王立鵬, 王金昌
(浙江大學(xué)交通工程研究所,杭州 310030)
杭州地區(qū)軟土具有天然含水量高、壓縮性高、承載力低的特點(diǎn)[1],給工程施工造成了不利的影響,因此將浙江省地區(qū)的軟土進(jìn)行固化處理,可以在提升軟土地基路用性能的同時(shí),提高道路路基結(jié)構(gòu)的均勻性,緩解道路不均勻沉降的問(wèn)題。
現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰和脫硫石膏與水泥、基土經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)后,能夠生成膠體填充在土體縫隙中,進(jìn)而顯著提高固化土的物理力學(xué)性能[2-5],但工程實(shí)踐表明,此類水泥固化土存在早期強(qiáng)度不高的問(wèn)題,選擇適宜的外加劑改善固化土性能是解決這些問(wèn)題的重要途徑。
納米材料能夠在保證固化土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,提高固棄物的利用率。同時(shí)由于高嶺土的標(biāo)準(zhǔn)化以及成分的相似性,其可作為一種代替黏土的試驗(yàn)材料來(lái)進(jìn)行模擬[6],為此文中將以高嶺土為代表,研究濱海地區(qū)軟土固化劑配比和固化劑摻量對(duì)固化土路用性能指標(biāo)的影響規(guī)律,為固化土的應(yīng)用提供參考建議。
試驗(yàn)用土選用標(biāo)準(zhǔn)高嶺土進(jìn)行試驗(yàn),取土后按照規(guī)范要求進(jìn)行了液塑限試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等,測(cè)定其物理指標(biāo)如表1所示,土樣電鏡微觀樣貌如圖1所示。
圖1 高嶺土微觀形貌
表1 試驗(yàn)土物理性質(zhì)指標(biāo)
水泥選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,指標(biāo)符合GB 175-2007評(píng)定所測(cè)項(xiàng)目,具體指標(biāo)見(jiàn)下表2,其他工業(yè)廢渣外加劑粉煤灰選用F類II級(jí)灰,其化學(xué)成分主要是Al2O3和SiO2,微觀形態(tài)呈現(xiàn)均勻球形顆粒狀,石膏選用脫硫石膏,其主要成分為SO3和CaO,微觀形態(tài)為不均勻多面體形狀。
表2 水泥物理性質(zhì)指標(biāo)
研究所用納米碳酸鈣,材料多呈現(xiàn)聚集態(tài),整體表現(xiàn)為絮狀,顆粒尺寸在60nm左右。所購(gòu)納米碳酸鈣純度達(dá)到了98%以上,比表面積比普通輕質(zhì)碳酸鈣大8倍以上,同時(shí)表面經(jīng)過(guò)活化處理,活性度達(dá)到99%以上,為實(shí)驗(yàn)室級(jí)高純度、高活性納米材料。
根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[7]選取尺寸(直徑×高)50mm×50mm的試模進(jìn)行試驗(yàn),試件制備前一天將試驗(yàn)基土、粉煤灰、脫硫石膏進(jìn)行充分混合,放入塑料袋中悶料備用;在試件成型前1h內(nèi),在混合料中加入各摻量預(yù)定數(shù)量的水泥、納米碳酸鈣和水,使混合料達(dá)到最佳含水量,試模壓入過(guò)程采用靜力壓實(shí)法,試件在脫模機(jī)上進(jìn)行脫模后,立即放到塑料袋中進(jìn)行封閉,并用潮濕的毛巾覆蓋,移放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行試件養(yǎng)護(hù)。
為方便研究固化劑中不同外加劑對(duì)試件性能的影響效果,利用正交性選擇均勻分散、能代表因素水平作用的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)正交試驗(yàn)可以較為全面地獲取因素水平對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,同時(shí)合理減少試驗(yàn)次數(shù)[8]。
由于固化土中水泥的水化反應(yīng)對(duì)固化土強(qiáng)度提升起到主要作用,而粉煤灰和脫硫石膏主要起到促進(jìn)水化作用的進(jìn)行,納米碳酸鈣用量較小同時(shí)作為誘導(dǎo)早期水化進(jìn)程的成核位點(diǎn),故利用正交試驗(yàn)對(duì)固化劑配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),選擇水泥含量(X)、粉煤灰與脫硫石膏比例(Y)和納米碳酸鈣與水泥比例(Z)三個(gè)因素對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,每個(gè)因素分別設(shè)置三個(gè)水平,故采取L9(34)正交表,通過(guò)三個(gè)因素的不同比例水平正交獲取9個(gè)配合比,具體的固化劑配合比正交設(shè)計(jì)表如表3所示。表3中均表示質(zhì)量比,其中水泥含量為水泥與總固化劑之比。
表3 固化劑配合比正交試驗(yàn)表
根據(jù)規(guī)范設(shè)置無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),每個(gè)配合比設(shè)置6個(gè)平行試驗(yàn),以獲取固化土試件3d和7d的測(cè)試結(jié)果,其變異系數(shù)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi),計(jì)算平行試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表4,通過(guò)分析固化土7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果,見(jiàn)表5。
表4 固化劑配合比設(shè)計(jì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值 MPa
表5 固化劑配合比設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果
根據(jù)極差分析結(jié)果可知,水泥含量對(duì)固化土試件7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大,納米碳酸鈣與水泥的比例其次。當(dāng)水泥含量越高時(shí),試件內(nèi)的水化反應(yīng)更劇烈。將生成更多的凝聚物,增大土體間的黏結(jié)力,而納米碳酸鈣的超細(xì)微和高流動(dòng)性,填充了早期固化土土顆粒間的空隙,對(duì)固化土試件早期強(qiáng)度的提升有一定影響。
通過(guò)正交試驗(yàn)的分析結(jié)果,粉煤灰與脫硫石膏比例對(duì)強(qiáng)度影響結(jié)果較小,故可以取試驗(yàn)最優(yōu)值,固定比例系數(shù)為0.2。首先控制水泥摻量不變,納米碳酸鈣與水泥的比例由0.02變化為0.05,獲取固化土試件7d的測(cè)試結(jié)果,其變異系數(shù)均在規(guī)范要求的范圍內(nèi),具體強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖2。
圖2 控制變量試驗(yàn)7d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度值(納米碳酸鈣)
7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),范圍值在0.563~0.627之間,約在納米碳酸鈣含量位于1%~2%區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值。分析是因?yàn)榧{米碳酸鈣具備超細(xì)微和高流動(dòng)性的特點(diǎn),在材料內(nèi)部能夠起到空隙填充的作用,同時(shí)也能作為成核位點(diǎn)促進(jìn)早期水化反應(yīng),但隨著納米碳酸鈣含量的增加,空隙填充作用達(dá)到臨界值,同時(shí)納米碳酸鈣疏水性使得其對(duì)分散性產(chǎn)生了抑制作用[9],納米碳酸鈣的選用存在一個(gè)最優(yōu)值,最終確定納米碳酸鈣與水泥的比例為0.3。
隨后控制其他因素比例不變,將水泥摻量由0.5變化到1,考慮經(jīng)濟(jì)性和適用條件,選擇最優(yōu)配合比,具體強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)圖3。
圖3 控制變量試驗(yàn)7d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度值(水泥)
7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值值同樣隨著比例的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍值在0.52~0.57之間,約在納米碳酸鈣含量位于0.6區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大值,分析原因隨著水泥摻量的增加,固化土中因水化反應(yīng)而生成的水化產(chǎn)物增加,進(jìn)而引起固化土強(qiáng)度的增長(zhǎng),但隨著水泥摻量的增加,固化劑中粉煤灰、石膏等材料含量減小,對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)作用減弱,水化反應(yīng)進(jìn)行不充分,導(dǎo)致固化土的早期強(qiáng)度不高。結(jié)合正交試驗(yàn)和控制變量試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,最終確定固化劑最優(yōu)配合比,固化劑各組分質(zhì)量比為水泥:粉煤灰:脫硫石膏:納米碳酸鈣=300:32:159:9。
為研究摻量和水泥齡期對(duì)固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,設(shè)置摻量梯度為6%、10%、14%和18%,分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)生7d、14d和28d的試件取出后,在DTS-30多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓測(cè)試,根據(jù)規(guī)范要求,選擇測(cè)試速度為1mm/min,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系
隨著固化劑摻量的增加,固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。對(duì)于7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.23倍、1.46倍和1.68倍;對(duì)于14d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.27倍、1.45倍和1.73倍;對(duì)于28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,10%、14%和18%固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.36倍、1.53倍和1.87倍;由此可知,當(dāng)固化劑摻量增加時(shí),固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度也在加快。
隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,不同配比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也在增加。其中14d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為7d抗壓強(qiáng)度的1.04~1.08倍,28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為7d抗壓強(qiáng)度的1.07~1.20倍,根據(jù)結(jié)果可以看出來(lái),納米固化土抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)程度要遠(yuǎn)大于后期增長(zhǎng)的,7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的85%左右。固化土養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng),固化劑中以水泥為主的水化反應(yīng)越充分,從而表現(xiàn)出更大的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,通過(guò)分析強(qiáng)度結(jié)果可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度變慢。
為了獲得不同齡期和不同固化劑摻量下固化土的抗拉強(qiáng)度,根據(jù)規(guī)范要求,為了固定試件,試驗(yàn)按照規(guī)范要求選取間接拉伸試驗(yàn)夾具,其他試驗(yàn)方法與無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)相同。
根據(jù)間接抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果,固化土間接抗拉強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而增大,以28d間接抗拉強(qiáng)度為例,固化劑摻量由6%變化為18%時(shí),強(qiáng)度由0.07MPa增長(zhǎng)到0.128MPa,10%、14%和18%固化劑摻量下的間接抗拉強(qiáng)度分別為6%固化劑摻量的1.37倍、1.47倍和1.82倍;同時(shí)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,固化土的間接抗拉強(qiáng)度也在增加,其中14d間接抗拉強(qiáng)度約為7d抗拉強(qiáng)度的1.09~1.25倍,28d間接抗拉強(qiáng)度約為7d抗拉強(qiáng)度的1.27~1.43倍。分析原因,生成的水化產(chǎn)物不但使得固化土土壤顆粒間隙減小、密實(shí)度增加,而且水化產(chǎn)物本身的機(jī)械咬合作用也對(duì)固化土試件的間接拉伸強(qiáng)度起到重要影響。
通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同固化劑摻量和不同齡期的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度f(wàn)c及間接拉伸強(qiáng)度f(wàn)t可以得到兩者的數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。
表5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接抗拉強(qiáng)度對(duì)比
為了更便于研究固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系,文中給出了兩者的擬合曲線和對(duì)應(yīng)的曲線參數(shù),如圖5所示。
圖5 間接拉伸強(qiáng)度與固化劑摻量關(guān)系
圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系
根據(jù)曲線可知,固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本與間接拉伸強(qiáng)度保持正比例關(guān)系,故可以采用正比例函數(shù)進(jìn)行擬合,擬合公式如式1,其中t為線性擬合參數(shù)。
擬合得到各齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度參數(shù)如表6所示,其中R2表示相關(guān)系數(shù),其越接近1,說(shuō)明擬合效果越好。
從表6線性關(guān)系來(lái)看,不同齡期下的試件均滿足,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越大對(duì)應(yīng)的間接拉伸強(qiáng)度值越大的規(guī)律,當(dāng)固化土齡期由7d增大到28d,線性關(guān)系斜率值在0.136~0.148之間變化。這是由于固化劑中水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)為強(qiáng)度較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,水化產(chǎn)物對(duì)試件的壓縮、拉伸強(qiáng)度均有明顯提升,但由于固化土受壓時(shí)壓力主要由膠凝結(jié)構(gòu)和土顆粒共同承擔(dān),而受拉強(qiáng)度基本由膠凝結(jié)構(gòu)提供,因此抗拉強(qiáng)度仍遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,但與軟土相比已有較大提升。
表6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線參數(shù)
文中以水泥作為主固化劑,以納米碳酸鈣和其他固棄物作為外加劑,進(jìn)行了固化土的固化劑配合比設(shè)計(jì),獲取最優(yōu)配合比后,研究了不同固化劑摻量和不同齡期下固土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度值,并分析了兩者關(guān)系并進(jìn)行了擬合。
(1) 對(duì)納米固化劑進(jìn)行配方設(shè)計(jì),通過(guò)正交試驗(yàn)和單摻試驗(yàn)最終確定固化劑最優(yōu)配合比,固化劑各組分質(zhì)量比為水泥:粉煤灰:脫硫石膏:納米碳酸鈣=300:32:159:9。
(2) 隨著摻量和齡期的增加,固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度隨之增大,納米固化土強(qiáng)度前期增長(zhǎng)程度要遠(yuǎn)大于后期增長(zhǎng)程度,7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的85%左右。
(3) 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本與間接拉伸強(qiáng)度保持正比例關(guān)系,從線性關(guān)系來(lái)看,不同齡期下的試件均滿足,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越大對(duì)應(yīng)的間接拉伸強(qiáng)度值越大的規(guī)律,線性關(guān)系斜率值在0.136~0.148左右。