水泥摻量和齡期對渠道水泥土墊層抗拉強度的影響規律

2018-10-12 11:42:44王毓國張愛軍郭敏霞林志松

中國農村水利水電 2018年9期

王毓國，張愛軍，郭敏霞，林志松

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.廈門市政交通規劃設計院有限公司，福建廈門 361001)

0 引言

水泥土是通過在土體中摻入一定比例水泥進行壓實養護，提高土體的強度、承載力，減小土體的滲透性的一種土體改良加固技術。新疆伊犁某水電站渠道工程建設中遭遇渠基黃土濕陷問題，需要設置土基墊層來提高渠道的防滲性能，提高地基的承載能力，防止渠水下滲引發黃土濕陷，該墊層設計采用水泥土進行。

目前國內外對于水泥土的抗壓強度的研究成果較多，提出了水泥土抗壓強度與養護齡期、水泥摻量之間的關系。劉松玉[1]、Zhang R J[2]等給出了水泥土抗壓強度與水泥摻量的關系，N.C.Consoli[3]、S.Saitoh[4]、李建軍[5]等給出了水泥土抗壓強度與齡期的關系，G.A.Lorenzo[6,7]、曹智國[8]等提出了綜合考慮齡期與水泥摻量的水泥土抗壓強度表征參數。但是，對于水泥土抗拉強度的研究較少。本文對新疆伊犁黃土水泥土進行單軸拉伸試驗，分析總結了水泥摻量和養護齡期對水泥土抗拉強度的影響規律，并進行了不同水泥摻量和養護齡期水泥土的滲透試驗，探討其滲透規律。

1 試樣材料

本次試驗選用新疆伊犁黃土和堯柏P.C32.5R水泥進行，伊犁黃土基本物理性質見表1，堯柏水泥性質見表2。水泥土的配制參考《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233-2011)[9]。采用水泥土最優含水率17.5%、最大干密度1.69 g/cm3進行制樣。抗拉試樣中部直徑4 cm，中部有效長度10 cm，端部長度1.5 cm，漸變為圓臺，長度1 cm，體積216.4 cm3。滲透試樣高4 cm，底面積30 cm2，體積120 cm3。將制好的試樣置于養護缸內養護。水泥摻量為5%、10%、15%、20%，不同水泥摻量的試樣依養護齡期3、7、14、28 d分為4組，每組3個抗拉試樣，2個滲透試樣。

表1 新疆伊犁黃土的基本物理性質Tab.1 Basic physical properties of loess in Yili,Xinjiang

表2 水泥的性質Tab.2 Properties of cement

2 抗拉試驗

2.1 試驗方法

抗拉試驗采用本單位研制的單軸抗拉試驗儀進行(專利號201310651702)，試驗方法參考文獻[10]。試驗裝置包括試樣制備系統、拉伸系統和數據采集系統，見圖1、圖2。該試驗裝置通過一次靜壓成型技術制樣，可避免分層擊實制樣薄弱面的形成。將養護好的試樣置于單軸抗拉試驗儀的卡槽中，進行單軸拉伸試驗，拉伸速率為0.8 mm/min。

圖1 抗拉試樣模具Fig. Tensile test sample mold

圖2 單軸抗拉試驗儀Fig.2 Uniaxial tensile tester

2.2 試驗結果

2.2.1 抗拉強度

抗拉試驗得到不同水泥摻量(k)、不同齡期(t)的水泥土的拉應力(σt)～拉應變(εt)曲線見圖3、圖4。

圖4 不同水泥摻量水泥土拉應力～拉應變關系曲線Fig.4 Tensile stress～ tensile strain curves of different cement content cement soil

參考文獻[11]從微觀結構分析認為：水泥水化物晶體的生成使得水泥土的強度增大，同時由于水化物晶體破壞為脆性，使得水泥土受拉后呈脆性破壞。對比本次試驗中素土和水泥土的拉應力～拉應變曲線(見圖3、圖4、圖5)可以看出，素土的受拉破壞呈塑形，而水泥土的受拉破壞均呈脆性，驗證了文獻[11]的觀點。

試驗所得不同齡期、不同水泥摻量水泥土抗拉強度見表3、圖6、圖7。從表3、圖6、圖7可以看出：隨著水泥摻量、養護齡期的增大，試樣的抗拉強度較素土的抗拉強度有著很大幅度的提升，28d后20%水泥摻量的試樣抗拉強度為素土抗拉強度的30倍。

水泥土抗拉強度的提升不與水泥摻量、養護齡期的增大成正比。7～14 d水泥土抗拉強度的增長量占28 d水泥土抗拉強度的44%，因此，水泥土抗拉強度的增大主要集中在7～14 d，14 d以后水泥土抗拉強度的增加趨勢減緩。28 d后5%水泥摻量的水泥土抗拉強度為素土抗拉強度的12倍；10%水泥摻量的水泥土抗拉強度為素土抗拉強度的25倍；15%水泥摻量的水泥土抗拉強度為素土抗拉強度的28倍；20%水泥摻量的水泥土抗拉強度為素土抗拉強度的30倍。說明10%的水泥摻量就對試樣抗拉強度有了較大的提升，繼續增加水泥摻量時抗拉強度增幅趨緩。究其原因是當試樣中水泥過多無法充分反應時，水泥土強度提升進入惰性區[8]。因此認為，伊犁黃土水泥土中的水泥摻量宜在10%左右。

圖5 素土拉應力～拉應變曲線Fig.5 Soil tensile stress～tensile strain curve

水泥摻量/%不同齡期水泥土的抗拉強度/kPa3 d7 d14 d28 d0(素土)9.60563.461.2122.1120.01089.0109.2225.5243.11599.7102.0227.2270.920100.1170.7258.9289.4

圖6 養護齡期與抗拉強度關系曲線Fig.6 The relationship between curing age and tensile strength

圖7 水泥摻量與抗拉強度關系曲線Fig.7 The relationship between cement content and tensile strength

2.2.2 極限拉應變

試驗所得不同水泥摻量、不同齡期的水泥土極限拉應變見表4。水泥摻量與養護齡期對水泥土極限拉應變影響較小，與素土極限拉應變相比，兩者相差不大。素土極限拉應變與水泥土極限拉應變均集中在1.6%～3.7%，其值較小，說明水泥土在較小的拉應變發生時就產生破壞。

表4 水泥土極限拉應變Tab.4 Cement soil ultimate tensile strain

2.3 水泥土抗拉強度計算公式

水泥土抗拉強度與養護齡期的對數近似成線性關系(見圖8)，其參數a與水泥摻量有圖9所示的線性關系，進行歸一化處理可得到綜合考慮養護齡期與水泥摻量的水泥土抗拉強度計算公式[公式(1)]，其擬合結果見圖10，R2均大于0.8，試驗點與給出的擬合曲面符合較好。公式(1)可用于計算新疆伊犁黃土水泥土在28 d養護齡期內、20%水泥摻量下的水泥土抗拉強度。

圖8 養護齡期對數與拉應力關系曲線Fig.8 The relationship between logarithm of curing age and tensile stress

圖9 水泥摻量與參數a關系曲線Fig.9 The relationship between cement content and parameter a

圖10 公式(1)擬合結果Fig.10 Formula(1) fitting results

T=(ck+l) lgt+b

(1)

式中：T為水泥土的抗拉強度，kPa；k為水泥摻量，%；t為養護齡期，d；b、c、l為參數，本試驗得出b取素土抗拉強度值9.6，c為7.253，l為63.599。

3 滲透試驗

根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)[12]中的試驗方法，通過常水頭滲透試驗，得到不同齡期、不同水泥摻量水泥土試樣滲透系數見表5所示。

表5 滲透試驗數據匯總Tab.5 Summary of osmotic test date

滲透系數與水泥摻量、養護齡期關系不明顯，試驗所得水泥土滲透系數與素土滲透系數相差不大。主要有2點原因，一是試驗試樣養護環境不夠濕潤，水泥反應時與水反應并且放出大量水化熱，使得試樣中水減少，孔隙增大，滲透系數增大，因此養護條件對水泥土的抗滲性存在著很大的影響；二是試驗試樣所用新疆伊犁黃土性質較為特殊，含鹽量較高，最高達到19.2 g/kg[13]，含鹽量對于水泥土滲透性的影響還需要進一步研究。