黃土EPS顆粒混合輕質土的抗剪強度特性試驗研究

陶 亮

(廣西翔路建設有限責任公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，簡稱EPS)是一種輕型的高分子有機聚合物，EPS憑借其質量小、耐久性好、易加工和穩定性好等諸多優良特性，在工程中得到廣泛應用。EPS顆粒與土、水泥、水經攪拌混合后得到混合輕質土，既可以起到降低混合土重度的作用，又可以充分利用水泥水化作用產生的膠結固化作用，從而提高混合輕質土的抗壓、抗剪切變化的能力，當前被廣泛用于高等級公路、地鐵等工程建設中。而日本更是在2000年就已經開始使用聚苯乙烯泡沫顆粒混合輕質土[1-2]。

目前，國內外已有很多關于混合輕質土的研究，但幾乎都是EPS與淤泥、黏土、砂土等混合而得到的。例如，劉漢龍等[3]、董金梅等[4]、朱偉等[5]等通過實驗分析了聚苯乙烯輕質混合土(與淤泥粉質黏土混合)的滲透、壓縮與強度特性；劉漢龍等[6]研究了聚苯乙烯輕質混合土(與淤泥粉質黏土混合)的單軸與三軸應力—應變曲線的形態特征；侯天順等[7-9]研究了輕量砂及其輕量土(與海相沉積淤泥混合、與關山黏土混合)的變形及強度特性；Bathurst R J等[10]通過試驗研究認為動荷載的影響作用能夠被輕質土工材料顯著地削弱，其可以有效降低震動而引起的破壞；Trandair A C等[11]研究了輕質土工合成材料在只有單軸循環加載條件下的動變形特征。

但是研究與黃土混合的聚苯乙烯泡沫顆粒混合輕質土的文獻還幾乎沒有，因此本文研究黃土EPS顆粒混合輕質土的抗剪強度性質，以期為今后的工程建設提供參考。

1 試樣材料以及試樣制備

1.1 試樣材料

試驗所用的黃土均為取自陜西扶風縣太白鄉長命寺村的Q3黃土，為淺黃色馬蘭黃土，土質較均勻，含有部分植物根系留下的空洞。其基本物理性質如表1所示。將其攤開自然風干并碾碎，再用篩孔為0.5 mm的篩子進行篩分。EPS顆粒的粒徑為0.5～1 mm，堆積密度為0.020 g/cm3。固化劑為陜西滿意水泥有限責任公司制造的復合硅酸鹽水泥，型號為P·C32.5。水為自來水。

表1 Q3原狀黃土物理性質指標表

1.2 試樣制備

首先，將自然風干碾碎的黃土放在烘箱中烘干，稱取其重量；接著，往其里面加入水泥，攪拌大致5～8 min，使其均勻分布；再加入水，攪拌大概5～10 min，形成均勻的漿體；最后，加入EPS顆粒，攪拌大約10～15 min的時間，形成均勻的可塑性混合輕質土，將其裝入直徑為3.91 cm、高為8.00 cm的三瓣模模具中(在裝入漿體前先在模具內側壁均勻涂抹上一層凡士林，以便于除去模具)，接著放入YH-40B型標準恒溫恒濕養護箱中進行養護，養護溫度設為20±1 ℃，養護濕度為95%，1 d后拆模(這1 d的時間也計入養護齡期)，再次放入養護箱中養護到規定齡期。

2 試驗方法

在達到28 d的養護齡期后，對試樣進行不固結不排水三軸剪切試驗(即UU試驗)，應變速率設為1 mm/min，每隔30 s采集一次數據，圍壓取為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa，應變達到20%則自動停止。試驗設備為長安大學土工實驗樓的南京土壤儀器廠生產的TFB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，試驗方案如表2所示，表中的摻入比均為各種材料與黃土干質量之比。

表2 試驗方案表

3 試驗結果以及數據分析

3.1 試驗結果

根據電腦終端輸出的Excel表格可以得到各配合比破壞時的p、q值的大小，如下頁表3所示，其中，p=(σ1+σ3)/2，為摩爾應力圓的圓心橫坐標；q=(σ1-σ3)/2，為摩爾應力圓的半徑，σ1、σ3分別為大、小主應力。

表3 各配合比的實驗結果對比表

3.2 數據分析

本文選用p～q直角坐標系統來表示各配合比的應力路徑。由表3中的數據通過Excel表格就可以擬合得到各配合比的應力路徑Kf線(見圖1)，設縱坐標截距為b，斜率為k，即q=pk+b(Kf線)，擬合得到k、b及相關系數的平方R2(見表4)。b、k與粘聚力c、摩擦角φ之間存在關系式(1)[12-13]：

圖1 不同配合比的應力路徑圖

sinφ=k；c=b/cosφ

(1)

由此可以得到各配合比的抗剪強度指標c、φ值的大小(見表4)，由表4可以得到圖2～3。

3.2.1 水泥摻入比對抗剪強度c、φ的影響

從圖2中可以看出，摩擦角隨著水泥摻入比的增大，先減小后增大，但介于14.781 ～17.406 之間，且上下波動幅度很小，僅為2.625，由此可得，水泥對摩擦角的影響很小。

表4 不同配合比的應力路徑Kf與抗剪強度指標表

圖2 水泥摻入比對抗剪強度指標的影響曲線圖

圖3 EPS顆粒摻入比對抗剪強度指標的影響曲線圖

粘聚力c先是隨著水泥摻入比的增大而急劇增大，但當水泥摻入比增大到20%后，c幾乎保持不變，甚至有下降趨勢。上述現象產生的原因可能是：混合輕質土中的粘聚力主要來源于水泥的水化反應，隨著水泥摻入量的增加，水化反應越強烈，所形成的水化作用產物越多，進而所形成的膠結結構越穩定，即結構強度越大，抵抗剪切破壞變形的能力就越大，進而抗剪強度越大，所以粘聚力越大；由于輕質土中的EPS顆粒的摻入量相同，水泥水化作用產物所能占有的體積相對比較固定，所以當水泥摻入量達到一定程度時，已沒有多余的空間，甚至有可能反過來影響水泥的水化作用，導致其水化作用不徹底，抗剪強度反而有可能下降。由此可知在水泥摻入比<20%時，c隨水泥用量的增大而增大；當達到20%時，水泥摻入量的變化幾乎對c沒有影響。

3.2.2 EPS顆粒摻入比對抗剪強度c、φ的影響

從圖3中可以看出，摩擦角隨著EPS顆粒摻入比的增大，先減小后增大，介于14.781 ～22.097 之間，上下波動幅度為7.316，但是隨EPS顆粒的增加沒有明顯的變化規律。

粘聚力c先是隨著EPS顆粒摻入比的增大而增大，但當EPS顆粒摻入比增大到3%后，c值急劇下降。上述現象產生的原因可能是：當EPS顆粒含量很小時，由于摻水量相對較多，混合輕質土在拌制的過程中極易發生離析現象，可能導致部分水化作用產物未裝入到三瓣模模具，因此，抗剪強度不大；當EPS顆粒摻入比增大到3%后，基本不會出現離析現象，又由于粘聚力主要來源于水泥的水化反應，當水泥摻入量一定，而EPS顆粒摻入量增大時，固體顆粒之間的水化作用產物就會相對減少變薄，故形成的膠結結構就會不穩定，即抵抗剪切破壞變形的能力就越小，所以粘聚力越小。由此可得，隨EPS顆粒摻入比的增大，粘聚力c先增大后減小。

4 結語

(1)黃土EPS顆粒混合輕質土的強度主要取決于水泥水化作用，水化作用產物填充于固體顆粒之間，提高了固體顆粒之間的粘聚力，從而提高了黃土EPS顆粒混合輕質土的抗剪強度。

(2)黃土EPS顆粒混合輕質土的內摩擦角介于14.781～22.097 之間，受水泥、EPS顆粒摻入量變化的影響很小。

(3)黃土EPS顆粒混合輕質土的粘聚力，隨水泥摻入量的增加而增大，當水泥摻入量到達20%后，粘聚力c幾乎不受水泥摻入量變化的影響；隨EPS顆粒摻入比的增大，粘聚力c先增大后減小。