下,鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期增長而增加,與純水泥土的變化規(guī)律相同,強(qiáng)度增加的原因在于水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)長期作用的過程,養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長,水泥的水化反應(yīng)越充分,水化產(chǎn)物越多,所以水泥土強(qiáng)度不斷提高。

        圖6 純水泥土、尾礦砂15%水泥土齡期-抗折強(qiáng)度曲線

        水泥摻量為12%,尾礦砂摻量為15%的水泥土在前7、7~14、14~28 d齡期,抗壓強(qiáng)度平均每天分別增長0.99、0.15、0.16 MPa,抗折強(qiáng)度平均每天增長0.04、0.15、0.01 MPa,故鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度早期強(qiáng)度增長較快,后期強(qiáng)度增長較慢,這一變化規(guī)律與純水泥土相似。

        4 結(jié)論

        對尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨水泥摻量、齡期、鐵尾礦砂摻量的變化關(guān)系進(jìn)行研究,得到的主要結(jié)論如下:

        (1) 鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度均隨水泥摻量的增加而增大,但水泥摻量大于16%時(shí)強(qiáng)度增長較緩慢,所以,水泥摻量控制在16%左右,更具有經(jīng)濟(jì)效益。

        (2) 鐵尾礦砂水泥復(fù)合土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨齡期的增長而增大,并且早期強(qiáng)度增長較快,后期強(qiáng)度增長較慢。

        (3) 當(dāng)尾礦砂摻量小于25%時(shí),水泥土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨鐵尾礦砂摻量的增加而增大,符合線性函數(shù)關(guān)系,并且當(dāng)水泥摻量較小時(shí),摻尾礦砂效果明顯。

        (4) 在該文試驗(yàn)條件下,養(yǎng)護(hù)齡期為28 d,水泥摻量為12%,尾礦砂摻量為15%的水泥土抗壓抗折強(qiáng)度分別達(dá)到5.5、1.38 MPa,能夠滿足一般工程的強(qiáng)度需要。

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