粉煤灰改性水泥土強度特性與滲透性研究

張 成 劉春輝 趙超群 姜 浩

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005）

隨著城鎮和工業的發展，特別是我國高速鐵路的快速發展，天然地基越來越不能滿足大型聚集地對強度和使用性能的要求。水泥作為一種重要的膠凝材料，被廣泛應用于土木建筑、水利、國防等工程，利用水泥作為固化劑來提高軟土地基的強度和減少軟土地基的變形,已經被沿海軟土地區工程建設項目較為普遍地采用[1]。

雖然水泥加固土的成效較好，但這種方法對水泥的需求量較大，帶來的環保問題越來越突出。粉煤灰的加入不但能降低水泥水化熱[2]、穩定性好、強度較高，而且可以做到廢物的二次利用，減少水泥的使用量，降低成本。粉煤灰作為固體工業廢料具有潛在活性，在堿激發作用下，能生成具有膠凝性能的物質[3]，可以降低土體粘度，增加凝固時間，增加復合材料的均勻性和穩定性。土體改良過程，即粉煤灰與混合物相互作用的過程，包括由于陽離子交換和顆粒粘附而對土體結構的改變，這可以歸因于火山灰反應[4]。

水泥土強度指標通常采用室內無側限壓縮試驗，但近年來，為了更好地模擬深層土攪拌的情況，經常采用三軸壓縮試驗來研究土體的力學性能。A.Porbaha等[5]的試驗表明，土基復合材料在不排水三軸壓縮試驗中，與同條件下排水相比，在達到峰值應力和破壞應力之前應變更小，這表明不排水條件更加臨界。

因此，本研究通過一系列室內固結不排水三軸剪切試驗來研究兩種復合材料的物理性能。以煙臺砂土為材料，采用不同水泥膠凝材料處理后制成復合材料，圍壓范圍為100kPa～900kPa。膠凝材料所采用的兩種類型分別為：①水泥；②水泥和粉煤灰的混合物。通過對復合材料的力學和水力參數進行評價，分析兩種復合材料的力學和滲透性能。

1 材料和方法

1.1 試樣制備

為了制備均勻的試樣，將所需質量的干水泥和粉煤灰與土體充分混合，然后加入自來水，用電動攪拌器充分攪拌2min，最后將所得混合物注入圓柱形飽和器中。飽和器的直徑為39.1mm，高度為80mm。制樣前在飽和器內壁均勻涂抹凡士林，便于成樣后脫模。采用錘擊法制樣，分3層倒入飽和器內，并將土面整平，分層擊實。

1.2 三軸試驗程序

王濱生等[8]的研究表明，養護時間90d 時試樣抗壓強度達到最大。本試驗試樣在標準條件（溫度20℃±2℃，濕度95%±5%）下養護90d，以產生大部分預期強度。之后，開展滲透試驗與固結不排水三軸試驗。

本研究所采用的三軸儀配備體積壓力控制器，用于精確控制圍壓與反壓。滲透試驗與三軸試驗均在該三軸儀上開展。試驗方案如表1 所示。進行三軸試驗時要確保試樣完全飽和，為此將試樣放入真空室，在-0.1MPa 的壓力下進行飽和，然后將試樣放置在三軸室中進行B 值檢測，發現B 值遠小于預期值(0.8)[9,10]，即試樣未達到完全飽和。為此，在三軸壓力室中進行反壓飽和，即施加圍壓230kPa，并施加反壓200kPa，并在后續試驗中保持恒定，使復合水泥土飽和24h，并對試樣再次進行B值檢測，以確保試樣達到飽和。

表1 試驗方案

試樣在三軸儀中分3個階段進行固結，直至達到有效圍壓（100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa），每一階段完成時間約為8h。固結試驗完成后，對試樣進行滲透試驗。壓差為30kPa，其值等于試樣底部壓力減去試樣頂部壓力，即試樣頂部壓力保持為200kPa，試樣底部壓力設定為230kPa。在水力梯度h下，記錄某時刻t（本研究為2min）的總滲透水量Q。試樣的滲透系數k由式（1）確定：

式中A為截面面積；L為試樣高度。

滲透試驗結束后，設置底部壓力為200kPa。在不排水條件下試樣以0.02mm/min 速率進行軸向加載，當試樣軸向應變達到15%或試樣發生破壞后終止加載。

2 三軸試驗結果

本研究共開展了10種不同工況下的固結不排水三軸試驗，每種工況開展3 組平行試驗，以消除制樣以及試驗操作誤差。分析了兩種不同膠凝材料（水泥（C）和水泥+粉煤灰（CF））的影響，其中膠凝材料的摻量為10%（膠凝材料與干土的質量比），CF中摻入5%的粉煤灰（粉煤灰與水泥的質量比），即粉煤灰與干土的質量比為0.5%。試驗中分別施加了100kPa、300kPa、500kPa、700kPa、900kPa 的有效圍壓。表2 為三軸試驗獲取的不同膠凝材料水泥土的偏應力、平均有效應力、峰值軸向應變及殘余軸向應變。偏應力（q）由式（2）確定，其中σ1′為最大有效主應力，σ3′為最小有效主應力。

表2 固結不排水三軸剪切試驗結果

平均有效應力（p′）定義如下:

2.1 三軸試驗中的應力-應變

圖1為C與CF試樣孔隙水壓力（u）隨軸向應變（ε）的變化曲線，其中u 為實測孔隙水壓力減去恒定反壓。由圖1 可以看出，C 與CF 試樣孔隙水壓力隨軸向應變的變化規律基本一致，即自有效圍壓為100kPa時，試樣的孔隙水壓力隨軸向應變先增大后減小，并趨于一個相對穩定的負值，說明試驗加載過程中，試樣發生剪脹現象；對于有效圍壓大于100kPa 的工況，C 與CF 試樣的孔隙水壓力隨軸向應變逐漸增大，然后趨于穩定，表明三軸試驗加載過程中，試樣發生顯著的剪縮現象。

圖1 孔壓與軸向應變關系

2.2 峰值應力與圍壓關系

峰值偏應力(qpeak)與σc′的關系如圖2 所示。當σc′小于500kPa時，C水泥土的qpeak變化不大，但當σc′大于500kPa 后，qpeak呈現線性增大趨勢；對于CF型復合材料，qpeak未出現顯著轉折點，與σc′之間呈線性增加的關系。

圖2 峰值強度與有效圍壓應力的關系

2.3 滲透系數與圍壓的關系

圖3 為滲透系數(k)與有效圍壓應力(σc′)的關系曲線，圖中k值由固結試驗后的滲透試驗得到。由圖3可以看出，不同圍壓下試樣的滲透系數變化不大，k值均在某一常數附近普遍呈現出輕微的波動，表明施加圍壓后，試樣的體積并未發生顯著壓縮，這是由于水泥與粉煤灰的摻入，在砂土中形成骨架作用，且該骨架在施加圍壓后并未發生破壞；CF型試樣的k值大于C試樣，表明水泥粉煤灰試樣的滲透性大于純水泥試樣，可以看出粉煤灰的摻入增加了試樣孔隙的數量。

圖3 C和CF復合材料的滲透系數k與有效圍壓應力(σc')的關系

3 結語

本文研究了兩種水泥土復合材料的力學和水力特性：①水泥土（C）；②粉煤灰處理水泥土（CF）。重點分析比較了兩種水泥土復合材料的應力-應變曲線和滲透率，試驗分析得出的主要結論如下：

（1）不同圍壓下C 與CF 試樣均表現出應變軟化特性，即偏應力隨著應變的增加呈現出先增大后減小并逐漸趨于穩定。

（2）隨著圍壓的增加，峰值偏應力（qpeak）逐漸增大；相同圍壓下CF 試樣的峰值偏應力小于C 試樣，即粉煤灰的摻入降低了水泥土的強度。

（3）低圍壓下C與CF試樣均出現顯著的剪縮現象。

（4）水泥土的滲透系數(k)幾乎不受圍壓影響，但粉煤灰的摻入會顯著增大水泥土的滲透性。