含鹽量對水泥灰土強度特性的影響
基金項目:甘肅省自然科學(xué)基金項目(3ZS042B25031) 作者簡介:米海珍(1956),男,甘肅慶陽人,教授,工學(xué)博士,Email:mihaizhen@126.com。 摘要:通過對水泥灰土不同含鹽量試樣進行一系列三軸不固結(jié)不排水剪切試驗,探討了含鹽量對水泥灰土剪切強度參數(shù)的影響,并從微觀結(jié)構(gòu)性上做出了合理的解釋。試驗結(jié)果表明:水泥灰土強度隨含鹽量的增加而增大,但當(dāng)含鹽量達到一定程度時,其強度又隨含鹽量的增大而降低,且含鹽量存在一個分界值;此外,水泥灰土的脆斷性受圍壓和含鹽量等因素的影響,圍壓越小,含鹽量越高,脆性就表現(xiàn)得越明顯。 關(guān)鍵詞:水泥灰土;剪切強度;含鹽量;三軸試驗;應(yīng)力應(yīng)變曲線 中圖分類號:TU411 文獻標志碼:A 0 引 言 石灰是一種資源極為豐富的廉價建筑材料,用其改善和增強土的性能,早已被人們所熟知。目前,灰土除大量用于處理濕陷性黃土地基以外,還被廣泛用來處理其他非飽和土和雜填土地基,是用于改良軟土地區(qū)地基最常用的一種材料。然而灰土在鹽漬土地區(qū)的應(yīng)用研究很欠缺,尤其是在西北硫酸鹽鹽漬土地區(qū);彝恋男再|(zhì)受含水率、圍壓、齡期、干密度、浸水等因素的影響。韓曉雷等[1]和劉有科[2]對灰土的影響因素和本構(gòu)模型做了研究,也對灰土的最佳含水率和最大干密度進行了大量研究[34],文獻[5],[6]中主要從浸水和圍壓2個方面進行試驗研究,其他對灰土的研究大多是對具體工程中得到的灰土擠密樁、灰土墊層等參數(shù)進行的相關(guān)研究。然而關(guān)于硫酸鹽含鹽量對灰土強度有何影響的研究較少,甚至可以說是很欠缺。灰土在硫酸鹽鹽漬土地區(qū)應(yīng)用廣泛,隨著時間的推移,難免會有鹽分侵入灰土中,這樣會對灰土的強度造成影響,出現(xiàn)腐蝕、鹽脹、溶陷等不良工程特性,這與以氯鹽為主的濱海鹽漬土有很大的區(qū)別。因此,研究硫酸鹽含鹽量對灰土強度指標的`影響,對鹽漬土地基工程的設(shè)計施工及安全運行評估均有著十分重要的意義。 1 試驗制備及試驗方法 1.1 試驗材料 試驗所用土樣為水泥灰土(黃土、石灰、水泥的體積比為7∶2∶1),其中,黃土采用的是蘭州蘭工坪的擾動黃土,各物理性能指標如表1所示。水泥標號為42.5,石灰為消解石灰,w(CaO)=74.6%,w(MgO)=7.9%,w(·)為各化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)。 1.2 試驗方法 。1)試樣制備:試樣制備根據(jù)最新《土工試驗規(guī)范》,在烘箱恒溫105 ℃下將土料烘干,碾碎后過粒徑為5 mm孔徑的篩,將其按水泥、石灰、黃土的體積比為1∶2∶7拌合均勻,然后經(jīng)噴水制備不同含水量的試樣,通過擊實試驗確定水泥灰土的擊實最大干密度及相應(yīng)的含水率。試驗得到水泥灰土最大干密度γdmax=1.5 g·cm-3,最優(yōu)含水量ωop=24%。最后在最優(yōu)含水量下制備試驗試樣,試樣為圓柱體,底面直徑為61.8 mm,高度為125 mm。 。2)試驗?zāi)康模簩彝列再|(zhì)的影響因素較多,本試驗只考慮了圍壓、含鹽量2個主要因素,以探求在不同含鹽量及不同圍壓下水泥灰土力學(xué)性能的變化規(guī)律,進而為灰土處理硫酸鹽土地區(qū)地基提供試驗參數(shù)。 。3)試驗條件:將制備好的試樣在塑料袋內(nèi)密封養(yǎng)護,養(yǎng)護分為2個齡期,分別為7,14 d,試驗試樣共80件,每個齡期各為40件(每組都有1個平行試驗)。含鹽量S(質(zhì)量分數(shù),下文同)為0%,2%,4%,7%,12%五種情況,圍壓為0,100,200,300 kPa四種情況。將分別達到7,14 d齡期的試樣放在不同含鹽量的鹽水中進行浸泡,浸泡時間為16 d,使試樣達到飽和狀態(tài),然后對其做三軸應(yīng)變控制式試驗。2 試驗結(jié)果分析 2.1 圍壓對水泥灰土強度的影響 結(jié)不排水剪切試驗所得到的圍壓分別為0,100,200,300 kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系,其中,σ1為豎直方向的應(yīng)力,σ3為圍壓,ε為軸向應(yīng)變。不難發(fā)現(xiàn),同一含鹽量下的水泥灰土試樣在剪切破壞時的主應(yīng)力差(σ1-σ3)f均隨圍壓σ3的增加而增加。試驗結(jié)果表明,水泥灰土具有很強的脆斷性,剪切破壞主要是脆性破壞。試樣破壞時破裂面明顯,破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為45°+φ/2,φ為內(nèi)摩擦角,如圖2所示。隨著圍壓的增大,水泥灰土的脆斷性減弱,此外,經(jīng)各種含鹽量溶液浸泡后的水泥灰土的軟化程度與圍壓有很大的關(guān)系,該性質(zhì)與文獻[6]中研究的結(jié)果相吻合。 2.2 含鹽量對水泥灰土強度的影響 式中:A,B1,B2,B3均為系數(shù)。 經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)擬合效果較好,相關(guān)系數(shù)絕對值在0.99左右。計算得到:A=924.02,B1=96.37,B2=4.274,B3=-0.997,判定系數(shù)R2=0.980。對式(1)進行數(shù)學(xué)求解可以得到:當(dāng)S=4.8%時其峰值強度達到最大值。由此可知,在一定的含鹽量范圍內(nèi),當(dāng)周圍土體含鹽量小于4.8%時,SO2-4含量的增大有利于提高水泥灰土的強度,但當(dāng)SO2-4含量超過4.8%時,隨著SO2-4含量的增加,水泥灰土的強度又會降低。 2.3 含鹽量對水泥灰土強度參數(shù)的影響 圖5為三軸下c,φ成果圖(養(yǎng)護齡期14 d),由此可以得到不同含鹽量下水泥灰土的強度指標。圖5中,τ為剪切強度,σ為應(yīng)力,c為粘聚力。不同含鹽量下水泥灰土的強度指標統(tǒng)計值見表2。 圖6為粘聚力c隨不同含鹽量的變化曲線,圖7為內(nèi)摩擦角φ隨不同含鹽量的變化曲線。 試驗發(fā)現(xiàn),水泥灰土的c,φ值均隨著含鹽量的增加先增大后減小。根據(jù)文獻[7]中的研究可知,水泥灰土中的Ca2+與SO2-4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏(CaSO4·2H2O),石膏又與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣,使一部分自由水轉(zhuǎn)化成結(jié)晶水而減少水的含量,同時體積增大,使水泥灰土體積膨脹,產(chǎn)生膨脹力。其主要化學(xué)反應(yīng)方程式為 隨著SO2-4的不斷侵入,水泥灰土中的離子濃度逐漸增大,因此離子的交換作用就變強,以上反應(yīng)生成物的體積比原來增大1.5倍,導(dǎo)致土體壓密,從而使水泥灰土顆粒間的聯(lián)結(jié)變得豐富且咬合緊密,故φ值增大;同時反應(yīng)生成的復(fù)雜鋁酸鈣水化物等使土顆粒間的聯(lián)結(jié)增強、增多。另外,水化硫酸鈣晶體的膠結(jié)作用也有利于粘聚力的增大,故c值也在不斷增大。但若硫酸鹽含量過大,膨脹會超過水泥水化物膠結(jié)作用產(chǎn)生的粘結(jié)強度,使已成形的水泥灰土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,粘結(jié)強度顯著減小,即表現(xiàn)為c值的減;同時增大了水泥灰土的孔隙,減小了水泥灰土之間的摩擦力,即表現(xiàn)為φ值的減小,也就體現(xiàn)了水泥灰土強度的降低。3 結(jié) 語 。1)含鹽量是水泥灰土的抗剪強度指標的主要影響因素之一,尤其是對粘聚力的影響較大,粘聚力隨著含鹽量的增加先增大后減小;對內(nèi)摩擦角也有類似的影響規(guī)律,只是沒有粘聚力那么明顯。 。2)通過試驗可以得出,含鹽量及圍壓對水泥灰土是否具有脆性的影響很大。 。3)通過本試驗所得出的含鹽量對水泥灰土強度的影響界限可為工程設(shè)計、工程安全監(jiān)測,尤其是早期預(yù)測研究有重要參考意義。 。4)以上研究結(jié)果反映了水泥灰土強度變化的一個側(cè)面,有關(guān)水泥灰土強度參數(shù)變化的其他影響因素還有待進行深入的研究。 參考文獻: [1] 韓曉雷,郅 彬,郭志勇.灰土強度影響因素研究[J].巖土工程學(xué)報,2002,24(5):667669. [2]劉有科.灰土強度影響因素及其本構(gòu)關(guān)系的研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2004. [3]王希玲.灰土擊實試驗及其應(yīng)用[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,19(3):1821. [4]董玉文,張伯平,唐 林.黃土灰土的擊實性與抗剪性試驗研究[J].西北水資源與水工程,2001,12(1):6264. [5]米海珍,王 昊,高 春,等.灰土的浸水強度及殘余強度的試驗研究[J].巖土力學(xué),2010,31(9):27812785. [6]米海珍,朱浩穩(wěn),王 昊.三軸試驗下二八灰土強度的變化規(guī)律[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報,2009,35(4):117120. [7]周承剛,高俊良.水泥土強度的影響因素[J].煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(1):4548.
【含鹽量對水泥灰土強度特性的影響】相關(guān)文章:
什么食物含鹽量高?含鹽量高的食物有哪些01-15
聚酯纖維對水泥碎石強度影響的試驗研究07-12
聲波水泥膠結(jié)測井儀器頻率對水泥石聲學(xué)特性的影響07-05
礦物摻合料對水泥混凝土強度和耐磨性的影響10-20