膨潤土-水泥-木屑混合物的抗剪性能試驗研究

雷志強，毛景權，梁文習，王 剛，朱紹勛，羅威力

（1、中交一公局橋隧工程有限公司 長沙410000；2、廣州大學 廣州510006）

0 引言

目前，生活垃圾主要采用填埋方法處理。水泥-膨潤土泥漿由于滿足垃圾填埋場的強度要求和具有優秀的低滲性，被廣泛應用于垃圾填埋場防滲墻體材料。垃圾填埋場往往設置防滲墻，其可以減小垃圾滲濾液向外滲透而造成水土的污染［1，2］；歐美國家的垃圾填埋場往往采用膨潤土、水泥等作為防滲墻材料［3，4］；國內上海老港垃圾衛生填埋場采用水泥-膨潤土混合漿液作為垂直隔離墻材料［5］；運用水泥-膨潤土泥漿可以有效降低工程造價。為了研究水泥-膨潤土泥漿的力學性能，黃亮等人［6］通過力學試驗研究了水泥-膨潤土泥漿的極限應變、變形模量和無側限抗壓強度等指標的規律；王四巍等人［7］研究了膨潤土及水泥用量對混凝土抗裂性能、彈性模量和強度的影響；王營彩等人［8］的研究表明膨潤土、水泥固結體的應力-應變是軟化型曲線；焦凱等人［9］通過三軸試驗研究了膨潤土、水泥摻比對混凝土的抗壓和抗拉強度、黏聚力和內摩擦角的影響。徐海波等人［10］研究了水泥改性膨脹土的強度與變形特性；水泥與膨潤土的摻比能影響水泥-膨潤土泥漿的強度特性，水泥的占比越大，水泥-膨潤土泥漿的強度就越高。然而，對于一些對強度要求比較低的結構，強度過高可能會增加造價，減少水泥的用量在滲透性和強度方面大打折扣。為了進一步體現水泥-膨潤土泥漿的優越性，可以在水泥-膨潤土泥漿中摻雜一些廢棄木屑，使工程成本降低，符合綠色環保的主題。

本文在水泥-膨潤土固結體中摻入木廠加工產生的木屑，對不同配合比的水泥-膨潤土-木屑混合物進行靜三軸壓縮試驗，研究膨潤土、水泥、木屑各種材料用量變化對其粘聚力與內摩擦角的影響。探究在滿足強度要求的情況下，其用于鋼板樁圍堰引孔回填材料的最佳配合比，以此保證施工質量以及節約成本。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本文以木屑、水泥、膨潤土作為膨潤土-水泥-木屑混合物的基本材料，試驗中，膨潤土采用鈉基膨潤土，其性能規格參數如下：吸藍量為80.5 g/（100g），膠質價為98.0 mL/15 g，膨脹容為13.0 mL/g，含水率為9.3%；水泥采用C25 硅酸鹽水泥，其具有耐磨性和抗凍性好、早期強度高、干縮小等優點，水泥的性能指標如下：SO3含量為80.5%，細度為98.0%，安定性為13.0，含水率為9.3%。木屑采用木頭加工剩下的廢棄鋸末粉料，其壓實的密度為0.51 g/cm3。

1.2 配合比方案

為了研究膨潤土、水泥和木屑對混合物力學特性的影響，本文以實際工程為背景設計配合比，采用控制變量法（只改變一種材料的用量）研究單一變量對混合物的力學性能的影響。本次試驗分為以下3 組，水的用量控制在固體（膨潤土、水泥、木屑）總質量的50%，每個配合比制備6個試樣，各組配合比如下：

第1 組：本組分為4 個配比，各配比膨潤土的質量分別為440 g、880 g、1 320 g 和1 760 g，水泥與木屑質量保持不變（水泥質量220 g、木屑質量90 g），研究膨潤土含量變化時混合物的力學特性，具體配合比如表1所示。

第2組：本組也分為4個配比，各配比水泥的質量分別為110 g、220 g、440 g和660 g，并使膨潤土與木屑質量保持不變（膨潤土質量1 760 g、木屑質量90 g），具體配合比如表1所示。

第3組：本組也分為4個配比，各配比木屑的質量分別為90 g、135 g、180 g 和270 g，保持水泥與膨潤土質量不變（水泥質量220 g、膨潤土質量880 g），具體配合比如表1所示。

表1 配合比Tab.1 Mixture Ratio

1.3 試驗方法

膨潤土-水泥-木屑混合物可作為鋼板樁引孔后的回填材料，施工環境位于水面以下，根據施工條件確定本次三軸壓縮試驗的方法為不排水不固結試驗。試驗儀器采用三軸試驗系統DYNTTS，儀器型號為DYNTTS MAXDYN，三軸試驗系統如圖1 所示。根據三組配合比制備試樣，組內按照編號制備試樣，每個編號制備6 個試樣，試樣形狀為圓柱體，尺寸為φ76 mm×38 mm，試樣放在標準室內分別養護28 d。本次三軸試驗的圍壓共設置3 個等級，分別為100 kPa、200 kPa和300 kPa。每個圍壓等級做2次試驗，試驗結果取其平均值。

圖1 三軸試驗系統Fig.1 Triaxial Test

試驗完成后，根據摩爾庫倫強度理論，混合物的c、φ值可以通過式⑴求得：

式中：τf為破壞時的剪應力；c為粘聚力；φ為內摩擦角。

2 結果與分析

2.1 膨潤土變化的抗剪性能

當混合物的質量比為膨潤土∶水泥∶木屑=1760∶220∶90 時，即編號為B4 時，三軸壓縮試驗結果的應力應變關系如圖2 所示；根據Mohr-Coulomb 強度理論，畫出破壞摩爾圓及強度包絡線，如圖3所示。

圖2 B4的應力-應變關系Fig.2 Stree-stain Relation of B4

圖3 B4的破壞摩爾圓及強度包絡線Fig.3 Mole Circle and Strength of B4

由圖2可知，當圍壓從100 kPa增加到300 kPa時，混合物的三軸抗壓強度顯著提高；混合物的偏應力與應變曲線基本可以分為3個階段：彈性階段、彈塑性階段和塑性階段。在初始加載時，混合物的應力應變基本呈直線關系，混合物未產生裂縫，應力應變關系表現為彈性關系；當應力逐漸增長時，應力-應變曲線的斜率逐漸減少，內部產生裂縫緩慢擴展，并與孤立的粘結裂縫開始搭接，擴展成為更寬更廣的裂縫，此階段為彈塑性階段；當應力繼續增大時，混合物的裂縫迅速地延伸，延伸到一定程度后，裂縫體系變得不穩定，應變迅速增長，最終發生破壞，此階段為完全塑性階段。

根據破壞摩爾圓及強度包絡線，求出膨潤土-水泥-木屑混合物的粘聚力和內摩擦角，抗剪強度指標匯總如表2所示。粘聚力和內摩擦角的變化如圖4所示。

表2 膨潤土變化的抗剪強度指標Tab.2 Shear Modulus of the Mix with the Variation of Bentonite

圖4 膨潤土用量與c和φ值的關系Fig.4 Relationship between Bentonite Usage and c and φ

從圖4 可知，粘聚力和內摩擦角都隨著膨潤土用量的增大而減小，粘聚力從36.2 kPa 降低到18.7 kPa，降低了17.5 kPa；內摩擦角從53.4°降低到36.2°，降低了17.2°；膨潤土用量增加到1 320 g 以后，曲線變得平緩，減小速率變小。

蒙脫石是膨潤土的主要成分，膨潤土遇水會發生水化反應，反應產生負電荷與水泥水化反應釋放出的正電荷結合，結合后蒙脫石晶體之間距會減小。另外，水泥熟料水化產生水化物，按照特定的方式相互搭接和聯結形成水泥石，此時膨潤土會填充于水泥石骨架中，水泥石結構的致密性得到了提高，進而提高抗剪性能。

從圖4和以上分析可知，當膨潤土用量較大時，粘聚力和內摩擦角主要受到膨潤土性能的影響。因為如果膨潤土用量大，膨潤土就填滿了水泥石骨架，由于膨潤土的抗剪性能比膨潤土-水泥固結體小，所以增加額外的膨潤土就會減小粘聚力和內摩擦角，其數值大小會向著接近膨潤土粘聚力和內摩擦角的方向進行。

2.2 水泥變化的抗剪性能

在改變水泥用量的情況下，膨潤土-水泥-木屑混合物的粘聚力和內摩擦角，抗剪強度指標匯總如表3所示。粘聚力和內摩擦角的變化如圖5所示。

表3 水泥變化的抗剪強度指標Tab.3 Shear Modulus of the Mix with the Variation of Cement

圖5 水泥用量與c和φ值的關系Fig.5 Relationship between Cement Usage and c and φ

從圖5 可知，粘聚力和內摩擦角都隨著水泥用量的增大而增大，粘聚力從17.2 kPa 增加到35.4 kPa，增加了18.2 kPa；內摩擦角從25.6°增加到52.2°，增加了26.6°；水泥對內摩擦角的影響作用要比對粘聚力的影響大。水泥水化后產生膠凝產物，把膨潤土、木屑牢固地膠結在一起，從而增加了混合物的粘聚力和內摩擦角。

2.3 木屑變化的抗剪性能

在改變木屑用量的情況下，膨潤土-水泥-木屑混合物的粘聚力和內摩擦角，抗剪強度指標匯總如表4所示。粘聚力和內摩擦角的變化如圖6所示。

從圖6可知，隨著木屑用量增加，粘聚力先減小后略有增大；內摩擦角都隨著木屑用量的增大而減小；木屑可以充當骨料，使經過攪拌的水泥快速成型，凝固后具有骨架和支撐作用，水泥把木屑與膨潤土膠結在一起，所以當木屑的含量比較大時，粘聚力會略有提高。由于木屑的強度小，在膨潤土-水泥漿中加入木屑，木屑干縮后會產生空隙，此時其密實性就會減小，所以膨潤土-水泥-木屑混合物的內摩擦角隨著木屑用量的增加而減小。

3 結論

由膨潤土-水泥-木屑混合物的不排水不固結三軸試驗，得出下列結論：

表4 木屑變化的抗剪強度指標Tab.4 Shear Modulus of the Mix with the Variation of Sawdust

圖6 木屑用量與c和φ 值的關系Fig.6 Relationship between Sawdust Usage and c and φ

⑴膨潤土-水泥-木屑混合物的粘聚力與內摩擦角隨著膨潤土用量的增加而減小，隨著水泥用量的增加而增大；隨著木屑用量的增加，混合物的粘聚力先減小后略有增大，其內摩擦角則減小。

⑵膨潤土-水泥-木屑混合物的抗剪性能好，可作為鋼板樁引孔后的填充材料，有效地降低工程造價。

⑶在膨潤土-水泥固結體加入了廢棄木屑，由于木屑密度遠小于膨潤土與水泥的密度，等同質量情況下木屑的體積較大，可以有效地節約材料，符合節能環保的主題。