水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度影響因素試驗研究

安芃芃,劉文曉,楊有海,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;2.河西學院土木工程學院,甘肅張掖 734000)

水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度影響因素試驗研究

安芃芃1,劉文曉1,楊有海1,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;2.河西學院土木工程學院,甘肅張掖 734000)

蘭州至中川機場鐵路工程沿線大多地段屬于飽和黃土地基,承載力低,壓縮性大,采取水泥土攪拌樁復合地基進行加固。對水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度特性進行試驗研究。在不同的水泥和粉煤灰(以下簡稱“二灰”)摻和比、不同的齡期、不同的水泥強度等級下,分析水泥土無側限抗壓強度的變化規律。試驗結果表明:水泥土無側限抗壓強度隨二灰摻量、齡期的增加而增大,二灰摻量為20%的水泥土無側限抗壓強度是二灰摻量為15%的1.42倍,是二灰摻量12%的1.9倍;當二灰總摻入量不變,粉煤灰摻入量占二灰比例為1/5、1/4、1/3時,水泥土強度略有降低;水泥土無側限抗壓強度隨水泥強度等級的提高而顯著增大,且隨二灰摻量的增加,水泥土強度增加幅度增大。

黃土地區;鐵路路基;二灰摻入比;水泥強度;齡期;無側限抗壓強度

黃土作為干旱和半干旱地區一種特殊的沉積物,以粉粒為主,富含鈣質的粉土或粉質黏土,廣泛分布于我國的華北和西北等地區。天然黃土大多含水率低,干燥時比較堅固。但是,當含水率增加、飽和度大于80%時,形成飽和黃土,具有承載力低、抗剪強度低、沉降量大及沉降不均勻等不良的工程性質[1]。對于飽和黃土地基的加固處理技術,已經做了一定的研究,文獻[2]通過單樁荷載試驗與群樁荷載試驗,研究了水泥攪拌樁處理飽和黃土地基的可行性。文獻[3]研究了用土工格室加固飽和黃土地基的方法,認為適宜于處理厚度小于3 m的淺層飽和黃土地基,加固后地基承載力可提高2～3倍,并提出了土工格室加筋體地基承載力的計算公式。文獻[4]通過低應變動測檢測了水泥土攪拌樁結構完整性和通過靜荷載試驗檢測水泥土攪拌樁復合地基承載力,分析了水泥土攪拌樁復合地基的加固效果。

在蘭州到中川機場鐵路工程中,沿線分布著大量的飽和黃土,天然地基無法滿足工程建設的要求,必須進行加固處理。設計中選用水泥粉煤灰攪拌樁加固飽和黃土地基。對水泥粉煤灰攪拌飽和黃土(以下簡稱“二灰土”)的強度特性進行研究,探討二灰摻入量、齡期、水泥強度等級等因素對其影響規律,為工程設計、施工參數選取提供依據。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

土樣取自蘭州到中川機場鐵路路基飽和黃土,取土為地面深度0.5 m以下范圍內的原狀土和擾動土,土樣經自然風干、碾碎、過5 mm篩而成。水泥選用32.5級、42.5級祁連山普通硅酸鹽水泥,試驗所用外摻劑是與實際工程相同類型的西安驛馬生產的粉煤灰,試樣制備用水和試樣養護用水均取自自來水。

1.2 試驗方法及試樣制備

稱取適量的試驗用土,計算出配置成含水率為30%的飽和黃土所需要的用水量,根據試驗設計的配合比分別計算出飽和黃土中所需的水泥用量和粉煤灰用量,以及根據水灰比為0.55,計算出水泥水化所需要的水。將風干土與水泥、粉煤灰放在攪拌器內人工攪拌均勻,然后加入所需的水量充分攪拌至各組成材料混和均勻,然后開始制備試樣。

無側限抗壓強度的立方體試塊尺寸為70.7 mm× 70.7 mm×70.7 mm,在選定的試模內先裝入一半試料,放在振動臺上振動1 min后,裝入其余的試料后再振動1 min。最后,將試樣表面刮平,在(20±1)℃的環境條件下靜置48 h后拆模、編號,每組做6個平行試驗。然后,將試樣分別進行水中養護和標準養護,齡期達到7、28、60、90 d時進行無側限抗壓強度試驗。分析不同二灰摻入比例、不同齡期、不同水泥等級下,二灰土無側限抗壓強度的影響因素及其變化規律。

2 強度特性試驗結果分析

2.1 二灰摻入量、齡期對二灰土強度變化規律的影響

(1)二灰總摻入量與二灰土強度的關系

二灰總摻入量(aw)是指摻入二灰的總質量占被加固飽和黃土質量的百分比,本試驗采用二灰總摻入量分別為7%、12%、15%、18%、20%、25%,32.5級祁連山普通硅酸鹽水泥,水泥與粉煤灰質量比為2∶1,齡期(T)7、28、60、90 d,進行水中養護,二灰土試塊在不同的二灰總摻入量下的無側限抗壓強度,如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度與二灰摻入量的關系

由圖1可見,不同養護時間的水泥土的無側限抗壓強度均隨二灰總摻入量的增加而逐漸增大,且養護時間越長,不同摻入量的二灰土強度差值越大。齡期90 d,二灰摻量20%的二灰土無側限抗壓強度是二灰摻量15%的1.42倍,是二灰摻量12%的1.9倍。水泥土無側限抗壓強度(qu)與二灰摻量(aw)進行曲線擬合,兩者的關系較好地符合指數函數關系,即

以28、90 d齡期試樣試驗結果為例,按式(1)進行回歸分析,如圖2所示。

圖2 qu與aw的相關性分析

擬合關系式如式(2)、(3)所示

由圖2可見,qu與aw呈式(1)所示的指數函數關系,相關系數較高;但在不同齡期的情況下,式(1)中參數a、b的取值不同。

(2)齡期與二灰土強度的關系(圖3)

圖3 無側限抗壓強度與齡期的關系

圖4 強度與粉煤灰摻量所占二灰比例的關系

由圖3可見,二灰土的無側限抗壓強度隨齡期的增長而增加,齡期超過28 d,二灰土的強度仍有明顯的增長,持續增長到90 d。二灰摻量12%、20%時,齡期90 d的二灰土的無側限抗壓強度是齡期28 d的2.4倍;是齡期7 d的5.8倍。因此,在工程實踐中,應合理利用二灰土的后期強度。二灰摻入量越大,二灰土強度隨齡期的增長幅度也越大。

根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2002)的規定,水泥土的標準強度取90 d齡期試塊的立方體無側限抗壓強度值,但是,在實際工程應用中,水泥土樁的檢測一般僅在成樁后3～4周內完成,因此,需要用水泥土的早期強度預測水泥土90 d的標準強度。

已有研究成果表明[5]:qu,7～qu,28、qu,28～qu,90之間存在一定的換算關系,本次試驗得出以下結論

且不同齡期強度之間存在以下比例關系

式中 qu,7——7 d齡期無側限抗壓強度值;

qu,28——28 d齡期無側限抗壓強度值;

qu,90——90 d齡期無側限抗壓強度值。

2.2 二灰摻入量、齡期對二灰土強度變化規律的影響

(1)粉煤灰與水泥摻入比例對二灰土強度的影響

在二灰土的無側限抗壓強度試驗中,粉煤灰與水泥以不同的比例摻入,二灰土強度呈現出一定的變化規律,采用32.5級祁連山普通硅酸鹽水泥,二灰摻量分別為12%和20%。粉煤灰摻量所占二灰總量的比例為1/3、1/4、1/5與純水泥。進行水中養護,二灰土試塊在不同的粉煤灰摻入比例下的28 d無側限抗壓強度,如圖4所示。

由圖4可見,當粉煤灰摻量所占二灰總量比例不變時,二灰土的強度隨著二灰總摻量的增加而增大。分析粉煤灰摻入量所占二灰總量比例為1/3、1/4、1/5及摻純水泥的情況下二灰土的強度變化趨勢,不同二灰摻量的二灰土無側限抗壓強度均隨粉煤灰摻入量所占二灰比例的增加有略微降低的趨勢,但強度降低趨勢并不明顯。二灰摻量為12%,粉煤灰所占二灰比例1/3時的二灰土強度,與純水泥的二灰土相比,強度降低19%。二灰摻入比為20%,粉煤灰所占二灰比例1/3時的二灰土強度,與純水泥的二灰土相比,強度降低10%,均能滿足室內試驗對試塊強度的要求,且隨二灰摻入量的增加,粉煤灰摻入量所占二灰比例為1/3、1/4、1/5與純水泥時,二灰土試件抗壓強度的差別在逐漸減小。由于粉煤灰價格比較低,在滿足工程要求的情況下,摻入一定量的粉煤灰,可降低實際工程的經濟成本。

(2)外加劑粉煤灰對水泥土強度的影響

粉煤灰中的二氧化硅和三氧化二鋁有化學活性,能與水泥水化產生的氫氧化鈣反應,生成類似水泥水化產物中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,它可作為膠凝材料的一部分,可起到強度提高作用[6],本試驗分別采用摻量為12%的純水泥和12%的水泥摻入6%的粉煤灰,32.5級祁連山普通硅酸鹽水泥。進行水中養護,不同摻量的二灰土試塊在不同齡期下的無側限抗壓強度如圖5所示。

圖5 無側限抗壓強度與粉煤灰摻入量的關系

由圖5可見,摻入粉煤灰的二灰土試塊較水泥土試塊無側限抗壓強度隨各齡期都有較明顯的增加。在水泥土中摻入適量粉煤灰可以提高水泥土的抗壓強度,尤其有利于后期抗壓強度增長。這是由于粉煤灰火山灰反應的發生在粉煤灰玻璃微球表層不斷地生成火山灰反應產物,這些微小顆粒的生成不斷地布于土和水泥水化物的集相之中,減少了水泥土體中含氣量,降低水泥土體泌水性,不斷地“細化孔隙”,水泥土結構不斷密實,強度不斷增強。

2.3 水泥強度等級對二灰土強度變化規律的影響

不同的水泥強度等級對二灰土的強度有著顯著的影響,分別采用32.5級和42.5級祁連山普通硅酸鹽水泥,二灰摻量為12%、20%、25%,水泥與粉煤灰比例為2∶1,進行水中養護,水泥土試塊28、90 d無側限抗壓強度與水泥強度等級的關系如圖6所示。

圖6 二灰土強度與水泥強度等級的關系

由圖6可見,在二灰摻量相同的情況下,二灰土的強度隨水泥強度等級的提高而增加。且隨著二灰摻量的增加,二灰土強度隨水泥強度等級的提高增加幅度更大。采用不同的水泥強度等級,二灰土無側限抗壓強度值之間存在下列關系式

當T=28 d時,

當T=90 d時,

式中 qu,32.5——P.O.32.5的二灰土無側限抗壓強度值;

qu,42.5——P.O.42.5的二灰土無側限抗壓強度值。

采用高強度等級的水泥對提高二灰土強度有顯著的效果,但考慮到經濟成本及施工技術的可行性,水泥強度等級的選用視工程實際情況而定。

3 結論

(1)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的無側限抗壓強度隨二灰摻入量的增加而逐漸增大,且養護時間越長,不同摻入量的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度差值越大。齡期90 d,二灰摻量20%的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度是二灰摻量15%的1.42倍,是二灰摻量12%的 1.9倍。

(2)水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的無側限抗壓強度有明顯的齡期效應,隨齡期的增長而增大,二灰摻量12%、20%時,齡期90 d的水泥粉煤灰攪拌飽和黃土無側限抗壓強度是齡期28 d的2.4倍;是齡期7 d的5.8倍。

(3)二灰總摻量相同,粉煤灰摻入量所占二灰比例為1/3、1/4、1/5與摻純水泥時,水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強度略有降低。因此,摻入一定量的粉煤灰,可降低實際工程的經濟成本。水泥摻入量相同時,摻入一定量的外加劑粉煤灰可顯著提高水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強度。

(4)在二灰摻量相同的情況下,水泥粉煤灰攪拌飽和黃土的強度隨水泥強度等級的提高而增加。且隨著二灰摻量的增加,水泥粉煤灰攪拌飽和黃土強度隨水泥強度等級的提高增加幅度增大。考慮到經濟成本及施工技術的可行性,水泥強度等級的選用視工程實際情況而定。

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Experimental Research on the Factors Affecting the Strength of Saturated Loess Mixed with Cement and Fly Ash

AN Peng-peng1,LIU Wen-xiao1,YANG You-hai1,2
(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China; 2.School of Civil Engineering,Hexi College,Zhangye 734000,Gansu,China)

Most of sections along Lanzhou to Zhongchuan Airport Railway Engineering fall into the saturated foundation with low bearing capacity,high compressibility and are reinforced by composite cement-soil mixed pile foundations.The strength performances of cement-fly-ash mixed saturated loess are tested and studied.Under such conditions with different cement and fly ash(hereinafter referred to as the "two ash")admixture ratio,different cement strength grade,different age,the variation of unconfined compressive strength of cement soil is analyzed.The test results show that the unconfined compressive strength increases with the increasing of two ash admixture,age,the unconfined compressive strength of two ash admixture for cement soil 20%is 1.42 times of two ash admixture 15%,and is 1.9 times of the two ash admixture 12%;when the total admixture of two ash is unchanged,with fly ash in total of two ash ratio of 1/5,1/4,1/3,cement soil strength decreases slightly;the unconfined compressive strength of cement soil increases obviously with the increasing of strength grade of cement,and the strength of cement soil increases dramatically with the increasing of the amount of cement and fly ash.

Loess region;Railroad subgrade;Cement fly ash mixing ratio;Cement strength;Curing time;Unconfined compressive strength

U213.1+4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.015

1004-2954(2014)12-0059-04

2014-04-10;

2014-04-21

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2013G009-N)

安芃芃(1988—),女,碩士研究生,E-mail:849037734@ qq.com。