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        偏高嶺土對水泥土強度影響的試驗與分析

        2020-02-07 01:28:02伍永平馬芹永
        關(guān)鍵詞:齡期

        伍永平 馬芹永

        摘要:為了研究偏高嶺土摻量和齡期對水泥土的力學(xué)強度的影響,并確定偏高嶺土的最佳摻量,以合肥市某工地的黏土為試驗對象,通過用偏高嶺土等質(zhì)量替換水泥,開展了不同齡期下(3d、7d、14d、28d)不同偏高嶺土摻量(0%、1%、2%、3%、4%)的水泥土的無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗結(jié)果表明:偏高嶺土可以提高水泥土的強度,且對水泥土早期強度提高更明顯,同時有利于提高水泥土的塑性。綜合經(jīng)濟和加固效果,得出偏高嶺土的最佳摻量為3%,相應(yīng)地,偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1:4。

        關(guān)鍵詞:水泥土;偏高嶺土;齡期;摻量;無側(cè)限抗壓強度;應(yīng)力一應(yīng)變曲線

        中圖分類號:TU447

        文獻標(biāo)志碼:A

        文章編號:1672-1098( 2020)04-0033-05

        作者簡介:伍永平(1992-),男,安徽蕪湖人,在讀碩士,研究方向:巖土工程。

        水泥土是一種由土、水泥和水按一定配合比制成的加固材料,主要用于地基和路基等巖土工程中,尤其是制作成水泥攪拌樁用于軟土加固中[1-2]264。然而水泥的生產(chǎn)過程會消耗大量能源并產(chǎn)生高碳排放[3-4]244,且水泥土易受到氯鹽、硫酸鹽的侵蝕作用以及凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等復(fù)雜環(huán)境的影響,造成水泥土的耐久性能降低[5-6]447。為了尋找水泥替代品,提高水泥土的性能,國內(nèi)眾多專家學(xué)者做了大量的相關(guān)試驗研究,結(jié)果表明:偏高嶺土可有效提高水泥土的抗壓強度[7-9]115。

        偏高嶺土(Metakaolin,簡稱MK)是高嶺土在600 - 900℃下煅燒形成,生產(chǎn)過程能耗低、二氧化碳排放量少[3]244。其含有大量活性Al2O3和SiO2,常溫下的性質(zhì)穩(wěn)定,在堿性環(huán)境下,生成硅鋁酸鹽類物質(zhì)[1]365,從而促進水泥的水化反應(yīng)并產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物。以往關(guān)于偏高嶺土摻量對水泥土強度影響的研究中,文獻[10]研究了江蘇連云港海相軟土,發(fā)現(xiàn)偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為在1:6至1:5范圍內(nèi)時,水泥土的強度提升效果最好,分析了偏高嶺土的作用機理;文獻[11]以太原市砂質(zhì)黏土為研究對象,提出偏高嶺土與水泥的最佳質(zhì)量比為1:3~1:2;文獻[12]選取太原粉質(zhì)砂土進行無側(cè)限抗壓強度試驗,結(jié)果表明,偏高嶺土的最佳摻人比為2% - 3%;文獻[13]認(rèn)為太原市粉質(zhì)黏土制得的水泥土強度達到最佳時,偏高嶺土的摻人比為1.5%,對應(yīng)的偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1:9。

        以上研究結(jié)果表明,不同土質(zhì)的水泥土,偏高嶺土的最佳摻量并不統(tǒng)一,且只有一個大概范圍。本文以黏土為研究對象,設(shè)定不同偏高嶺土摻量,研究其不同摻量對不同齡期水泥黏土性能的影響,進而確定偏高嶺土的最佳摻量,為實際工程提供一定的試驗依據(jù)。

        1 試驗方案與試驗過程

        1.1 試驗材料

        試驗所用黏土取自合肥某工地,將取回的土風(fēng)干,碾碎并過2mm篩。參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》( GB/T50123 - 2019)[14],測得土的粒徑級配見表1,土樣的液限為40. 89%,塑限為21. 93%,塑性指數(shù)為18. 96,最優(yōu)含水率w-為19. 84%,最大干密度pd為1. 755g/cm3。水泥選用淮南市某廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P-042.5),試驗用水為普通自來水,偏高嶺土產(chǎn)自河南焦作某廠,細(xì)度為1 250目,各項成分如表2所示。

        1.2 試驗方案

        在水泥土應(yīng)用于處理高速公路軟黏土路基時,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥的摻量在15%

        - 20%間[15],因此,試驗選用干土質(zhì)量的15%作為水泥的基準(zhǔn)摻量,偏高嶺土摻入量分別為干土質(zhì)量的0%、1%、2%、3%、4%,等質(zhì)量替代水泥,水泥土的試驗方案如表3所示。

        1.3 試驗過程

        按照擊實試驗所得最優(yōu)含水率拌制土樣,將拌制好的濕土樣裝入密封袋內(nèi)密封靜置24h,之后按配合比向土樣中加入水泥、偏高嶺土、水,充分拌勻[16]。采用分層擊實的方法將拌合料分4次裝入內(nèi)壁涂抹薄層凡士林的圓柱體鋼模中,模具內(nèi)直徑為50mm,高度為100mm,最后一次振搗完成后用刮土刀將試樣表面刮平。拆模后,用保鮮膜將試樣包裹并放人密封袋,在室內(nèi)分別養(yǎng)護3d,7d、14d和28d。每組均制作3個平行試樣,共計60個試樣。

        試樣養(yǎng)護到設(shè)定齡期之后,參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)[17]進行無側(cè)限抗壓強度試驗,所用儀器為WDW-100微機控制電子式萬能試驗機,加載裝樣如圖1所示。試驗采用應(yīng)變控制,加荷速率為1 mm/min。試驗數(shù)據(jù)處理時,若試樣的測值低于或超過該組平均值的15%時,則該試樣的測值作廢,按余下試樣的測值計算平均值;若一組中滿足要求的試樣不足兩個,則該組須重新制樣進行試驗直至滿足要求。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 水泥土強度與偏高嶺土摻量的關(guān)系

        圖2表示不同齡期下水泥土無側(cè)限抗壓強度隨偏高嶺土摻量變化的試驗結(jié)果。由圖2可知,相同齡期條件下,摻入偏高嶺土的水泥土強度均高于未摻偏高嶺土水泥土,說明偏高嶺土能有效提高水泥土的抗壓性能。并且發(fā)現(xiàn)水泥土強度與偏高嶺土摻量不是單一線性增長關(guān)系,當(dāng)偏高嶺土摻量從0增到3%時,3d、7d、14d和28d下水泥土的強度分別由1. 36MPa、1.7IMPa、2.07MPa和2.6IMPa增長到1. 95MPa、2.38MPa、2.85MPa和3.73MPa;當(dāng)偏高嶺土摻量由3%到4%時,其強度則分別下降到1. 44MPa、1.86MPa、2.19MPa和2.80MPa。

        對上述現(xiàn)象作出分析:一方面,水泥自身水化反應(yīng)生成水化硅酸二鈣,水化硅酸三鈣等產(chǎn)物,同時水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca( OH)2和偏高嶺土中高活性的Al2 O3和SiO2反應(yīng),生成了鈣礬石AF-t及水化硅酸鈣C-S-H、水化鋁酸鈣C-A-H等一系列膠結(jié)性水化產(chǎn)物,這些產(chǎn)物既可以填充在水泥土孔隙中,使結(jié)構(gòu)更加致密(填充作用),又因其本身具有較高的膠結(jié)強度且能使黏土顆粒彼此連接在一起,進而使水泥土的強度得以提升[5 ]449。隨著火山灰反應(yīng)的進行,Ca(OH)2含量減少,從而促進了水泥的水化反應(yīng),水泥的水化反應(yīng)與偏高嶺土火山灰反應(yīng)相互協(xié)作,共同提升水泥土的強度[8]114。

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