EPS顆粒粒徑對水泥土靜動彈性模量影響試驗研究

耿凱旋, 莊心善, 周睦凱, 周 榮

(湖北工業大學土木建筑與環境學院 湖北 武漢 430068)

EPS水泥輕質土屬于混合輕質土的一種,通過摻加EPS顆粒來達到減重的目的,通過摻加水泥來增強其黏聚力。當前,相關領域學者對EPS水泥輕質土的力學特性進行了大量試驗研究。高玉峰等[1]選用EPS顆粒與水泥摻入黏土中,得到了水泥含量和圍壓對動強度的變化規律;謝書萌等[2]采用靜三軸試驗研究EPS粒徑對輕量土的變形強度特性的影響;梅利芳[3]研究了EPS顆粒摻量對輕質土力學性能的影響,研究表明:當EPS摻量增加到4%及以上時,密度減少幅度變緩,而且EPS顆粒過多會導致顆粒之間粘結不夠。馮志密等[4]通過改變EPS顆粒的摻量及溫度條件,發現了EPS輕質土強度特性的變化規律。莊心善等[5]選用磷尾礦與EPS復合摻入膨脹土中,得出輕質土的強度及膨脹性的變化規律。王靜等[6]通過三軸試驗,研究了圍壓、凍融循環次數對季凍區路基土靜、動彈性模量的影響規律;申雁鵬[7]研究了火災環境下對混凝土動、靜彈性模量的影響。游林陽[8]對原淤泥質土試樣進行了一系列常規土工試驗和靜、動三軸試驗,得到了該土體的靜動力參數變化規律;王桂萱等[9]研究了我國東南沿海核電海工工程地基土的靜動力特性規律。

綜上所述,盡管許多學者對EPS水泥輕質土的強度特性做了大量研究,但是對于EPS水泥輕質土的靜動參數研究較少。目前土的動力試驗儀器操作復雜,數據處理相對土的靜力試驗困難,因此研究EPS摻入對水泥黏土的靜動彈性模量影響非常有工程意義。

1 土樣制備及試驗方案

1.1 試驗儀器

靜三軸試驗采用全自動三軸儀,如圖1所示,該儀器可分別進行土體的標準飽和、固結及標準三軸試驗,本次試驗由該儀器標準三軸測試模塊對試樣進行加載。

圖1 全自動三軸儀

動三軸試驗采用GDS真/動三軸儀,如圖2所示,該儀器可通過設置正弦波頻率模擬土體在受到地震作用下的變形環境,第一個水平方向最大能達到5 Hz,第二個水平方向最大能達到10 Hz。

圖2 GDS真三軸儀

圖3 試驗試樣

1.2 試驗材料

1.2.1黏土黏土取自湖北省黃石市大冶市某施工段深挖土層,為次生黏土,色深且耐火度較低。通過擊實試驗可得,其最優含水率為20%,最大干密度為1.8 g/cm3,其物理力學指標見表1。

表1 黏土物理力學指標

1.2.2EPS顆粒聚苯乙烯 ( EPS ) 顆粒取自湖北某化工廠, 壓實密度最大分別可達0.060 g/cm3、0.050 g/cm3、0.035 g/cm3,如表2所示。

表2 EPS物理參數

1.2.3水泥本次試驗水泥采用普通硅酸鹽水泥,其強度等級為C32.5。

1.3 試樣制備及試驗方案

將黏土磨碎過篩后,用干燥箱持續烘干24 h。在保持該干密度條件下,摻入占干土質量5%的水泥粉末,占干土質量4%的EPS顆粒,水總質量為滿足干土達到最優含水率和水灰比0.44兩部分之和。用分層擊實法,分5層均勻壓實,分別制作直徑為39.1 mm、高度為80 mm和直徑為50 mm、高度為100 mm的EPS改良土樣,在標準養護箱中分階段進行養護,第一階段帶模具養護24 h,第二階段脫模養護至預定齡期結束。取養護后試樣抽真空飽和后,注水浸泡24 h進行靜、動三軸試驗。靜三軸試驗在剪切速率為0.05 mm/min的條件下進行;動三軸試驗設定1 Hz的正弦波進行單級加載,將水中浸泡24 h后的試樣裝入動三軸儀內進行反壓飽和,在50 kPa、100 kPa、150 kPa圍壓的條件下,進行動力試驗。試驗方案見表3,靜、動三軸試樣各9個。

表3 試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 靜彈性模量變化規律

由試驗數據得,在小應變范圍內,應力-應變曲線可看作線性變化,取近似線性階段的曲線擬合,所得的直線斜率為靜彈性模量,如圖4所示。

圖4 靜彈性模量取值示意圖

由圖5可得知在不同圍壓影響下的主應力差與軸向應變之間的關系,隨著主應力差的增大,表現為應力-應變關系線性變化階段越持久,即彈性變形越大。

(a) EPS顆粒粒徑為0.5～1 mm

從圖6可以看出,在圍壓為150 kPa、顆粒粒徑為2～3 mm時,靜彈性模量達到11 MPa;在圍壓為150 kPa、顆粒粒徑為1～2 mm時,靜彈性模量達到29 MPa;在圍壓為150 kPa、顆粒粒徑為0.5～1 mm時,靜彈性模量達到47 MPa。

圖6 不同圍壓影響下的靜彈性模量

2.2 動彈性模量變化規律

由于EPS水泥輕質土在施加循環荷載產生的變形過程中出現了應變回彈,因此產生滯后現象,可以得到滯回曲線:

式中:σB與σA的差值表示一個滯回曲線中最大與最小動應力之差;εB與εA的差值表示一個滯回曲線中最大與最小動應變之差。

動彈性模量第一階段出現下降趨勢,約在200次循環荷載作用后達到第二階段,該階段動彈性模量趨于穩定。約在3000次循環荷載作用下達到第三階段,試樣開始出現特征性破壞,動彈性模量出現急劇下降。

由圖7可得,動彈性模量隨著圍壓和EPS顆粒粒徑的變化趨勢同靜彈性模量變化趨勢保持一致。

(a) EPS顆粒粒徑為0.5～1 mm

從圖8可以得出,在圍壓為50 kPa、顆粒粒徑為0.5～1 mm時,動彈性模量達到81 MPa;在圍壓為50 kPa、顆粒粒徑為1～2 mm時,動彈性模量達到40 MPa;在圍壓為50 kPa、顆粒粒徑為2～3 mm時,動彈性模量達到15 MPa。

圖8 不同圍壓影響下的動彈性模量

3 靜動彈性模量關系

通過對以上試驗結果的研究我們可以得出:保持EPS顆粒粒徑不變時,靜、動彈性模量隨著圍壓的增加而變大;保持圍壓不變時,靜、動彈性模量隨著EPS顆粒粒徑的增加而變小。

雖然靜、動彈性模量變化呈一定程度的正相關,但是數值上仍然存在差別,動彈性模量始終高于靜彈性模量;首先是因為靜、動三軸試驗分別處于不同的應力-應變條件下,靜三軸試驗應力-應變較小,動三軸試驗應力-應變較大,根據定義我們可以得知,彈性模量為切應力與切應變的比值;其次是加載方式的不同,進行動三軸試驗時試樣在循環荷載的作用下,致使結構內部的EPS顆粒與孔隙不斷被壓實,試樣變得更加密實,而靜三軸試驗時試樣的密實程度達不到與動三軸試驗時一樣;另外在循環荷載作用下,土體前期主要以彈性變形為主,塑性變形為輔,當進行靜三軸試驗時,土體始終是塑性變形。因此,動彈性模量在數值上總是大于靜彈性模量。

4 結論

控制圍壓和EPS顆粒粒徑為變量分別進行了靜、動三軸試驗,得出圍壓、EPS顆粒粒徑對EPS水泥輕質土靜彈性模量和動彈性模量的影響,以及靜、動彈性模量之間的關系。試驗結論如下:

1)圍壓的增大及EPS顆粒粒徑的減小都會使重塑土體內部分子聯接更加緊密,從而提升其鍵合強度,進一步提高EPS水泥輕質土的靜、動彈性模量,宏觀表現為圍壓最大、EPS顆粒粒徑最小時靜、動彈性模量達到最大值。

2)隨著圍壓的增大,相同EPS顆粒粒徑的EPS水泥輕質土靜、動彈性模量逐漸增大。

3)在圍壓保持一定時,EPS水泥輕質土的靜、動彈性模量隨EPS顆粒粒徑的增大而逐漸減小。EPS水泥輕質土的靜、動彈性模量隨著圍壓與EPS顆粒粒徑變化的趨勢完全一致,驗證了相同土體的靜、動彈性模量并沒有本質上的區別,只是在不同加載條件下的力學性質表現。

4)由于靜、動三軸試驗加載方式的不同,土體內部結構出現不同的變形方式,故動彈性模量宏觀上表現高于靜彈性模量。

5)通過對EPS水泥輕質土的靜動彈性模量的整理與分析,為該土體靜、動彈性模量的轉換提供了理論基礎,以便完成靜動參數的轉換計算。