水泥改性炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性研究

江威

【摘 要】為分析水泥對(duì)炭質(zhì)泥巖力學(xué)強(qiáng)度的改性效果，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同水泥摻量下炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。結(jié)果表明：水泥改性炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力隨應(yīng)變先快速增長(zhǎng)，到達(dá)峰值后又迅速降低;隨著水泥摻量的增加，炭質(zhì)泥巖的峰值應(yīng)力不斷增大，且峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小;改性炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而不斷增大。擬合得到改性炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可為炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性分析提供參考。

【關(guān)鍵詞】路堤工程;炭質(zhì)泥巖;水泥;應(yīng)力-應(yīng)變曲線;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0117-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.055

0 引言

炭質(zhì)泥巖在我國(guó)廣西、云南及貴州等濕熱地區(qū)廣泛分布，炭質(zhì)泥巖是一種性質(zhì)特殊的泥巖，具有濕脹干縮的特性。在天然狀態(tài)下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較緊密，強(qiáng)度也隨之增高[1-2];而在飽水狀態(tài)下，其孔隙率隨著飽水時(shí)間的增加而不斷增大，使得顆粒間的連接變得疏松力學(xué)性能也隨之降低，可誘發(fā)路堤邊坡失穩(wěn)[3-4]。因此，為防止因炭質(zhì)泥巖浸水軟化、強(qiáng)度降低而導(dǎo)致的工程事故，有必要對(duì)炭質(zhì)泥巖的力學(xué)性能進(jìn)行改良。

現(xiàn)有研究在土體的力學(xué)性能改性方面開展了一定的工作，王海湘等通過(guò)多種改性方法研究紅黏土抗剪強(qiáng)度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自然風(fēng)干后的天然紅黏土改性后能對(duì)力學(xué)性能提升效果更佳[5];崔素麗等開展黃土改性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)表明，向黃土中添加水泥窯灰可顯著降低其壓縮性和濕陷性，從而引起抗剪強(qiáng)度的提高[6];蘇建偉在膨脹土中摻加水泥研究水泥對(duì)膨脹土物理力學(xué)參數(shù)的影響，并結(jié)合工程實(shí)際探討相關(guān)工程的施工質(zhì)量控制措施[7];吳子龍等從微觀的角度揭示了鋼渣、偏高嶺土對(duì)水泥改性土的作用機(jī)制，結(jié)果表明：鋼渣和偏高嶺土主要通過(guò)改變水化產(chǎn)物的包裹形式和數(shù)量，使得水泥改性土的微觀結(jié)構(gòu)和孔徑分布發(fā)生改變[8]。上述研究主要針對(duì)水泥對(duì)紅黏土、黃土和膨脹土等的改性效果，而關(guān)于炭質(zhì)泥巖改性的室內(nèi)試驗(yàn)及理論研究鮮有所見(jiàn)，故有必要探究水泥對(duì)炭質(zhì)泥巖的改性效果。

本文通過(guò)靜三軸試驗(yàn)研究不同水泥摻量下炭質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變特性，分析水泥改性炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，構(gòu)建改性炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-水泥摻量關(guān)系模型，以期為炭質(zhì)泥巖路堤邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

于廣西六寨-河池高速公路炭質(zhì)泥巖路堤工點(diǎn)K18+500處取充分崩解的炭質(zhì)泥巖進(jìn)行X線衍射分析，并測(cè)試預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖的基本物理指標(biāo)，X射線衍射及基本性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。可知，預(yù)崩解炭質(zhì)泥巖中礦物成分豐富，主要包括石英、綠泥石、高嶺石，其余各礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于5%。化學(xué)成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主，其中SiO2占53.48%。預(yù)崩解后的炭質(zhì)泥巖與土的性質(zhì)類似，同樣具有擊實(shí)性能、最大干密度、最佳含水量等。

試驗(yàn)用水泥為長(zhǎng)沙縣跳馬澗建材公司生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥品質(zhì)符合《通用硅酸鹽水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB175—2007）[9]，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)水泥土標(biāo)準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)規(guī)程的要求，配置本次試驗(yàn)所需的水泥炭質(zhì)泥巖配合比，水泥摻量取0、2%、4%、6%、8%（占炭質(zhì)泥巖質(zhì)量），每個(gè)配比制3個(gè)平行試樣，最后取得3個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試樣的壓實(shí)度控制為98%，含水率為14%。養(yǎng)護(hù)齡期為7d。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

1.3 試樣制備

選取崩解完全的炭質(zhì)泥巖土樣，制作直徑39.1cm高度8cm的圓柱體試樣。具體制樣步驟為：（1）將取回的炭質(zhì)泥巖在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然崩解風(fēng)干，碾碎過(guò)2mm篩;（2）再將特定質(zhì)量的水泥（占炭質(zhì)泥巖質(zhì)量0、2%、4%、6%、8%）與炭質(zhì)泥巖、水充分混合均勻;（3）然后通過(guò)數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)采用靜壓法分3層壓制試樣;（4）試樣成型后放入恒溫保濕箱（溫度20±3℃，相對(duì)濕度>90%）中靜置7d以備試驗(yàn)使用。

1.4 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)在室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)儀器上進(jìn)行，在無(wú)圍壓條件下測(cè)得試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并繪制應(yīng)力-應(yīng)變變化的關(guān)系曲線，試驗(yàn)剪切的控制速率為0.8mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

不同水泥摻量條件下水泥改性炭質(zhì)泥巖7d應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖1，由圖可知，水泥摻量為0的炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力隨應(yīng)變緩慢增長(zhǎng)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為平順，無(wú)明顯的應(yīng)力峰值;摻加水泥的炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力隨應(yīng)變先快速增長(zhǎng)，到達(dá)峰值后又迅速降低;隨著水泥摻量的增加，炭質(zhì)泥巖的峰值應(yīng)力不斷增大，且峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小。表明摻加水泥可有效提升炭質(zhì)泥巖的強(qiáng)度，炭質(zhì)泥巖的塑性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧稀?/p>

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2為水泥改性炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（fcu）與水泥摻量（n）的關(guān)系圖，由圖可知，改性炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而不斷增大，二者具有正相關(guān)關(guān)系。摻加水泥可顯著增大炭質(zhì)泥巖的強(qiáng)度，水泥摻量為6%時(shí)，炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較無(wú)摻加水泥時(shí)增大了551%。擬合得到了改性炭質(zhì)泥巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系式，擬合系數(shù)可達(dá)99.38%，可為計(jì)算不同水泥摻量下炭質(zhì)泥巖的強(qiáng)度提供理論依據(jù)，進(jìn)而為炭質(zhì)泥巖路堤穩(wěn)定性計(jì)算提供參考。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水泥改性炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

（1）水泥改性炭質(zhì)泥巖的應(yīng)力隨應(yīng)變先快速增長(zhǎng)，到達(dá)峰值后又迅速降低;

（2）隨著水泥摻量的增加，炭質(zhì)泥巖的峰值應(yīng)力不斷增大，且峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變逐漸減小;

（3）改性炭質(zhì)泥巖的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而不斷增大。

【參考文獻(xiàn)】

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