阮波，鄭世龍，丁茴，聶如松，阮晨希，陳棟

低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

阮波1，鄭世龍1，丁茴1，聶如松1，阮晨希1，陳棟2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 深圳市高級(jí)中學(xué)，廣東 深圳 518040)

為了研究低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的影響，開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用的水泥摻量為4%，5%和6%，壓實(shí)系數(shù)0.90，0.93和0.95。研究了?20 ℃低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和剛度的影響。研究結(jié)果表明，低溫養(yǎng)護(hù)條件下，壓實(shí)系數(shù)0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%時(shí)，對(duì)應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.27，0.36和0.54 MPa，峰值應(yīng)變分別為2.46%，2.69%和2.78%，50分別為8.26，11.10和14.32 MPa。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，水泥摻量4%，壓實(shí)系數(shù)0.95時(shí)，低溫養(yǎng)護(hù)的水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和50分別降低了32.5%，14.0%和18.3%。本文的研究成果對(duì)風(fēng)積沙鐵路路基基床的設(shè)計(jì)、施工有借鑒意義。

水泥改良風(fēng)積沙；塔克拉瑪干沙漠；低溫養(yǎng)護(hù)；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；峰值應(yīng)變；50；水泥摻量

我國是多沙漠國家, 沙漠面積約7.5×105km2，約占8%的國土面積, 主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、陜西等省區(qū)[1]。風(fēng)積沙作為一種特殊的建筑材料在沙漠地區(qū)儲(chǔ)量相當(dāng)豐富，不少學(xué)者對(duì)風(fēng)積沙的物理力學(xué)性質(zhì)及擊實(shí)性能等方面開展了試驗(yàn)研究，并取得了豐碩的研究成果[2?6]。但風(fēng)積沙顆粒松散、黏聚力小、天然含水率低、級(jí)配不良[7?8]，不能直接用于鐵路路基基床填料，需要進(jìn)行填料改良。由于沙漠地區(qū)粗粒土填料缺乏，難以進(jìn)行物理改良，工程上常采用水泥作為外摻料進(jìn)行化學(xué)改良。任輝明等[9?10]研究發(fā)現(xiàn)，水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)、養(yǎng)護(hù)齡期和水泥強(qiáng)度等級(jí)的增大而增大。Ates[11]研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙的最大干密度和最優(yōu)含水率隨著水泥摻量增大而增大。Choobbasti 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)沙的峰值應(yīng)變隨著水泥摻量的增大而減小，剛度隨著水泥摻量的增大而增大。上述研究成果是在室溫或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行，水泥的水化受溫度的影響。Fall等[13]研究了低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥膠結(jié)尾礦無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，研究結(jié)果表明，低溫養(yǎng)護(hù)降低了水泥膠結(jié)尾礦無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Kim等[14]研究發(fā)現(xiàn)，低溫養(yǎng)護(hù)的混凝土早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土強(qiáng)度基本相同。根據(jù)塔克拉瑪干沙漠的氣象資料[15?16]，塔克拉瑪干沙漠全年干燥少雨，冬季氣溫最低可以達(dá)到?20 ℃。秋冬季施工期間，水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度易受低溫影響。因此，本文開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙應(yīng)力應(yīng)變行為、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和剛度的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用風(fēng)積沙來自于中國新疆塔克拉瑪干沙漠中的某鐵路施工現(xiàn)場，其主要成分為SiO2，占比達(dá)81%，其余成分包括Al2O3，CaO和MgO等。其10，30，60，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為0.09，0.13，0.18，2.0和1.0。圖1為風(fēng)積沙照片，粒徑分布比較均勻，呈淡黃色。圖2為放大50倍后的風(fēng)積沙掃描電鏡照片，從照片上可知，風(fēng)積沙的主要粒徑在0.25~0.075 mm范圍內(nèi)。表1為風(fēng)積沙顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，表2為其物理力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)中所用的水泥為普通硅酸鹽水泥，表3為其物理力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)用水為長沙市自來水。

圖1 風(fēng)積沙照片

圖2 風(fēng)積沙掃描電鏡照片

表1 風(fēng)積沙的顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表2 風(fēng)積沙的物理力學(xué)性質(zhì)

表3 水泥的物理力學(xué)性質(zhì)

2 試驗(yàn)方案

為了研究?20 ℃低溫養(yǎng)護(hù)(以下簡稱低溫)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的影響，采用溫度20 ℃且相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(以下簡稱標(biāo)養(yǎng))作為對(duì)照組。試驗(yàn)方案采用3種壓實(shí)系數(shù)和3種常用的水泥摻量c，試驗(yàn)方案見表4。

式中：c為水泥摻量，%；c為水泥質(zhì)量，kg；s為風(fēng)積沙質(zhì)量，kg。

表4 試驗(yàn)方案

3 試樣制備及試驗(yàn)

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]開展Z3重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定不同水泥摻量下水泥混合風(fēng)積沙的最優(yōu)含水率和最大干密度，如表5所示。

根據(jù)最優(yōu)含水率和壓實(shí)系數(shù)稱取若干烘干風(fēng)積沙、水泥和水，按照規(guī)范[17]將水泥、風(fēng)積沙和水按一定比例充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥苫旌狭?，采用靜力壓實(shí)法制樣，制作直徑50 mm，高度50 mm的圓柱體試件。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)采用SHBY-40B型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，低溫養(yǎng)護(hù)采用HDDW-400型低溫試驗(yàn)箱，養(yǎng)護(hù)6 d。然后將試件放入水中浸泡24 h，水面高出試件頂面2.5 cm，取出試件用抹布吸去試件表面的水分，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率控制在1 mm/min，記錄試件被破壞時(shí)的最大壓力。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：u為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；為試件面積，mm2。

表5 不同水泥摻量下的最大干密度和最優(yōu)含水率

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型。應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可分為5個(gè)典型特征階段，如圖4所示：段為初始?jí)簩?shí)階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大近似線性增大，但應(yīng)力增長速率較??；段為彈性變形階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大近似線性增大，應(yīng)力增長速率較大；段為彈塑性變形階段，應(yīng)力增長速率逐漸減小，應(yīng)力逐漸增大到峰值；段隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力近似線性減??；段應(yīng)力應(yīng)變曲線漸趨平緩。SUN 等[18]研究的水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈拋物線型，與本文的研究結(jié)果不盡相同。根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算出水泥改良風(fēng)積沙應(yīng)力應(yīng)變曲線段和段斜率，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。段斜率和段斜率都隨著壓實(shí)系數(shù)和水泥摻量的增大而增大。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，低溫養(yǎng)護(hù)條件下段與段斜率減小。

(a) 壓實(shí)系數(shù)0.90；(b) 壓實(shí)系數(shù)0.93；(c) 壓實(shí)系數(shù)0.95

圖4 水泥改良風(fēng)積沙的典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 OA段斜率

圖6 AB段斜率

4.2 低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響如圖7所示。低溫養(yǎng)護(hù)下，壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.27，0.36和0.54 MPa；水泥摻量為6%時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.90，0.93和0.95 對(duì)應(yīng)的7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.41，0.48和0.54 MPa。水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著壓實(shí)系數(shù)和水泥摻量的增大而增大。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，低溫養(yǎng)護(hù)降低了水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。低溫會(huì)降低水泥水化的反應(yīng)速率，在相同養(yǎng)護(hù)齡期下低溫環(huán)境產(chǎn)生的水泥水化物會(huì)減少。為了進(jìn)一步量化低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響程度，定義了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率L，如式(4)所示。

式中：qus為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；qul為低溫養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

圖8為水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率分別為32.5%，34.5%和35.7%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率隨著水泥摻量的增大而增大。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.90，0.93和0.95時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率分別為28.1%，31.4%和35.7%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。低溫條件下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率變化范圍為12.5%～36.1%。

圖8 低溫作用下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率

4.3 低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)峰值應(yīng)變的影響

脆性是評(píng)價(jià)材料的變形性能的一個(gè)重要指標(biāo)，常用峰值應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)材料的脆性[19]，本文采用水泥改良風(fēng)積沙破壞時(shí)峰值應(yīng)變來衡量材料的脆性。低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)峰值應(yīng)變的影響如圖9所示。低溫養(yǎng)護(hù)下，壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為2.46%，2.69%和2.78%，峰值應(yīng)變隨著水泥摻量的增大而增大；水泥摻量為6%時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.90，0.93和0.95 對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為2.50%，2.53%和2.78%，峰值應(yīng)變隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變減小，脆性增大。

為了進(jìn)一步量化低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變影響程度，定義了峰值應(yīng)變損失率L，如式(5)所示。

式中：ε為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的峰值應(yīng)變，%；為低溫養(yǎng)護(hù)條件下的峰值應(yīng)變，%。

圖10為水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)下的峰值應(yīng)變損失率分別為14.0%，14.1%和14.2%，峰值應(yīng)變損失率隨水泥摻量的增大而增大。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.90，0.93和0.95時(shí)，低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率分別為9.1%，9.6%和14.2%。峰值應(yīng)變損失率隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。低溫條件下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變損失率變化范圍為7.0%～15.5%。

圖9 低溫和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變

圖10 低溫作用下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率

4.4 低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)剛度的影響

剛度是巖土工程問題中確定變形量的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，常用割線模量50來評(píng)價(jià)巖土材料的剛度。50是指峰值應(yīng)力一半的應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比 值[19]。低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙剛度的影響如圖11所示。壓實(shí)系數(shù)為0.95且水泥摻量為6%時(shí)，低溫養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對(duì)應(yīng)的剛度分別為14.31 MPa和21.09 MPa，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，低溫養(yǎng)護(hù)降低了水泥改良風(fēng)積沙的剛度。水泥改良風(fēng)積沙剛度隨著水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。

圖11 低溫和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的剛度

為了進(jìn)一步量化低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良風(fēng)積沙的剛度影響程度，定義了剛度損失率G，如式(6)所示。

式中：s為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的剛度，MPa；為低溫養(yǎng)護(hù)條件下的剛度，MPa。

圖12為水泥改良風(fēng)積沙的剛度損失率。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)下的剛度損失率分別為18.3%，27.5%和32.1%，剛度損失率隨著水泥摻量的增大而增大。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.90，0.93和0.95時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙在低溫養(yǎng)護(hù)下的剛度損失率從21.1%，26.0%和32.1%。剛度損失率隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。低溫條件下水泥改良風(fēng)積沙的剛度損失率變化范圍為12.6%～33.7%。

圖12 低溫作用下水泥改良風(fēng)積沙的剛度損失率

5 結(jié)論

1) 水泥改良風(fēng)積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，應(yīng)力應(yīng)變曲線大致可分為初始?jí)簩?shí)階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、應(yīng)力衰減階段和應(yīng)力平緩階段5個(gè)典型特征階段。

2) 低溫養(yǎng)護(hù)下，壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.27，0.36和0.54 MPa。低溫養(yǎng)護(hù)下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。

3) 相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，低溫養(yǎng)護(hù)下水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)降低，強(qiáng)度損失率隨著水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度損失率分別為32.5%，34.5%和35.7%。

4) 相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變減小，峰值應(yīng)變損失率隨水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變損失率分別14.0%，14.1%和14.2%。

5) 低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的剛度50隨著水泥摻量和壓實(shí)系數(shù)的增大而增大。相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，低溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥改良風(fēng)積沙的剛度50降低，剛度損失率隨著水泥摻量的增大而增大，壓實(shí)系數(shù)為0.95時(shí)，水泥摻量為4%，5%和6%對(duì)應(yīng)的剛度損失率分別為18.3%，27.5%和32.1%。

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Experimental study on unconfined compressive strength of cement-stabilized aeolian sand cured at low temperature

RUAN Bo1, ZHENG Shilong1, DING Hui1, NIE Rusong1, RUAN Chenxi1, CHEN Dong2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Shenzhen Senior High School, Shanzhen 518040, China)

In order to study the effect of low temperature on cement-stabilized aeolian sand, a series of unconfined compressive strength tests were carried out. The three different cement content levels of the specimens were 4%, 5% and 6%, and the degree of compaction levels were 0.90, 0.93 and 0.95, respectively. The effect of ?20 ℃ low temperature on the stress-strain curve, unconfined compressive strength (UCS), peak strain and stiffness of cement-stabilized aeolian sand was studied. The results show that when the degree of compaction is 0.95 and the cement content is 4%, 5%, and 6%, the UCS is 0.27, 0.36, and 0.54 MPa, the peak strain is 2.46%, 2.69% and 2.78%, and the E50 is 8.26, 11.10 and 14.32 MPa, respectively. Compared with standard curing conditions (20 ℃ and 95%HR), the UCS, peak strain and E50 of the cement-stabilized aeolian sand cured at low temperature are reduced by 32.5%, 14.0%, and 18.3%, respectively, when the cement content is 4% and the degree of compaction is 0.95. The research results provide reference for the design and construction of railway subgrade layers using aeolian sand.

cement-stabilized aeolian sand; Taklimakan desert; low temperature; UCS; peak strain;50; cement content

TU447

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2540 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200542

2020?05?26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878666)

聶如松(1980?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事鐵路路基及橋梁樁基礎(chǔ)工程方面的教學(xué)、科研工作；E?mail：nierusong97@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)