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        市政路基低液限粉土復(fù)摻改性試驗(yàn)研究

        2021-07-18 11:43:38彭一武
        中阿科技論壇(中英文) 2021年7期

        彭一武

        (湖南省高嶺建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,湖南 長沙 410000)

        未經(jīng)過復(fù)摻優(yōu)化改性的低液限粉土直接作為路基時(shí),會(huì)出現(xiàn)垂直變形問題,目前市政路基粉土改性是優(yōu)化低液限粉土路基的有效方法之一。然而由于其較差的屈服強(qiáng)度、較高的孔隙率、較低的剪切強(qiáng)度以及高壓縮性,單純摻加水泥或雙摻水泥+粉煤灰,都無法有效改善粉土的力學(xué)特性。目前,對(duì)低液限粉土復(fù)摻改性技術(shù)的研究成為業(yè)界一大熱點(diǎn)。本文探討通過摻加膨潤土來提高粉土的密實(shí)度、抗彎沉性能,通過復(fù)合摻加水泥、硅酸鈉水溶液、氯化鈣、石灰、纖維等實(shí)現(xiàn)提升粉土強(qiáng)度,以減少低液限粉土路基的彎沉,從而實(shí)現(xiàn)低液限粉土用于路基填筑。

        1 試驗(yàn)原材料要求

        1.1 試驗(yàn)粉土

        本次研究選取的低液限粉土樣品來自某市政公路路基,具體樣品參數(shù)如表1所示,可以看出樣品的高壓縮性、級(jí)配不合理。

        1.2 其他試驗(yàn)材料

        (1)膨潤土,主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁;

        (2)PO42.5普通硅酸鹽水泥;

        (3)水玻璃:硅酸鈉水溶液,密度約1.53 g/cm3,波美度50,彈性模量2.6~2.9;

        (4)氯化鈣溶液;

        (5)生石灰,主要成分是氧化鈣;

        (6)長度為9 mm的聚丙烯纖維。

        2 低液限粉土復(fù)摻改性試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

        (1)低液限粉土密實(shí)度優(yōu)化:采用強(qiáng)吸附、強(qiáng)黏結(jié)、易膨脹的膨潤土以一定比例摻加到粉土中,增強(qiáng)其黏性,從而改善其密實(shí)度,試驗(yàn)選用的摻加比例分別為0%、3%、6%、9%、12%。

        (2)低液限粉土強(qiáng)度、壓縮性優(yōu)化:本研究采用正交法,選用水玻璃、氯化鈣、水泥、石灰及聚丙烯纖維通過復(fù)合摻加的方式改良低液限粉土強(qiáng)度和壓縮性,具體配比如表2所示。

        (3)復(fù)摻配比優(yōu)化:根據(jù)上述兩個(gè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù),進(jìn)行粉土的復(fù)合摻加配比優(yōu)化試驗(yàn),獲得最優(yōu)配比。

        表1 試驗(yàn)粉土的物理力學(xué)參數(shù)

        表2 正交試驗(yàn)配比參數(shù)

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 密實(shí)度改良結(jié)論

        摻加的膨潤土含量與對(duì)應(yīng)的最佳含水率下,粉土壓實(shí)后的干密度、彈性模量如圖1所示。

        圖1 密實(shí)度改良結(jié)果

        據(jù)圖1可知:(1)隨著膨潤土摻加比例的上升,粉土的彈性模量、干密度先升后降。膨潤土摻加比例達(dá)到9%時(shí),二者達(dá)到最大值,彈性模量為50.6 MPa,干密度為1.89 g/cm3;(2)與沒有摻入膨潤土的低液限粉土相比,彈性模量最大值上升了36.96%,干密度最大值上升了12.5%;(3)摻入膨潤土后,粉土密實(shí)度有明顯改善,彈性模量也顯著提高,可以明顯減少粉土路基彎沉。

        3.2 強(qiáng)度及壓縮性改良結(jié)論

        每個(gè)試驗(yàn)組樣品的抗剪強(qiáng)度的變化(在300 kPa下97%的壓實(shí)度)如圖2所示,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化如圖3所示,壓縮系數(shù)大小變化如圖4所示。

        圖2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)論

        圖3 抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

        圖4 壓縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)論

        (1)據(jù)圖2可知:①在9個(gè)試驗(yàn)組中,第2組樣品的黏聚力最大,為304.9 kPa,而第3組樣品的黏聚力最小,為168.6 kPa;②第9組樣品的內(nèi)摩擦角最大,為40.5 °,第4組樣品的內(nèi)摩擦角最小,為33.6 °;③第2組樣品配比為水泥2%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰3%、聚丙烯纖維0.3%,而第5組樣品配比為水泥3%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.2%,表現(xiàn)出更好的力學(xué)特性,黏聚力、內(nèi)摩擦角比較理想。

        (2)據(jù)圖3可知:①在9個(gè)試驗(yàn)組中,抗壓強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律相同,都和水玻璃∶氯化鈣的值有關(guān),氯化鈣的比例越大,粉土樣品的抗壓強(qiáng)度、彈性模量越好;②在水玻璃∶氯化鈣的值不變的情況下,水泥含量越高,粉土樣品的抗壓強(qiáng)度和彈性模量越高,可見水泥也是粉土改良的重要因素;③水玻璃、氯化鈣、水泥會(huì)產(chǎn)生凝膠反應(yīng),能有效地填充粉土的孔隙,從而增加粉土強(qiáng)度,使得改良后的低液限粉土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯提升。④綜上,第8組樣品的粉土抗壓強(qiáng)度、彈性模量最佳。

        (3)據(jù)圖4可知:①經(jīng)過復(fù)合摻加處理后,試驗(yàn)樣品的壓縮系數(shù)均明顯降低;②第5、7組樣品的壓縮系數(shù)最小,分別為0.054、0.055,其對(duì)應(yīng)的石灰摻加比例為4%,說明石灰對(duì)粉土的可壓縮性影響最大。

        4 低液限粉土復(fù)摻改性配合比優(yōu)化

        根據(jù)以上試驗(yàn)研究可知,所選材料對(duì)于低液限粉土的性能改良均有一定幫助,但起到的作用大小不同。為了確定最佳的配比,需要基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用極差法進(jìn)行進(jìn)一步分析。A代表水泥,B代表水玻璃-氯化鈣溶液,C代表石灰、D代表聚丙烯纖維,Ki代表各個(gè)影響因子在同等水平下的和,Ki代表各個(gè)影響因子在同等水平下的均值,Ri代表每個(gè)影響因子的極差,其值越大表示影響因子的作用越大,具體的極差分析結(jié)果如表3所示。

        根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知:(1)B可以有效提高粉土的抗剪切強(qiáng)度,作用最顯著,其次是C、A、D;(2)各種影響因子對(duì)粉土強(qiáng)度、彈性模量的改良作用從大到小依次為A、B、C、D;(3)各種影響因子對(duì)粉土壓縮系數(shù)的改良作用從大到小依次為C、A、B、D。

        配比為A3B2C3D2時(shí),粉土獲得最佳彈性模量和壓縮系數(shù);配比為A3B3C1D1時(shí),粉土獲得最佳的內(nèi)摩擦角;配比為A3B2C3D3時(shí),粉土的壓縮強(qiáng)度最佳。針對(duì)單個(gè)影響因子,A3出現(xiàn)了4次、B2出現(xiàn)了5次、C3出現(xiàn)3次、C3出現(xiàn)3次。由此可見,使低液限粉土性能改良效果最佳的配比為水泥4%、液體玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%。

        表3 極差分析結(jié)論數(shù)據(jù)

        表4 膨潤土摻入前后的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比

        基于以上分析可知,最佳膨潤土摻加比例為9%,比較配合比A3B2C3D2+9%膨潤土和其他配合比的粉土的物理和機(jī)械性能,具體結(jié)果如表4所示。

        根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可知,與不添加膨潤土的情況相比,摻加9%的膨潤土后,粉土各項(xiàng)性能得到顯著改善,而單獨(dú)添加膨潤土將導(dǎo)致干密度稍低,但彈性模量顯著增加。簡而言之,對(duì)于低液限粉土來說,獲得理想改良效果的最佳配合比為4%水泥、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、4%石灰、0.3%聚丙烯纖維、9%膨潤土。

        5 結(jié)論

        綜上所述,沒有經(jīng)過適當(dāng)摻加改良的低液限粉土性能無法滿足市政路基施工需要,如果直接作為路基土體容易出現(xiàn)彎沉問題,因此需要通過適當(dāng)?shù)膹?fù)摻優(yōu)化市政路基粉土性能,使其達(dá)到市政路基填筑材料的施工要求。膨潤土具有很強(qiáng)的黏結(jié)性、吸附性以及內(nèi)聚性,具有顯著提升低液限粉土密實(shí)度的效果,試驗(yàn)得出其最佳摻加比例為9%。通過正交試驗(yàn)和極差分析可知,低液限粉土的最佳配合比為水泥4%、水玻璃∶氯化鈣=3 ∶1、石灰4%、聚丙烯纖維0.3%,再復(fù)摻9%的膨潤土,已達(dá)到了較好的抗彎沉性能。

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