復(fù)合型固化劑固化黏土強(qiáng)度試驗(yàn)研究★

吳雪琴，程長(zhǎng)清，于貴霞，李 嚴(yán)，赫 林，宋海燕

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院,江蘇 無(wú)錫 214151;2.無(wú)錫新立鴻工程技術(shù)服務(wù)有限公司,江蘇 無(wú)錫 214043; 3.山東漢為環(huán)保科技有限公司,山東 濟(jì)寧 272053)

0 引言

路基施工過(guò)程中,土的力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要,江蘇南部地區(qū)土壤含有較高的含水量,體現(xiàn)出承載力低的特點(diǎn)。因此必須要對(duì)土壤進(jìn)行固化處理。關(guān)于不同固化劑摻入土體后,固化土力學(xué)特性的研究有很多,例如陳昌富等[1]研究了不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥土的力學(xué)特性,通過(guò)無(wú)側(cè)限壓力試驗(yàn)分析了試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),周承京等[2]研究了黏土-石膏膠結(jié)材料的強(qiáng)度特征,分析了不同配比情況下,膠結(jié)材料的初凝時(shí)間以及試件強(qiáng)度問(wèn)題。張丹等[3]研究了鹽分侵蝕對(duì)于水泥固化土的力學(xué)特性的影響。還有許多學(xué)者[4-11]采用不同的固化劑對(duì)水泥土力學(xué)性能進(jìn)行了研究,但是他們研究的是某一種固化劑對(duì)于水泥土的力學(xué)性能的影響。少有學(xué)者研究水玻璃-水泥-離子型復(fù)合固化劑對(duì)于水泥土的影響,因此他們的研究有一定的局限性。程福周等[12]采用水泥-水玻璃為固化劑來(lái)分析固化后的淤泥的力學(xué)性能,但是其研究中沒(méi)有加入離子型固化劑。

本文以水玻璃-水泥-離子型復(fù)合固化劑為研究對(duì)象,采用無(wú)側(cè)限壓縮的方式,對(duì)比分析:只有水泥土;水泥土中摻入離子型固化劑;水泥土中摻入離子型固化劑和水玻璃三種情況下固化土的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究使用的材料來(lái)自某高速公路段改擴(kuò)建工程,經(jīng)測(cè)得土樣的最大干密度為1.886 g/cm3,最佳含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為14.84%。土樣顏色為褐色,液限為44.5%,塑限22.0%,塑性指數(shù)IP(Plasticity Index)為22.5,為低液限黏土;試驗(yàn)用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥,呈粉末狀;固化劑離子型土壤聚合劑,為深棕色黏稠狀液體;水為普通自來(lái)水。土樣實(shí)拍見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)方法

常溫條件下在單軸壓力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),屬于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),進(jìn)行三組試驗(yàn):第一組試驗(yàn)土體與水泥重量比為:94∶6,93∶7,91∶9三種情況下,第二組試驗(yàn)在第一組試驗(yàn)相同配比基礎(chǔ)上,分別加入無(wú)機(jī)離子型固化劑;第三組試驗(yàn)在相同的配比基礎(chǔ)上,加入水玻璃與無(wú)機(jī)離子型固化劑,然后分別記錄土體在干壓與泡水兩種情況下的單軸抗壓強(qiáng)度;試驗(yàn)按照J(rèn)TJ E40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程,CJJ/T 286—2018土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),JTJ E50—2009公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程等技術(shù)要求,試件尺寸為50 mm×50 mm,試驗(yàn)時(shí)加載速率為1 mm/min,記錄破壞時(shí)的最大承載力并分析其力學(xué)性能。試樣圖及破壞圖見(jiàn)圖2,圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同水泥配比對(duì)于強(qiáng)度影響

由圖4可知,整體而言泡水后的試件單軸壓縮強(qiáng)度低于干壓強(qiáng)度,原因是試件中摻水導(dǎo)致土體有效應(yīng)力減小,抗壓強(qiáng)度降低。并不是水泥含量越高,固化土強(qiáng)度越高,固化土強(qiáng)度隨水泥含量增大,整體體現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。當(dāng)水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7%時(shí),無(wú)論采用干壓還是泡水的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都是最低的。且水泥含量從6%～7%時(shí),干壓時(shí)強(qiáng)度下降30.15%,泡水后強(qiáng)度下降7.69%。

2.2 加入固化劑對(duì)于強(qiáng)度影響

由圖5可知,加入固化劑后,整體而言泡水后的試件單軸壓縮強(qiáng)度仍然低于干壓強(qiáng)度。隨著水泥含量增大,干壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。而泡水后的強(qiáng)度則呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7%時(shí),干壓和泡水后的強(qiáng)度值較為接近。水泥含量從6%～9%時(shí),干壓強(qiáng)度增長(zhǎng)18.5%,泡水后強(qiáng)度增長(zhǎng)71.76%,說(shuō)明泡水后采用固化劑能夠顯著提高土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。原因可能是:固化劑改善了土體的孔隙結(jié)構(gòu),吸收了土體的水分等原因,使土體有效應(yīng)力增大,抗壓強(qiáng)度增大。

2.3 分析加入固化劑前后試件強(qiáng)度變化

由圖6,圖7可知,無(wú)論是泡水還是干壓,加入固化劑后,整體強(qiáng)度都會(huì)出現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)。例如水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7%時(shí),加入固化劑前后干壓強(qiáng)度增長(zhǎng)28.4%,而泡水后的強(qiáng)度增長(zhǎng)66.7%,同樣說(shuō)明泡水后采用固化劑能夠顯著提高土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由于實(shí)際工程處于江蘇南部地區(qū)地下水豐富,往往更加接近于泡水后的試件狀態(tài),可以采用土壤固化劑來(lái)提高土體的承載能力。

2.4 同時(shí)加入水玻璃與固化劑對(duì)于強(qiáng)度影響

由圖8,圖9可知,無(wú)論是泡水還是干壓,加入水玻璃前后,試件強(qiáng)度變化不是特別明顯。例如水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為6%時(shí),加入水玻璃前后的干壓強(qiáng)度值一致。水泥含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為9%時(shí),加入水玻璃前后的泡水強(qiáng)度值一致,說(shuō)明水玻璃并不能明顯的提高土體的抗壓強(qiáng)度。實(shí)際工程由于水玻璃的成本更低,如果考慮成本等因素,則建議采用同時(shí)使用水玻璃與固化劑來(lái)改良土壤的力學(xué)性能。

3 衍生分析

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于圍壓為0的三軸試驗(yàn),由于試驗(yàn)過(guò)程非常快,相當(dāng)于不固結(jié)不排水試驗(yàn),其應(yīng)力莫爾圓如圖10所示。τ為剪應(yīng)力;σ為正應(yīng)力;σ1,σ3為大小主應(yīng)力,q為縱向加載應(yīng)力。其中莫爾圓的頂點(diǎn)表示壓縮破壞時(shí)候的切應(yīng)力,其大小為莫爾圓半徑,也等于q/2。單軸壓縮情況下無(wú)法測(cè)得土體的實(shí)際強(qiáng)度參數(shù)c(黏聚力)、φ(內(nèi)摩擦角),但是對(duì)于黏土而言c和φ又是客觀(guān)存在的。同時(shí)由于黏聚力和內(nèi)摩擦角在土中往往不是孤立存在,通常表現(xiàn)為:“你中有我”“我中有你”的關(guān)系。為了準(zhǔn)確描述在單軸情況下土的強(qiáng)度參數(shù)特性,本文提出一種名義黏聚力c′概念:在土的單軸試驗(yàn)中,規(guī)定應(yīng)力莫爾圓最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值為土體的名義黏聚力。

實(shí)際工程中,通常含有較多的地下水。于是分析固化劑添加前后,泡水壓情況下,名義黏聚力c′的變化趨勢(shì)。

由圖11可知:c′在只加入水泥情況下強(qiáng)度是最低的,此時(shí)土體里面含有較多水分,黏聚力較低,反映為土體的抗剪強(qiáng)度較差。同時(shí)隨著水泥含量的增大名義黏聚力c′也呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。當(dāng)水泥含量為7%時(shí),名義黏聚力c′最小。加入固化劑后名義黏聚力c′則會(huì)出現(xiàn)大幅度提高。例如當(dāng)水泥含量為6%時(shí),加入了固化劑后,名義黏聚力c′增長(zhǎng)了30.7%。這是由于固化劑與土中的水產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng),將流態(tài)的水變成了固態(tài)的結(jié)晶水,提高了土體的抗剪強(qiáng)度。且只加入固化劑與固化劑和水玻璃同時(shí)加入兩種情況下的兩條曲線(xiàn)幾乎重合,再次說(shuō)明水玻璃對(duì)于試件強(qiáng)度影響不大,與上文的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

對(duì)不同水泥含量的固化土試件開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析其力學(xué)性能,得出以下結(jié)論:

1)土體的單軸抗壓強(qiáng)度、名義黏聚力c′隨著水泥含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。2)加入固化劑能夠顯著提高土體的單軸抗壓強(qiáng)度、名義黏聚力c′的大小。3)考慮經(jīng)濟(jì)性及土體的強(qiáng)度要求,可以采用水玻璃加固化劑的組合,能夠有效提高土體的抗剪強(qiáng)度。