田 旭 李 娜,2 姜 屏 方 睿 嚴浩然

（1.紹興文理學院 土木工程學院, 浙江 紹興 312000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,武漢 430071；3.同創(chuàng)工程設計有限公司, 浙江 紹興 312000）

中國東南濱海地區(qū)存在著大量的軟土,這類軟土含水量極高,強度低,工程性質差.在實際工程中,軟土必須經人工處理后才可以作為建筑結構的地基.在眾多處理軟土地基的方法中,水泥固化方法是最簡便的方法之一,將水泥直接加入到軟土中現場拌和,凝結后形成的水泥土強度明顯提高,抗?jié)B效果良好,因而被廣泛應用于大面積濱海軟土的處理中[1-3].

由于環(huán)境的影響和荷載的作用,水泥土可能產生和擴展微裂縫,從而導致強度的下降.因此,越來越多的研究針對改性水泥土[4-6],通過加入外摻材料對水泥土予以改善,以滿足工程要求.目前,研究中常見的改性水泥土主要包括:纖維改性水泥土,粉煤灰改性水泥土,再生砂改性水泥土,納米材料改性水泥土等.其中,纖維材料可以顯著增加水泥土的韌性,使得水泥土整體性更好,粉煤灰等材料可以增加水泥土的強度.蔣志琳等[7]研究了不同玻璃纖維摻量下加筋紅黏土的力學特性.Wang等[8]將不同摻量的納米氧化鎂拌入水泥土中,解釋了飽和狀態(tài)下納米材料改性水泥土應力與應變曲線上升段的數學特征；董玉萍等[9]將高鈣粉煤灰及激發(fā)劑摻入到水泥土中,發(fā)現水泥土材料的早期強度有明顯的提升.Consoli[10]等對纖維加筋砂土進行了研究,得出纖維在土體中的加固效果隨外摻材料摻量的變化而不同,土體的剛度和脆性均有所提升.

單一的外摻材料一般只能使水泥土的某一性質提升,并不能完全滿足工程實踐的要求.若將一些外摻材料同時混合加入到水泥土中,理論上可以顯著提升水泥土的多項性質,以滿足工程要求.本文以濱海水泥土為研究對象,將纖維作為第一外摻材料,粉煤灰、再生砂、納米黏土為第二外摻材料,對組合外摻材料改性的濱海水泥土的抗壓性能和韌性進行探究,力求對復合水泥改性土的工程實踐起到借鑒作用.

1 實驗

1.1 材料

濱海軟土取自浙江紹興東北部江濱區(qū)域,取土地點北鄰錢塘江,場地東北側為杭州灣,其物理力學指標和化學成分見表1和表2.外摻材料包括:聚丙烯纖維,粉煤灰,納米黏土和再生砂,主要技術指標分別見表3～6.外摻材料如圖1所示.

圖1 外摻材料

表1 濱海軟土的物理力學指標

表2 濱海軟土化學成分

表3 聚丙烯纖維主要技術指標

表4 粉煤灰主要技術指標

表5 納米黏土主要技術指標

表6 再生砂主要技術指標

1.2 試驗設計

結合課題組前期研究,試驗設計見表7.

表7 固結壓縮試驗設計

纖維材料對水泥土的整體性、韌性有較大改善,這是其他外摻材料無法達到的效果.因此,纖維材料是獲得高強度、高韌性水泥土的必要條件之一.在摻入纖維材料后再摻入其他材料形成的復合外摻材料改性水泥土壓縮特性是本文研究的核心問題,試驗以固結壓縮試驗為主.本次固結壓縮試驗采用全自動氣壓固結儀,固結試驗按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430-2020)的規(guī)定進行,在進行固結壓縮試驗時的加載荷壓分別為12.5,25,50,100,200,400,800 kPa,每級荷載加壓持續(xù)1 h.

1.3 試樣制備方法

在取土場地挖取足夠的土樣帶回實驗室,將土樣放入清水中浸泡48 h,取出后過篩孔直徑為2 mm 的篩,去除土樣中的大顆粒雜質.按設計的各組試驗配合比,將濱海軟土、水泥、其他材料、水依次倒入攪拌機中,攪拌5 min后再加入纖維,攪拌均勻后倒入各環(huán)刀中,借助小型振動臺將土樣振動密實,以保證試樣質量.制樣完成后將試樣表面抹平,放入恒溫恒濕箱內養(yǎng)護至試驗設計齡期進行相關試驗.

2 結果與討論

2.1 試樣（相對）密度

對每種各5個試樣的密度各測試1次,取其平均值.各組試樣的密度見表8.

表8 試樣密度和相對密度

2.2 壓縮變形結果分析

本文在進行固結壓縮試驗時的加載荷壓分別為12.5,25,50,100,200,400,800 k Pa,每級荷載加壓持續(xù)1 h.以7 d齡期下CP 為例,壓縮變形量隨時間變化曲線如圖2所示.在每級荷載加壓持續(xù)時間內,壓縮變形量在最后20 min內保持不變,試樣變形穩(wěn)定.

圖2 7 d齡期下CP壓縮變形量隨時間變化曲線

僅加入纖維的改性水泥土作為對照組,其各齡期條件下壓縮變形曲線如圖3(a)所示.在800 k Pa的豎向壓力下,CP的壓縮變形量從齡期為7 d時的4.34 mm 減小到齡期為14 d時的4.06 mm,下降比例為6.45%,從14 d到28 d壓縮變形量下降至3.28 mm,下降比例為19.2%.僅加入纖維條件下,隨著齡期的增加,CP的抗壓縮能力也顯著增長.

圖3 復合改性水泥土試樣壓縮變形量曲線

纖維和再生砂改性水泥土的壓縮變形曲線如圖3(b)所示.在800 kPa的豎向壓力下,CPS的壓縮變形量從齡期為7 d時的4.99 mm 增長到齡期為14 d時的5.19 mm,增長比例為4.0%.從14 d到28 d,壓縮變形量增長至5.41 mm,增長比例為4.3%.CPS的壓縮變形發(fā)展規(guī)律幾乎不隨齡期的增長而改變,纖維和再生砂改性水泥土的早期強度基本上決定了該水泥土的實際強度.

纖維和納米黏土改性水泥土壓縮變形曲線如圖3(c)所示.在800 k Pa的豎向壓力下,CPN 的壓縮變形量從齡期為7 d時的4.57 mm 減小到齡期為14 d時的3.22 mm,下降比例為29.5%,從14 d到28 d壓縮變形量減小到3.02 mm,下降比例為6.2%.說明CPN 的壓縮變形發(fā)展規(guī)律隨齡期的增長而逐漸減小,且在齡期為14 d時,壓縮變形量降低的幅度較大,說明該水泥土早期強度一般,但隨著齡期的增長強度值快速增加,抵抗變形能力顯著增強.齡期28 d后,試樣在800 kPa荷載作用下產生的壓縮變形量遠小于同條件下纖維再生砂改性水泥土的壓縮變形量,說明纖維和納米黏土復合改性后的水泥土具有更好的抗壓性能.

纖維和粉煤灰改性水泥土的壓縮變形曲線如圖3(d)所示.纖維和粉煤灰改性水泥土壓縮變形曲線形態(tài)相比纖維和納米黏土改性水泥土所得曲線更為平緩,改性后的水泥土強度隨齡期的變化規(guī)律也與纖維和納米黏土改性水泥土相似.在800 kPa的豎向壓力下,CPF的壓縮變形量從齡期為7 d時的3.83 mm 減小到齡期為14 d時的2.65 mm,下降比例為30.8%,從14 d到28 d壓縮變形量減小到2.43 mm,下降比例為8.3%.不同點在于,纖維和粉煤灰改性水泥土在各齡期階段呈現的抗壓縮能力均強于纖維和納米改性水泥土,粉煤灰的摻入更有效地填充水泥土內部間隙從而提高了土體強度.

在800 kPa的豎向壓力下,不同外摻材料改性水泥土在不同齡期下的壓縮變形量如圖4所示.CPS的壓縮變形量在各齡期均是最大,抗壓縮性能最差.CP、CPN 以及CPF的壓縮變形量隨著齡期的增長而明顯下降,抗壓縮性能提升顯著.與CP相比,CPN 及CPF的壓縮變形量在短齡期7 d下變化不明顯；在14 d齡期下,CPN 及CPF 的壓縮變形量分別下降了20.7%和33.3%；在28 d齡期下,CPN 及CPF 的壓縮變形量分別下降7.9%和25.9%.因此,CPF 的抗壓縮能力最顯著,粉煤灰和纖維組合改善效果最好.

圖4 復合改性水泥土試樣最終壓縮變形量

2.3 孔隙比變化分析

各試樣的初始孔隙比按式(1)計算:

式中:e0為初始孔隙比；h0為試樣的初始高度；Δh為試樣某級荷載下高度變化量.

僅摻入纖維的改性水泥土的e-P曲線如圖5(a)所示.CP在荷載超過400 k Pa后,孔隙比減小程度逐漸降低.在800 kPa的豎向壓力下,CP的最終孔隙比在齡期為7 d、14 d及28 d時分別為1.632、1.600及1.612,變化幅度較小.

將各齡期條件下纖維和再生砂改性水泥土試樣壓縮過程中孔隙比變化曲線繪于圖5(b)中.CPS的e-P曲線特點是隨著荷載的增加,孔隙比由近似線性減少變?yōu)橹饾u緩慢地減少,各齡期條件下e-P曲線結果近似.綜合其壓縮曲線結果,CPS在800 k Pa的豎向壓力下,各齡期孔隙比從1.520左右降低至1.500左右,變化幅度較小.因為CPS在所受荷載超過400 k Pa后,壓縮變形量的變化幅度較之前有所降低.根本原因是再生砂相對于其他外摻材料具有較大的顆粒粒徑,顆粒間的孔隙較大,但隨著壓縮的進行,顆粒間孔隙逐漸變?yōu)轭w粒咬合后剩余孔隙,使得孔隙比在加壓后期變化幅度較小.

纖維和納米黏土改性水泥土試樣e-P曲線如圖5(c)所示.CPN 的e-P曲線隨著齡期的增長依次呈現凹拋物線分布、近似線性分布及凸拋物線分布,但試驗所得最終孔隙比隨齡期的增長逐漸增加,其中齡期自7 d至14 d中增長幅度明顯高于齡期14 d至28 d.在800 k Pa的豎向壓力下,CPN 的孔隙比從齡期為7 d時的1.497增長到齡期為14 d的1.529,增長比例為2.1%,從14 d到28 d孔隙比增長到1.535,增長比例為0.4%.養(yǎng)護7 d、14 d、28 d的CPN 在固結壓縮后其孔隙比減小值分別為0.264、0.232、0.229,孔隙比變化量隨著齡期增長而減小.

圖5 復合改性水泥土試樣e-P 曲線

纖維和粉煤灰改性水泥土的e-P曲線如圖5(d)所示.CPF 的e-P曲線隨齡期的增長均呈現近似線性的分布規(guī)律,試驗所得最終孔隙比隨齡期的增長逐漸增大.其中齡期自7 d至14 d中增長幅度明顯高于齡期14 d至28 d,該增長規(guī)律與CPN 一致.在800 k Pa的豎向壓力下,CPF的孔隙比從齡期為7 d時的1.548增長到齡期為14 d 時的1.585,增長比例為2.4%,從14 d到28 d孔隙比增加到1.602,增加比例為1.1%.養(yǎng)護7、14、28 d的CPF在固結壓縮后其孔隙比減小值分別為0.229、0.195、0.178,孔隙比變化量隨著齡期增長而減小.

2.4 微觀機理分析

通過電鏡儀掃描,7 d齡期下CP、CPN 和CPF放大2000倍的SEM 圖如圖6所示.可以看出CP的微觀結構中小顆粒單元體居多,土體內部存在較多的孔隙.土顆粒之間的膠結程度較差,整體骨架非常松散,密實程度很差；CPN 的微觀圖像中大小顆粒單元體分布均勻,納米黏土的摻入使得土顆粒之間有較多針狀的水化產物出現,有利于提高顆粒單元體之間的膠結力；CPF 的微觀結構與CPN 相比更為致密,CPF中的小顆粒單元體減少,主要以大顆粒團狀分布,并且小顆粒單元體以聯結方式依附在大顆粒單元體上,這正體現出粉煤灰的摻入提高了土體的抗壓縮性.

圖6 7 d齡期下復合改性水泥土的SEM 圖

圖7所示為28 d齡期下CP、CPN 和CPF 放大2 000倍的SEM 圖.隨著齡期的增長,水化反應更加完全,CP、CPN 和CPF的微觀結構均變得更加致密.28 d的CP有較多的大顆粒狀單元體出現,土體的內部孔隙率明顯降低；CPN 土顆粒之間的膠凝物質增多,土顆粒被緊緊膠結在一起.此外納米黏土的比表面積很大,可以吸附Ca2+,加快C3S、C2S、C3A 的水化速度,從而提高強度；粉煤灰能夠促進水泥在土中的水化速度且填充孔隙.28 d時,CPF 的大部分孔隙已經被膠凝物質充填,土顆粒被緊緊膠結在一起,形成極強的結構連接,整體結構非常致密.

圖7 28 d齡期下復合改性水泥土的SEM 圖

3 結 論

1)纖維和再生砂改性水泥土不能在纖維改性水泥土的基礎上進一步提升水泥土的壓縮性能,反而降低了纖維水泥土的抗壓縮能力,因此,在工程實際中,再生砂或粒徑較大砂類材料不宜同時摻入水泥土中進行改性.

2)CP、CPN 以及CPF的抗壓縮性均隨著齡期的增長而明顯增強.在加入纖維的基礎上,繼續(xù)加入納米黏土或粉煤灰均可以進一步增強改性水泥土的抗壓縮性.在7、14、28 d 3種齡期下均是CPF的抗壓縮性最強,改善效果最好.同時,纖維和粉煤灰改性水泥土的壓縮特性以及孔隙比變化規(guī)律均呈近似線性分布,更容易計算和控制沉降.

3)從SEM 圖可知,在纖維水泥土中摻入納米黏土或粉煤灰后,表面附著了大量的乳白色膠凝物質從而提高了聚丙烯纖維與水泥土顆粒間的膠結力,使得整體結構更加致密.宏觀表現為水泥土的抗壓縮性得到明顯提升.