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阅读 2585 次 水泥土复合材料物理力学性质研究

摘要:通过重型和轻型击实试验分别确定了1:9、1:6水泥土试样的最优含水量,并开展了一系列不同含水量水泥土试样在不同龄期时的无侧限抗压强度试验,探讨水泥土的强度与龄期、水泥掺量、含水量、养护条件等因素的关系,得到了水泥土的一些工程特性,可为工程应用提供参考。...

水泥土复合材料物理力学性质研究

戚明军1 郅彬2 李玉根3 杨亮4

1 陕西省建筑设计研究院有限责任公司,西安 710018 2西安科技大学 建筑与土木工程学院,西安 7100543榆林学院 建筑工程系,榆林 7190004中建三局集团有限公司西安事业部,西安 710075

1、引

水泥土作为一种复合材料,具有广泛的工程应用。除大量用于处理湿陷性黄土地基以外, 还广泛用于处理其他非饱和土和杂填土。但关于水泥土的工程特性研究较少,理论研究远远落后于工程实践。目前,由于水泥灰土在工程实践中的广泛应用,关于水泥灰土的研究逐渐增多,并积累了一定的成果。韩晓雷等[1]通过不同灰土配比的击实试验和无侧限抗压强度试验,探讨了影响灰土强度的主要因素;徐秀香[2]和王蓉[3]、王超楠[4]对纯灰土试样及不同配比水泥灰土试样开展一系列室内试验,得到了水泥灰土的强度与龄期、水泥掺入量、含水量、围压、养护条件等因素的关系。本文在已有研究成果的基础上进行了水泥土物理及工程特性研究。通过对1:91:6水泥土试样进行重型和轻型击实试验、不同含水量状态下无侧限抗压强度等一系列试验,探讨水泥掺量、龄期、含水量等各种因素对水泥土工程性质的影响,对水泥土作为工程填料具有一定的理论价值和工程实践意义。

2、室内试验

2.1 试验材料

试验所用的土料取自西安科技大学东南角土崖,为全扰动新近堆积黄土,其主要物理性质指标见表1。实验所用水泥为陕西省铜川市耀州区生产的“秦岭”牌32.5#复合硅酸盐水泥。

1 土料物理性质参数

比重

液限

塑限

塑性指数

2.71

31.4%

22.0%

9.4

2.2 试验方案

试验所用的灰土试样均按照《土工试验方法标准》[5]制备。将土在室内风干,再将碾碎的土过0.5 mm 筛,将水泥与土料按体积比为1:916配置水泥土。然后通过轻型击实和重型击实实验确定1:916两种配比水泥土的的最优含水量以及最大干密度。无侧限抗压强度试样的养护龄期分别取为 1 d3d5d10 d15d30 d60 d,含水量控制在最优含水量附近。另外,为了充分了解水泥灰土的水稳定性,在无侧限抗压强度试验的基础上测定其软化系数。

3、试验结果分析

通过轻型和重型击实试验,确定出各种配比水泥土的最优含水量及最大干密度,如表1所示。可以看出:①重型击实作用下较轻型击实作用下时最优含水量低,最大干密度大;②水泥掺量大的试样最优含水较水泥掺量小的试样最优含水量高,最大干密度小。如表1所示,1:9水泥土和1:6水泥土的重型击实比轻型击实最优含水量分别降低8.3%17.9%。各配比水泥土在不同含水量和不同击实功作用下无侧限抗压强度曲线如图1~4所示。

1 不同配比水泥土的最优含水量

配比

击实方法

最优含水量

%

最大干密度((g/ cm3)

1:9水泥土

轻型击实

24%

1.50

重型击实

22%

1.60

1:6水泥土

轻型击实

28%

1.48

重型击实

23%

1.57

3.1龄期及击实功对抗压强度的影响

从图1~4可以看出:① 随着龄期的增长各配比水泥土的强度均呈现出增长趋势;② 轻型击实水泥土的龄期-强度曲线在10d左右会出现一个拐点,但拐点处抗压强度与60d时的强度的相比较小,一般为60天时抗压强度的0.30.6;③重型击实水泥土的龄期-强度曲线没有明显的强度拐点,强度增长相对轻型击实比较均匀。

2为不同配比水泥土在最优含水率状态下不同龄期的强度。可以看出:①击实能量对试样强度

1 1:9水泥土轻型击实强度曲线

2 1:9水泥土重型击实强度曲线

3 1:6水泥土轻型击实强度曲线

4 1:6水泥土重型击实强度曲线

影响巨大,最优含水量状态下1:9水泥土、1:6水泥土在重型击实的情况下比其轻型击实分别提高约69.44%60.77%;②水泥掺入量对试样强度也有一定影响,最优含水量状态下,两种水泥土早期强度相当,但60天龄期时的强度1:6水泥土在轻型和重型击实情况下比1:9水泥土的强度分别提高15.7%11.2%

2 不同配比水泥土在最优含水率状态下不同龄期的强度(kPa

配比

1d

3d

5d

10d

15d

30d

60d

1:9水泥土

轻型

660.79

784.69

878.32

1043.17

1100.23

1249.24

2023.95

重型

1065.05

1116.69

1940.94

3429.40

1:6水泥土

轻型

511.63

745.49

1045.51

1211.47

1236.23

2400.98

重型

1102.82

1144.72

1517.09

3860.09

注:表格中1:9水泥土轻型击实15d数据,实际为19d

3.2含水量对抗压强度的影响

为比较含水量对水泥土的影响,选取不同含水量的土样进行对比。不同含水量水泥土的抗压强度曲线见图1~4。可以看出同一配比的水泥土、越接近于最优含水量,其抗压强度越大,含水量离最优含水量越远的试样强度越低。随着龄期的增长这种现象愈发明显,到后期最优含水量的强度曲线从其他含水量的强度曲线中逐渐向上分离出来。高于最优含水量的试样较低于最优含水量的试样强度下降更为显著,因而,在实际工程应用中含水量的选取建议采取“宁低勿高”的原则。

3.3 水稳定性

水稳定性是衡量和评价填料工程性质的一个重要指标,一般采用软化系数来进行评价。软化系数是指填料饱和状态下的抗压强度与普通潮湿状态下强度之比。表2给出了重型击实作用下16水泥土在不同含水量时的软化系数(为了便于比较,文中将最优含水量的试验数据加粗)。可见,在最优含水量水泥土的软化系数最高,水稳定性最好。

2 不同配比水泥土的软化系数(60d

配比

击实方法

含水量w

%

软化系数

1:6水泥土

重型击实

23.04%

0.91

26.25%

0.50

28.22%

0.65

3.4 变形性状

对于实际工程中的夯实挤密桩来讲,它们的工作环境都会受到围压的作用,故其破坏形式多具有塑性破坏的特点。水泥土试样破坏形式与水泥灰土类似,在较短龄期(30d以内)表现出原状土的形式,多表现出应变较大的塑性破坏;随着龄期的增长(60d以后)水泥土试样的各项力学性状逐渐展现出岩石试样的性质,多表现出应变较小的脆性破坏。从大量的无侧限抗压强度试验中发现,所得的应力-应变曲线大多可分为三个显著区别的阶段[2],如图5所示。

5 水泥土典型应力—应变曲线

(1)弹性变形阶段:从开始加载至P1点,该阶段应力较小,变形主要来自于试样团粒和凝结材料结晶体产生的弹性变形,应力应变曲线大致为直线,变形在卸载之后可以恢复。

(2)塑性强化阶段:该阶段的终点P2对应于应力应变曲线的峰值强度。应力-应变曲线进入弯曲段,斜率减小的同时变形增长速率逐渐增大,压应力增长速率逐渐减小。表明试样内部微裂隙逐渐扩展、贯穿并逐渐发展成为明显可见的裂纹和裂缝。

(3)残余软化阶段:当加载应力超过试样的极限强度后,即应力应变曲线开始向下弯曲, 应变持续增长的同时应力降低,出现明显的软化特征。此时虽然试样不能承担更大的荷载,但由于破裂面两侧的摩擦咬合作用没有出现压应力突然急剧下降的现象,试样还能承受一定的荷载。

4、结论

通过对1:61:9水泥土试样进行重型和轻型击实作用,得出其最有含水量,并进行不同含水量作用下无侧限抗压强度试验以及水稳定性试验,分析龄期、含水量、水泥掺量等因素对水泥土工程性质的影响,得到结论如下:

(1) 水泥含量及击实功对水泥土最优含水量和最大干密度都有较大影响。水泥掺量的影响相对较小;击实程度对试样的强度等方面影响巨大,相同配比的试样,击实功大时试样的强度比击实功小的试样强度高;

(2)水泥土强度随龄期增长较均匀,轻型击实情况下试样在10d左右会出现一个拐点,一般为60d的强度0.30.6;重型击实情况下水泥土的龄期-强度曲线没有明显的强度拐点;

(3) 含水量对水泥土的强度影响较大。试样越接近最优含水量,相应的抗压强度越大,含水量离最优含水量越远的试样强度越低,且高于最优含水量的试样较低于最优含水量的试样强度下降更为明显;

(4) 在最优含水量时水泥土的水稳定性最好;

(5) 水泥土试样在龄期较短时多出现塑性破坏;随龄期的增长逐渐呈现为脆性破坏。典型的水泥土应力应变曲线呈现出3个明显的阶段:弹性变形阶段,塑性强化阶段以及残余软化阶段。

参考文献

[1] 韩晓雷,郅彬,郭志勇,灰土强度影响因素研究岩土工程学报200224(5)667-669.

[2] 徐秀香,王蓉.水泥灰土特性的试验研究沈阳建筑大学学报(自然科学版). 200622(6)911-915.

[3] 王蓉,水泥灰土强度影响因素及其力学损伤模型初探与灰土挤密桩复合地基承载力的概率分析西安:西安建筑科技大学,2005.

[4] 王超楠,水泥灰土的强度特性及工程应用研究西安:西安建筑科技大学,2005.

[5]土工实验方法标准(GB/T 50123-1999).北京:中国计划出版社,1999.

(本文来源:陕西省土木建筑学会 文径网络:刘军 吕琳琳 编辑 刘真 文径 审核)

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