礦粉改良粉土路用性能研究

2024-12-31 00:00:00文濤

西部交通科技 2024年7期

摘要：文章采用無側限抗壓試驗，研究礦粉摻量及養護時間對改良粉土無側限抗壓強度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示礦粉的改良機理。研究結果表明：改良粉土強度隨礦粉摻量增加而增大，隨養護時間的增加而增大，其強度及彈性模量增加主要發生在養護7～14 d內；在較短的養護時間內，礦粉改良粉土試樣的無側限抗壓強度就達到了未改良粉土試樣的3.52倍，彈性模量增大到7.63倍以上，說明礦粉改良粉土具有早強性；經礦粉改良后，礦粉水化產生的凝膠狀水化產物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙中，將粉土顆粒相互膠結，故經礦粉改良后的粉土強度顯著提升。研究結果可為粉土的改良應用提供理論參考。

關鍵詞：粉土；礦粉改良；路用性能；微觀機理

中圖分類號：U416.21

0"引言

粉土在我國廣泛分布，隨著高速公路建設事業的快速發展，在一些缺乏優質填料的地區修建路基時，從其他地方運輸優質填料面臨工程造價提升、工程進度緩慢的問題，若將建設線路周邊的粉土加以利用，不僅可以緩解優質填料不足的困境，還能減少工程固廢的產生。此外，礦粉是一種工業副產物，其中含有氧化鈣、氧化鎂等活性產物，具有一定的膠結能力，若采用礦粉對粉土進行改良后用作路基填料，可以顯著提升粉土的路用性能。

關于粉土路用性能的研究，張燕明等［1-3］研究了粉土的強度及抗變形能力，研究結果表明，在非飽和狀態下，粉土具有良好的強度及模量，能夠承受路基靜荷載及路面上傳下來的動荷載，但粉土若遇水浸泡，其強度及模量會顯著下降，在一些多雨地區使用粉土填筑路基，宜經過改良后才能使其具備較好的路用性能。關于粉土改良的研究，郭相平等［4-6］研究了水泥和石灰改良對粉土抗剪強度的影響，研究結果表明：粉土經過改良后，其粘聚力和內摩擦角都顯著增大，但粘聚力的增大更為顯著，通常可以將粘聚力提升2～5倍，且在飽和狀態下，改良粉土試樣的應力-應變曲線依然保持為軟化型，破壞模式由未改良時的延性破壞轉變為改良后的脆性破壞。對于采用礦粉改良的研究，劉曉林等［7-9］研究發現，將礦粉與路基填料拌和后碾壓密實，可以有效提高路基的安全系數，顯著降低路基的工后沉降，且改良路基發生翻漿冒泥、不均勻沉降病害的概率也顯著降低。但目前采用礦粉對粉土改良的研究相對較少，礦粉改良粉土的改良機理尚未揭示，很有必要對其進行深入系統的研究。

基于此，本文采用無側限抗壓試驗，研究礦粉摻量及養護時間對無側限抗壓強度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示礦粉的改良機理，研究結果可為粉土的改良應用提供理論參考。

1"試驗材料與試驗方案

1.1"試驗材料

試驗所用粉土取自某在建高速公路項目建設處。將取回后的試驗用土首先在實驗室中進行晾曬風干，過篩后將混入其中的碎石等雜物篩除，選取過篩后的土體進行試驗研究。因試驗用土顆粒粒徑較小，采用水篩法對其顆粒粒徑進行分析，其級配曲線如圖1所示，由圖1可知，試驗用土最大顆粒粒徑為2 mm，不均勻系數Cu為5.8，曲率系數Cc為1.9，表明試驗用土顆粒粒徑分布均勻且級配良好，顆粒粒徑介于0.005～0.075 mm的土顆粒被認定為粉粒，則本試驗用土中粉粒的含量占比高達75%。采用擊實試驗對試驗用土的最大干密度及最優含水率進行研究，擊實曲線如圖2所示。由圖2可知，試驗用土的最大干密度為1.79 g/cm3，最優含水率為14.2%。根據飽和度曲線可知，試驗用土的最優飽和度為78%。試驗所用粉土的其他物理特性見表1。

試驗所用礦粉為超細礦粉。該礦粉中含有大量的石灰石類副產物，具有顆粒小、活性高的特點。為使試驗用土與礦粉混合均勻，試驗所用礦粉顆粒粒徑都＜1 mm，初凝時間為70 min，終凝時間為200 min，比表面積為563 m2/kg。試驗所用礦粉的礦物組成及含量如表2所示。

1.2"試驗方案及試樣制備

為研究礦粉摻量及養護時間對粉土試樣無側限抗壓強度的影響，在保持初始干密度為1.70 g/cm3（壓實系數K=0.95），初始含水率為14.2%的條件下，僅改變礦粉摻量來研究礦粉摻量對粉土試樣無側限抗壓強度的影響。因礦粉摻量為8%時，其具有較高的無側限抗壓強度且有較多的強度儲備，故以礦粉摻量8%為例，研究養護時間對改良粉土無側限抗壓強度的影響，養護時間分別為3、7、14、28 d。礦粉摻量參照式（1）進行計算。將達到試驗條件的試樣進行抽氣飽和，對飽和后的試樣進行無側限抗壓試驗。試驗方案如表3所示。

rm=mmms×100%（1）

式中：rm——礦粉摻量（%）；

mm——干礦粉質量（g）；

ms——干粉土質量（g）。

將試驗所用粉土及礦粉放入105 ℃的烘箱中烘干，參照式（1）計算所需摻入礦粉質量，將礦粉及試驗用土手動拌和均勻，噴灑一定質量的蒸餾水，將其制備成目標含水率的試驗用土，保存于密封袋中至少12 h，充分進行水汽平衡。將水汽平衡結束后的實驗用土采用擊實制樣方式，分5層擊實成型，最后將制備好的試樣進行標準養護。

2"試驗結果與分析

2.1"礦粉摻量的影響

不同礦粉摻量試樣的應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可知，在飽和狀態下，未改良粉土試樣的應力-應變曲線為硬化型曲線，軸向應力沒有出現明顯的峰值，試樣在軸向壓縮過程中，試樣變形主要發生側向鼓脹，沒有產生明顯的裂紋。當采用礦粉對粉土進行改良后，礦粉改良試樣的應力-應變曲線全部轉變為軟化型，軸向應力存在明顯的峰值，在軸向受壓的過程中，當試樣達到了峰值抗壓強度后，試樣內部的微裂紋相互連通，出現了明顯的貫通裂縫。所以，經礦粉改良后，試樣飽和狀態下的應力-應變曲線由硬化型轉變為軟化型，破壞模型由延性破壞轉變為脆性破壞。此外，隨著礦粉摻量的增加，試樣達到峰值應力時的峰值應變在逐漸增加，由此可以說明，粉土強度隨礦粉摻量的提升，主要是由于摻入更多的礦粉能夠使試樣承受更大的應變而不產生破壞，并不是由于摻入更多的礦粉增大了試樣的彈性模量，因為不同礦粉摻量試樣的應力-應變曲線在彈性變形階段幾乎是重合的。

不同礦粉摻量改良試樣的無側限抗壓強度變化如下頁圖4所示。由圖4可知，經礦粉改良后，飽和粉土的無側限抗壓強度顯著增大，雖然無側限抗壓強度隨著礦粉摻量的增加而增大，但當礦粉含量＞4%后，無側限抗壓強度隨著礦粉摻量的增加并不顯著。將飽和狀態下礦粉改良試樣的無側限抗壓強度與未改良粉土試樣的無側限抗壓強度之比定義為強度增大系數，當采用礦粉對粉土進行改良后，其無側限抗壓強度至少為未改良飽和粉土試樣的3.9倍。

不同礦粉摻量改良試樣的彈性模量變化如圖5所示。由圖5可知，摻入礦粉改良后粉土的彈性模量顯著提升，同樣的，當礦粉摻量＞4%后，隨著礦粉含量的增加，改良試樣的彈性模量增加幅度并不顯著。將飽和狀態下改良粉土試樣的彈性模量與未改良粉土試樣的彈性模量之比定義為彈性模量增大系數，從中可以發現，當摻入礦粉對粉土進行改良后，改良試樣的彈性模量至少為未改良粉土試樣的7.75倍以上。

2.2"養護時間的影響

不同養護時間試樣應力-位移曲線變化如圖6所示。由圖6可知，不同養護時間試樣的應力-位移曲線全部為軟化型，破壞模式全部為脆性破壞，且隨著養護時間的增加，試樣峰值抗壓強度在逐漸增大，達到峰值應力所對應的峰值應變在逐漸減小。由此可以發現，養護時間對抗壓強度的影響，主要是隨著養護時間的增加，試樣彈性模量在逐漸增加，因為在彈性變形階段，養護時間越久的試樣其應力-應變曲線越陡。

峰值抗壓強度隨養護時間的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著養護時間的增加，峰值抗壓強度在逐漸增大，即便在較短的養護時間內（t≤3 d），礦粉改良試樣的無側限抗壓強度就達到了未改良粉土試樣的3.52倍，說明礦粉改良粉土具有早強性。在養護時間為7～14 d時，試樣無側限抗壓強度增加了482 kPa，無側限抗壓強度增加得最為顯著。

彈性模量隨養護時間的變化如圖8所示。由圖8可知，礦粉改良試樣彈性模量隨著養護時間的增加而逐漸增大，且即便在較短的養護時間內（t≤3 d），礦粉改良試樣的彈性模量增大為未改良試樣彈性模量的7.63倍以上，同樣說明了礦粉改良試樣具有早強性。在養護時間為7～14 d時，彈性模量增加了46.2 MPa，彈性模量在這段時間內增加得最為顯著，同樣也說明了隨著養護時間的增加，礦粉改良試樣無側限抗壓強度的提高，主要是提高了改良試樣的彈性模量，使試樣在更小的軸向應變情況下能承受更大的軸向荷載。

2.3"微觀機理

礦粉改良前后粉土的微觀形貌如圖9所示，由圖9可知，粉土顆粒相互咬合交錯排列，顆粒與顆粒之間的接觸多為面-面接觸或者面-邊接觸，顆粒邊界粗糙；經過礦粉改良后，礦粉水化產生的凝膠狀水化產物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙，將粉土顆粒相互膠結，故經礦粉改良后，粉土的強度顯著提升。

3"結語

本文通過分析礦粉改良對粉土無側限抗壓強度的影響規律，主要研究了礦粉摻量及養護時間對無側限抗壓強度的影響，并通過掃描電鏡試驗揭示了礦粉的改良機理，主要得到了如下結論：

（1）粉土強度隨礦粉摻量增加而增大，主要是由于摻入更多的礦粉能夠使試樣承受更大的應變而不產生破壞，并不是由于摻入更多的礦粉增大了試樣的彈性模量。

（2）在較短的養護時間內，礦粉改良試樣的無側限抗壓強度就達到了未改良粉土試樣的3.52倍，彈性模量就增大為未改良試樣彈性模量的7.63倍以上，表明礦粉改良粉土具有早強性。

（3）經過礦粉改良后，礦粉水化產生的凝膠狀水化產物附著在粉土顆粒表面，填充在粉土顆粒之間的孔隙，使粉土顆粒相互膠結。故經礦粉改良后，粉土的強度顯著提升。

參考文獻：

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