王偉，周航，李健，李娜

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

目前，我國(guó)長(zhǎng)三角和珠三角等沿海地區(qū)分布著大面積的軟土。軟土具有孔隙率高，承載力和滲透能力較低[1]等諸多不良的工程特性，嚴(yán)重制約了鐵路和公路等交通設(shè)施的發(fā)展。為了改善軟土的承載力，常常使用水泥、石灰等膠凝材料對(duì)軟土進(jìn)行改良[2]。呂國(guó)仁等[3]采用水泥土對(duì)沿海地區(qū)軟土進(jìn)行加固，發(fā)現(xiàn)水泥摻量為16%時(shí)，水泥土攪拌樁的強(qiáng)度超過了設(shè)計(jì)要求1.3 MPa。秦世偉等[4]對(duì)水泥改性淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥摻量小于12%時(shí)，隨著水泥摻量的增加，水養(yǎng)試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大于土養(yǎng)試樣。周麗萍等[5]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增加，當(dāng)摻量大于20%時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯減小，二者較好符合二次拋物線關(guān)系。而水泥在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的CO2占人為產(chǎn)生CO2總量的5%～7%[6-7]。因此，為了減少CO2的排放，亟需尋找一種合適的方法在保證強(qiáng)度的同時(shí)，減少水泥的使用。碳化加固技術(shù)是在水泥基材料中通入一定量的CO2，既可以吸收大量的CO2，又可以通過碳化反應(yīng)降低材料的孔隙率，提高其強(qiáng)度，減少水泥的使用。ZHAN等[8]對(duì)再生混凝土集料進(jìn)行碳化處理，發(fā)現(xiàn)集料的表面生成大量CaCO3沉淀，導(dǎo)致再生混凝土的ITZ孔隙率減小，強(qiáng)度增加。李秋義等[9]對(duì)再生混凝土的ITZ進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳化28 d后，老骨料-新漿體和老骨料-老漿體的顯微硬度增加、寬度減??；而老漿體-新漿體的顯微硬度不變、寬度減小。綜上所述，碳化加固的研究主要集中在混凝土方面，而在水泥土中的應(yīng)用較少。因此，本文對(duì)碳化水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。從水泥土的強(qiáng)度、延性和抵抗外部破壞等方面，探究在水泥摻量和碳化時(shí)間對(duì)水泥土的影響。

1 試驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料包括路基軟土、水和水泥。路基軟土取自浙江紹興地區(qū)，主要物理指標(biāo)如表1所示。水泥是紹興柯橋第三水泥有限公司生產(chǎn)的古越牌P.C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)如表2所示。

表1 路基土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of subgrade soil

表2 水泥物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of cement

1.2 試驗(yàn)方案

依據(jù)水泥摻量和碳化時(shí)間不同將試樣分為20組，每組試樣的含水率為80%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，材料的配合比和碳化時(shí)間如表3所示。為了減小隨機(jī)誤差和數(shù)據(jù)離散性，每組試樣進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。

表3 CS配合比和碳化時(shí)間設(shè)計(jì)Table 3 CS mix proportion and carbonation time design

1.3 試樣制作與養(yǎng)護(hù)

1)土樣準(zhǔn)備。將路基土在水中浸泡7 d，呈淤泥狀后，通過直徑為2 mm的篩，去除土中的大顆粒雜質(zhì)。

2)含水率測(cè)定。將篩分后的路基土靜置2～3周后，取出少量的土樣測(cè)量含水率。

3)試樣拌和。按試驗(yàn)方案中材料的配合比稱取適量的濕土、水和水泥，然后將其放入攪拌器中攪拌5 min。

4)試樣制作。將攪拌后的混合物分3次倒入直徑為39.1 mm，高度為80 mm的圓柱形模具中，每次倒入后振動(dòng)模具。制樣完成后靜置2 h，用刮土刀將表面刮平，然后用濾紙包裹后放入水中。

5)試樣養(yǎng)護(hù)。試樣的含水率較高，難以成型，因此需要浸水養(yǎng)護(hù)3 d后脫模。然后將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱或碳化養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。參考《JG/T 247—2009混凝土碳化試驗(yàn)箱》[10]，設(shè)置CO2濃度范圍為20±3%。養(yǎng)護(hù)方式和條件如圖1和表4所示，浸水養(yǎng)護(hù)如圖2所示。

圖1 養(yǎng)護(hù)方式Fig.1 Maintenance method

圖2 浸水養(yǎng)護(hù)Fig.2 Immersion curing

表4 養(yǎng)護(hù)條件Table 4 Maintenance conditions

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

無側(cè)限試驗(yàn)所采用的儀器是由南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)的TKA-WXY-1F型全自動(dòng)無側(cè)限壓力儀。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置儀器的加載速率為1 mm/min。根據(jù)《GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，軸向應(yīng)力出現(xiàn)峰值后，再進(jìn)行3%～5%應(yīng)變值即可停止試驗(yàn)。

2 無側(cè)限數(shù)據(jù)分析

2.1 曲線歸一化

在測(cè)試過程中，對(duì)表3中的每組試樣進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)以降低試驗(yàn)誤差。如何從5組測(cè)試結(jié)果中選取1組值來代表該試樣的試驗(yàn)結(jié)果就尤為關(guān)鍵。本文在龍宏波等[12]研究的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)后的歸一化方法對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行歸一化處理[13]。方法如下所示。

1)確定每個(gè)峰值應(yīng)力的偏差Δσi：

其中：σˉ為峰值應(yīng)力平均值。

2)確定峰值應(yīng)力的方差h：

3)確定每個(gè)峰值應(yīng)力的初始權(quán)重pi。為了保證pi在[0,1]之間，引入峰值應(yīng)力偏差最大值Δσimax計(jì)算每個(gè)峰值應(yīng)力的初始權(quán)重：

4)確定權(quán)重映射函數(shù)f(x)。上式中峰值應(yīng)力偏差越大，其權(quán)重也越大，因此需要通過映射函數(shù)對(duì)權(quán)重進(jìn)行賦值。映射函數(shù)如式(5)所示。函數(shù)單調(diào)遞減，可以滿足Δσi越大，轉(zhuǎn)換后的權(quán)重越小。

5)確定每個(gè)峰值應(yīng)力的轉(zhuǎn)換后的權(quán)重mi：

6)確定每個(gè)峰值應(yīng)力的加權(quán)因子ni：

7)確定峰值應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)值σ：

以CS-10-1 d的5條曲線為例，通過以上方法對(duì)其進(jìn)行加權(quán)。得到5條曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)曲線與原有的5條曲線吻合較好。

圖3 CS-10-1 d標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 CS-10-1 d standard curves

2.2 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

CS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 CS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Standard curves of CS

3 抗壓強(qiáng)度分析

3.1 水泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

取標(biāo)準(zhǔn)曲線的峰值應(yīng)力為試樣的抗壓強(qiáng)度，不同水泥摻量的CS抗壓強(qiáng)度如圖5所示。從圖中可以看出，在相同的碳化時(shí)間下，CS的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增加。

圖5 不同水泥摻量的CS抗壓強(qiáng)度Fig.5 Strength of CS with different cement contents

摻入過量的水泥會(huì)造成成本增加和資源浪費(fèi)。因此在保證CS具有較高的抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，盡量減少水泥的使用。其他水泥摻量的CS抗壓強(qiáng)度與10%水泥摻量CS相比，增長(zhǎng)率如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)碳化時(shí)間分別為0，1和4 d，CS強(qiáng)度增長(zhǎng)率曲線的斜率隨著水泥摻量的增加而逐漸減小，即抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率的提升幅度逐漸減小。當(dāng)水泥摻量從20%增加到25%時(shí)，減小的趨勢(shì)尤為明顯。因此20%是水泥的最佳摻量。

圖6 CS抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Fig.6 Compressive strength growth rate of CS

3.2 碳化時(shí)間對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

不同碳化時(shí)間的CS抗壓強(qiáng)度如圖7所示。

由圖7可知，在相同水泥摻量下，CS的抗壓強(qiáng)度隨著碳化時(shí)間的增加先增加后減小。水泥摻量為10%，15%，20%和25%時(shí)，CS-10-2 d，CS-15-2 d，CS-20-1 d和CS-25-6 h的抗壓強(qiáng)度最大，分別為347.3，507.3，544.9和629.9 kPa，較CS-10-0，CS-15-0，CS-20-0和CS-25-0分 別 提 高 了171.2%，97.0%，52.5%和51.1%。以上數(shù)據(jù)表明，最佳碳化時(shí)間下，CS的抗壓強(qiáng)度提高幅度隨著水泥摻量的增加而減小。

圖7 不同碳化時(shí)間的CS抗壓強(qiáng)度Fig.7 Compressive strength of CS with different carbonization time

碳化時(shí)間對(duì)CS抗壓強(qiáng)度作用機(jī)理是碳化時(shí)間小于2 d時(shí)，隨著碳化時(shí)間的增加，碳化生成碳酸鹽沉淀逐漸填充CS內(nèi)部的孔隙，并連接土顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)，使得CS內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，抗壓強(qiáng)度逐漸提高；碳化時(shí)間大于2 d時(shí)，隨著碳化時(shí)間的增加，碳化作用生成的碳酸鹽沉淀過多，體積逐漸超過CS孔隙的體積，并擠壓周圍土體，導(dǎo)致CS內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠結(jié)被破壞，抗壓強(qiáng)度減小[14-15]。

4 延性分析

取標(biāo)準(zhǔn)曲線的峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)樵嚇臃逯祽?yīng)變。峰值應(yīng)變能夠較好地反映試樣的延性特征，試樣的峰值應(yīng)變?cè)酱?，其延性也越大。不同碳化時(shí)間的CS峰值應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

由圖8可知，當(dāng)水泥摻量為10%和15%時(shí)，CS的峰值應(yīng)變隨著碳化時(shí)間的增加先增加后減小。CS-10-2 d和CS-15-2 d的峰值應(yīng)變達(dá)到最大，分別為6.9%和5.6%。當(dāng)水泥摻量為20%和25%時(shí)，CS的峰值應(yīng)變隨著碳化時(shí)間的增加而增加，但碳化時(shí)間從2 d增加到4 d時(shí)，CS峰值應(yīng)變之間的差值分別只有0.1%和0.2%，可以忽略。因此CS-20-2 d和CS-25-2 d峰值應(yīng)變提高最顯著，分別為6.1%和6.0%。以上數(shù)據(jù)表明，在不同水泥摻量下，碳化2 d能夠較好地提高CS的延性。

圖8 不同碳化時(shí)間的CS峰值應(yīng)變Fig.8 Peak strain of CS with different carbonization times

碳化時(shí)間對(duì)CS峰值應(yīng)變的作用機(jī)理與對(duì)抗壓強(qiáng)度的作用機(jī)理類似。當(dāng)碳化時(shí)間較小時(shí)，碳化反應(yīng)后的碳酸鹽沉積在土體孔隙中，增加了與土體之間的膠結(jié)程度，與周圍土顆粒形成骨架結(jié)構(gòu)，使得峰值應(yīng)變?cè)黾樱惶蓟瘯r(shí)間較大時(shí)，碳酸鹽擠壓土體形成裂縫，但碳酸鹽仍具有一定的膠結(jié)能力，在兩者的共同作用下，使得峰值應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定[16-17]。

而碳化時(shí)間分別為0 h和6 h，1，2和4 d時(shí)，不同水泥摻量的CS峰值應(yīng)變的最大值與最小值之差分別只有0.9%，0.5%，1.0%，1.3%和1.1%，遠(yuǎn)沒有碳化時(shí)間對(duì)CS峰值應(yīng)變的影響顯著。

5 能量耗散分析

5.1 曲線簡(jiǎn)化

與其他水泥改性軟土材料類似，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)如圖9所示[13]。

由圖9可知，CS的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以分為4個(gè)階段，彈性階段(OA段)、強(qiáng)化階段(AB段)、跌落階段(BC段)和破壞階段(CD段)。

圖9 應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)Fig.9 Variation trend of stress-strain curve

5.2 能量耗散分析

在加載過程中，能量耗散實(shí)際是內(nèi)部裂紋形成的過程。CS在彈性階段，內(nèi)部幾乎沒有裂紋產(chǎn)生，所以能量的儲(chǔ)存和釋放是可逆。在強(qiáng)化階段，CS內(nèi)部出現(xiàn)損傷和破裂，導(dǎo)致能量出現(xiàn)耗散。

根據(jù)WANG等[13]的研究結(jié)果，圖9中ABCFE圍成的面積為試樣總耗能密度S；ABC圍成的面積為試樣的強(qiáng)化耗能密度S1；ACFE圍成的面積為試樣基本耗能密度S2。如式(9)所示，單位：kJ/m3。

σ1為標(biāo)準(zhǔn)曲線g(ε)上A點(diǎn)的應(yīng)力，ε1和ε2分別為g(ε)上A點(diǎn)和C點(diǎn)的應(yīng)變。取S1與S的比值為能量耗散率K來衡量水泥土能量耗散的程度，公式如式(10)所示：

不同碳化時(shí)間CS的能量耗散率如圖10所示。

圖10 不同碳化時(shí)間的CS能量耗散率Fig.10 Energy dissipation rate of CS with different carbonization time

由圖10可知，CS的能量耗散率隨著碳化時(shí)間的增加先增加后減小。當(dāng)水泥摻量分別為10%，15%，20%和25%時(shí)，CS-10-2 d，CS-15-1 d，CS-20-1 d和CS-25-1 d的能量耗散率達(dá)到最大，分別為0.23，0.18，0.17和0.17。與CS-10-0，CS-15-0，CS-20-0和CS-25-0之間的差值分別為0.13，0.08，0.12，0.14。

綜上所述，當(dāng)水泥摻量分別為10%，15%，20%和25%時(shí)，CS的最佳碳化時(shí)間為2，1，1和1 d，此時(shí)CS抵抗外部破壞的能力最強(qiáng)。在不同碳化時(shí)間下，CS的能量耗散率大致隨著水泥摻量的增加而逐漸降低。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

1)提出一種應(yīng)力應(yīng)變曲線歸一化的方法，歸一化后的曲線與通過試驗(yàn)所得到的5條應(yīng)力應(yīng)變曲線具有較好的相關(guān)性。

2)在不同碳化時(shí)間下，摻入20%水泥的CS抗壓強(qiáng)度提高最明顯；當(dāng)水泥摻量相同時(shí)，隨著碳化時(shí)間的增加，CS抗壓強(qiáng)度先增大后減小，水泥摻量為10%，15%，20%和25%時(shí)，CS的最佳碳化時(shí)間分別為2，2，1 d和6 h，此時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

3)當(dāng)水泥摻量為10%和15%，CS的峰值應(yīng)變隨著碳化時(shí)間的增加先增加后減小，而摻入20%和25%水泥，峰值應(yīng)變隨著碳化時(shí)間的增加先增加后趨于不變。因此碳化2 d后，CS峰值應(yīng)變?cè)黾幼铒@著，能夠較好地提高CS的延性；水泥摻量對(duì)CS峰值應(yīng)變的影響遠(yuǎn)沒有碳化時(shí)間對(duì)CS峰值應(yīng)變的影響顯著。

4)當(dāng)水泥摻量為10%，15%，20%和25%時(shí)，CS的能量耗散率隨著碳化時(shí)間的增加先增加后減小。碳化分別為2，1，1和1 d時(shí)，CS能量耗散率最大，抵抗外部破壞的能力最強(qiáng)。

6.2 討論

1)本文在試驗(yàn)過程中參考了《JG/T 247—2009混凝土碳化試驗(yàn)箱》，僅探究了20%CO2濃度對(duì)CS的影響。不同CO2濃度對(duì)CS力學(xué)性能的影響有待進(jìn)一步研究。

2)本文在養(yǎng)護(hù)過程中，CS都是在養(yǎng)護(hù)齡期的后期進(jìn)行碳化。因此，養(yǎng)護(hù)齡期的前期和中期進(jìn)行碳化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響需要進(jìn)一步的試驗(yàn)探究。