沖擊荷載作用下改良水泥-粉煤灰試樣力學特性研究

周盛全，張勇飛，徐 穎，李棟偉

(1. 安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001； 2. 東華理工大學 土木與建筑工程學院，南昌 330013)

堆積粉煤灰是一種軟弱地層，具有含水量高，壓縮性大的特點[1-3]。作為建筑物地基，現有工程案例表明在堆積粉煤灰地層中摻入水泥，可以有效的提高地基承載力，減小沉降量[4-5]。諸多學者通過多種手段探究如何提高水泥土的強度，例如摻入纖維[6-7]，摻入不同固化劑[8-9]等方法。而堆積粉煤灰作為一種特殊地層，其中粉煤灰具有火山灰性質，即在堿性環境中，酸性氧化物發生水化反應[10-11]。石膏與石灰作為常用的固化劑，被廣泛運用于水泥土工程中，同時石膏與石灰可以激發粉煤灰的活性[12-14]，相應的研究成果表明石膏和石灰等都是提高水泥-粉煤灰強度的有效材料。

Pradip等[15]通過了SEM(Scanning Electron Microscope)和XRD(X-Ray Diffraction)等手段，分析了粉煤灰水泥試樣，得到了活化的粉煤灰與水泥共同作用產生水化產物的結論。Mahdi等[16]探究了水泥粉煤灰試樣的強度變化規律，結果表明水泥粉煤灰試樣早期強度增長速率低，后期強度增長速率快的規律。Zhou等[17]對比分析了石灰含量為0%，5%的石灰粉煤灰改良膨脹土試驗，得到了摻入石灰后，試樣強度明顯提升的結論，并從微觀角度解釋了由于石灰的摻入，使得體系中的水化產物增多，造成試樣強度的提升；摻入石灰可以有效提高水泥粉煤灰試樣的強度，但試樣前期強度增長較低[18]。Poon等[19]分析了在水泥粉煤灰試樣中摻入石膏對試樣強度的影響，得出了石膏僅在固化后期才作為活化劑的作用。上述研究表明摻入石灰和石膏后，水泥-粉煤灰體系的性能有顯著改變的結論。

上述工作為水泥-粉煤灰靜態力學特性的研究積累了豐富的經驗。但水泥-粉煤灰復合地基不僅承受靜態荷載的作用，有時也承受動態荷載的作用。例如，工程實際中施工振動，車輛沖擊和地震都會對水泥-粉煤灰復合地基產生沖擊作用[20-21]。國內外學者對沖擊荷載作用下材料的力學特性開展了大量研究，他們的成果表明：材料受到沖擊荷載作用時所表現的動態力學特性與靜態荷載作用下的靜態特性存在明顯的差異，表現為隨著應變率的提高，材料的屈服極限提高，強度極限提高，延伸率降低，以及屈服滯后和斷裂滯后等現象變得明顯起來[22-23]。Chen等[24]通過使用分離式霍普金森壓桿，研究了不同粉煤灰摻量下的水泥復合材料的動態力學性能，得到了粉煤灰水泥復合材料在沖擊過程中表現出應變率依賴性和塑性流動的結果。Mohamed等[25]采用了SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)等試驗手段，探究了應變速率在30.12～101.42 s-1的高摻量粉煤灰下的混凝土的力學性能，結果表明粉煤灰水泥試樣的抗沖擊性較純水泥試樣得到了顯著提升。迄今為止，國內外學者對于粉煤灰在混凝土中的應用作了大量研究，并取得了豐碩成果。然而對于以粉煤灰為主的粉煤灰-水泥體系在受到沖擊荷載作用下的研究較少，且目前關于改良后的水泥粉煤灰試樣在沖擊和在沖擊荷載下的動態力學特性鮮有研究。

基于此，本文通過采用SHPB試驗裝置研究石灰和石膏改良水泥粉煤灰在沖擊荷載作用下的力學特性，通過探究DCS(Dynamic Compressive Strength)隨養護時間的變化規律，找出摻量的最優值。本文的研究，旨在為水泥土(水泥-粉煤灰)加固堆積粉煤灰地層的設計和施工提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用粉煤灰取自位于淮南上窯原貯灰場內的建筑工地，水泥采用32.5強度等級的復合硅酸鹽水泥。堆積粉煤灰粒徑分布見表1，化學成分如表2所示，圖1給出了粉煤灰的XRD圖譜。可以看出粉煤灰顆粒主要集中在0.1～0.25 mm，顆粒較細，SiO2與Al2O3的含量累計占87.68%，XRD圖譜顯示堆積粉煤灰主要是由莫來石相和石英相組成。石灰選用Ca(OH)2含量為98.2%的熟石灰，石膏選用CaSO4粉末。

表1 粉煤灰的粒徑組成

表2 粉煤灰化學成分

圖1 粉煤灰XRD圖譜Fig.1 The XRD spectrum of fly ash

1.2 試樣制備

將粉煤灰過5 mm孔徑篩，篩除大顆粒結核物和雜質，放入105 ℃的烘箱進行烘干，得到干燥狀態下的粉煤灰。表3給出了改良劑配比，含水率和養護齡期的參數，選用水泥摻量為12%(水泥與粉煤灰的質量比)，將石膏與石灰按0%，3%，6%，9%，12%的摻入比(石膏與石灰和粉煤灰的質量比)，分別摻入到水泥粉煤灰混合料中，制備含水率為35%的試樣。將干燥的粉煤灰，水泥，石膏與石灰按照配合比，依次放入攪拌機中，攪拌均勻后，裝入直徑50 mm，高度25 mm的圓柱體模具(模具內均勻涂抹脫模劑)內并放置到振動臺上，振動密實，刮平表面，覆蓋保鮮膜。脫模后將試樣放入到飽和Ca(OH)2溶液中進行養護，直至到達齡期(30 d和90 d)，為提高實驗精度，減小端部摩擦效應對試驗結果的影響，將試樣兩端面的平行度控制在±0.05 mm以內，表面平面度在±0.02 mm以內。

1.3 試驗儀器

如圖2所示，試驗裝置采用φ50 mm變截面SHPB試驗系統進行試驗，主要包括加載系統，子彈，入射桿，透射桿，信號采集系統和能量吸收裝置。其中撞擊桿長度為0.6 m，入射桿和透射桿長度分別為2.4 m，1.2 m,壓桿材質均為合金鋼。密度，彈性模量和縱波波速分別為7.8 g/cm3，210 GPa和5 190 m/s。試驗氣壓均采用0.20 MPa，由于水泥粉煤灰材料波阻抗相對較低，透射波信號較弱，在透射桿上粘貼半導體應變片。

表3 試樣制備的相關參數

圖2 SHPB試驗系統Fig.2 The device of SHPB

為確保試驗滿足應力、應變均勻性假設，以及降低端部摩擦與慣性效應等因素對試驗效果的影響。試驗時在試樣兩端面涂抹凡士林，保證試樣兩端面與彈性桿充分接觸，消除端部摩擦效應的影響[26]。此外，使用波形整形器不僅有效減小了波形震蕩，消除了彌散效應，而且有效增大了入射脈沖的上升延時間，這對于沖擊過程中試樣兩端達到應力平衡及實現近似恒應變率加載是十分必要的，保證入射桿、試樣和透射桿共軸線[27-28]。

2 試驗結果及分析

圖3給出典型SHPB試驗結果波形曲線，包含有入射波，反射波和透射波。

圖3 典型SHPB試驗結果波形曲線Fig.3 The typical waveforms of the samples

采用簡化三波法處理試驗數據[29-30]，其中數據處理按照式(1)～式(3)

(1)

(2)

(3)

2.1 水泥-粉煤灰體系DCS變化規律

圖4給出了水泥-粉煤灰(C12)試樣在養護齡期為30 d和90 d下，試樣動態應力-應變關系曲線圖。在30 d養護齡期下，應力隨著應變先增長后保持穩定，具有明顯的屈服平臺，直到試樣破壞后應力降低，呈現出典型塑性破壞特征。當養護齡期為90 d時，試樣呈現出典型脆性破壞特征，即首先應力隨著應變呈近似直線式增長，到達應力峰值后，應力快速減小，試樣破壞。在0.2 MPa的沖擊氣壓下，C12試樣30 d的DCS為1.99 MPa，90 d DCS為5.13 MPa，表明試樣的DCS隨著養護齡期的增加而顯著增加。

圖4 水泥-粉煤灰試樣動態應力-應變曲線Fig.4 The dynamic stress-strain curves of cement-fly ash samples

2.2 石膏改良水泥-粉煤灰動態力學特性

圖5給出了不同石膏摻量下水泥-粉煤灰試樣30 d和90 d的動態應力-應變關系曲線。可以看出在不同石膏摻量以及養護齡期因素影響下，應力-應變曲線呈現出不同的變化規律。在圖5(a)中，養護齡期為30 d時，石膏摻量為3%的試樣呈現明顯的塑性破壞特征，即應力達到峰值后，出現屈服平臺；石膏摻量為6%和9%時，σ-ε曲線峰前，應力出現階段性增長，前期增長速率大于后期，即隨著應變的增大，應力到達拐點后繼續上升直至到達峰值，同時應力峰值下的應變高于摻量為3%的試樣，表明試樣破壞應變繼續增強；當石膏摻量為12%時，應力隨著應變緩慢增長，到達峰值后緩慢降低，同時其峰值強度最小。從圖5(b)可以看出，養護齡期為90 d，石膏摻量為3%，6%和9%時，σ-ε曲線變化規律相似，即首先為彈性階段，隨后進入塑性階段，最后隨著應變的繼續增加，應力逐漸減小，摻量為3%和6%時，σ-ε曲線彈性階段長度明顯大于塑性變形階段，而9%摻量下，其線彈性階段與塑性變形階段長度相近，這一現象說明試樣隨石膏摻量的增加，延性逐漸增強[31]；摻量為12%時，試樣呈現明顯的塑性破壞特征。同種石膏摻量、不同養護齡期時，石膏-水泥-粉煤灰試樣σ-ε曲線形態具有較大差異，但后期(90 d)試樣σ-ε曲線較前期(30 d)有明顯左移現象，且應力峰值的ε較小，說明隨著養護齡期的增加，試樣的脆性不斷增長。

圖5 不同齡期、不同配合比的石膏-水泥-粉煤灰動態應力-應變曲線Fig.5 The dynamic stress-strain curves of gypsum-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同養護齡期下，改良水泥-粉煤灰試樣DCS隨石膏摻量變化情況，如圖6所示。從圖6可以看出，試樣的DCS隨養護齡期的增長而增長，在養護齡期從30 d增長至90 d以及石膏摻量相同下，試樣的DCS增幅分別為219.80%，147.96%，141.72%和37.36%，表明在水泥-粉煤灰體系中摻入石膏，存在最優配比。在養護齡期為30 d時，當石膏摻量從3%增加到12%時，試樣的DCS呈現出先增長后減小的變化趨勢。其中摻量為3%時，其DCS為2.0 MPa與純水泥-粉煤灰試樣基本一致，石膏摻量為6%時，DCS到達2.69 MPa的峰值強度，相對于純水泥-粉煤灰試樣強度增長了35.18%；隨后隨著石膏摻量的逐漸增加，DCS逐漸下降，在摻量為9%和12%時，DCS分別為2.37 MPa和1.74 MPa。養護齡期為90 d時，石膏改良水泥-粉煤灰試樣的強度隨著石膏含量的增長先上升后減小，在石膏摻量為6%時，改良試樣的DCS達到最大值6.67 MPa，相對于純粉煤灰試樣5.13 MPa增長了30.01%，而改良試樣在12%的石膏摻量下，DCS達到最小值2.39 MPa，小于純水泥-粉煤灰試樣，這是由于在水泥-粉煤灰體系中摻入適量石膏，石膏與水泥和粉煤灰的水化產物反應生成鈣礬石(AFt)，AFt填充孔隙，同時部分石膏析出晶體構成受力骨架，在宏觀表現為強度增長；摻入過量的石膏，使得體系中存在大量的CaSO4·2H2O的晶體，造成體積膨脹[32]，膠凝體系受力結構破壞，表現為DCS下降。表明石膏摻量為6%時，可以明顯提高水泥-粉煤灰體系動態抗壓強度。

圖6 不同養護齡期、不同石膏摻量改良水泥-粉煤灰DCS變化規律Fig.6 The DCS change laws of gypsum-cement-fly ash under the condition of different curing time and mix proportion

2.3 石灰改良水泥-粉煤灰動態力學特性

圖7給出了石灰改良水泥-粉煤灰試樣，在養護齡期為30 d和90 d下的動態應力-應變關系曲線。從圖7(a)中可以看出，養護齡期為30 d時，石灰摻量為3%的σ-ε曲線彈性變形階段曲線長度大于塑性變形階段；石灰摻量為6%時，σ-ε曲線在彈性變形階段后出現明顯塑性變形平臺段，石膏摻量從6%增長至12%的過程中，σ-ε曲線峰前逐漸平緩，峰值應力逐漸降低。這種現象說明早期改良水泥-粉煤灰試樣的延性隨石灰摻量的增加而逐漸增強。圖7(b)給出了90 d的石灰改良水泥-粉煤灰試樣的動態應力-應變關系曲線，石灰摻量為3%時，σ-ε曲線呈現出明顯脆性破壞特征，應力隨應變線性增長，達到峰值應力后，應力快速下降，試樣破壞；石灰摻量從6%增加至12%過程中，σ-ε曲線出現明顯塑性變形階段，σ-ε曲線相比于30 d的曲線無明顯向左偏移，同時不同配合比σ-ε曲線出現向右平移的趨勢，這一現象說明：石灰改良試樣與石膏改良試樣的延性具有明顯區別，石膏改良下，延性隨養護齡期的增加而減小，脆性增強；石灰改良試樣的延性隨齡期的增長變化不大，總體偏延性。

圖7 不同齡期、不同配合比的石灰-水泥-粉煤灰動態應力-應變曲線Fig.7 The dynamic stress-strain curves of lime-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同養護齡期、不同石灰摻量下的改良水泥-粉煤灰試樣DCS變化規律，如圖8所示。隨著養護齡期的增長，石灰改良水泥-粉煤灰試樣的強度增幅不斷增加，石灰摻量3%的試樣，其90 d的DCS相對于30 d提高了98.60%，而石灰摻量從6%增加至12%，試樣90 d的DCS相對于30 d的增幅分別為105.75%，484.69%，829.03%，這一現象說明隨著石灰摻量逐漸增加，改良水泥-粉煤灰試樣后期DCS增長幅度越大。在不同養護齡期下，改良水泥-粉煤灰試樣的強度隨石灰摻量的增加表現出不同的規律，在30 d的養護齡期下，改良試樣的強度呈現出先增長后減小的趨勢，摻量為3%和6%試樣DCS分別為3.60 MPa和4.00 MPa，高于純水泥-粉煤灰試樣；摻量為9%和12%的試樣，其DCS小于純水泥-粉煤灰的試樣，分別為1.75 MPa和1.74 MPa。養護齡期為90 d時，改良試樣的DCS隨著石灰摻量的增加而增加，其DCS從7.14 MPa增長至14.36 MPa，強度增長明顯。這是由于體系中摻入石灰Ca(OH)2后，給體系帶來大量的Ca2+，OH-離子，堿性環境激發了粉煤灰的火山灰活性，使得粉煤灰中游離的酸性氧化物發生二次水化反應，在宏觀表現為體系強度不斷增強，早期體系中摻入過量的Ca(OH)2，抑制水化反應速度，導致體系強度降低[33]。以上結果表明石灰摻量超過6%，改良水泥-粉煤灰試樣前期強度變低，而后期由于堿激發的作用使得后期強度明顯增加；石灰摻量為0%～6%時，改良試樣的早期以及后期強度相對于純水泥-粉煤灰試樣都有明顯的提升。

圖8 不同養護齡期和不同石灰摻量改良水泥-粉煤灰DCS變化規律Fig.8 Variation laws of lime-cement-fly ash DCS with different curing time and mix proportion

2.4 不同改良劑下試樣的DCS變化特性

不同改良劑、不同配合比下改良水泥-粉煤灰的動態峰值抗壓強度如圖9所示。可以看出，石膏-水泥-粉煤灰試樣強度隨著石膏摻量增加，先增加后減小；石灰-水泥-粉煤灰試樣強度在不同養護齡期下隨石灰摻量的增加而呈現出不同的增長變化規律，前期石灰摻量為3%和6%時，改良試樣的DCS明顯高于石膏改良試樣，隨著摻量的增加，石灰改良水泥-粉煤灰的強度明顯小于石膏改良試樣的強度，這是由于過量的石灰削弱了膠結體間的搭接，造成強度降低[34]；而石膏由于前期填充作用，使得強度略微增長。石灰改良試樣的后期強度明顯高于石膏改良的強度。這是由于粉煤灰本身的火山灰性質，在堿性環境中被激活，得到水化產物，從而提高了體系強度。以上分析表明，改良劑摻量為3%～6%時，石膏石灰改良水泥-粉煤灰的強度高于純水泥-粉煤灰，但石灰改良強度提升明顯；同時改良水泥-粉煤灰隨著改良劑摻量的增加，前期都呈現出下降的趨勢，而后期石灰改良試樣的強度大幅度的提升。

圖9 改良水泥-粉煤灰DCS變化圖Fig.9 The DCS change laws of stabilized cement-fly ash

2.5 DCS強度擬合

表4給出了養護齡期30 d和90 d下，不同石灰石膏摻量的改良水泥-粉煤灰試樣的動態抗壓試驗結果，表明養護齡期和石灰石膏摻量與改良水泥-粉煤灰試樣的DCS有明顯的相關性。

表4 動態抗壓試驗結果

采用Matlab軟件對動態抗壓強度，養護齡期(d)和改良劑膏摻量(m)，進行多元非線性擬合，擬合結果如圖10所示。

圖10(a)與圖10(b)分別給出了石膏和石灰擬合后的三維曲面圖，分別給出了石膏與石灰改良水泥-粉煤灰的動態抗壓強度DCS關于d和m表達式。結果表明，改良水泥-粉煤灰試樣的動態抗壓強度，在養護齡期為30～90 d和改良劑摻量為0%～12%內存在關聯性。分析圖10(a)，石膏擬合后的三維曲線圖，呈現出拱形特征，即在石膏摻量位于3%～9%內，試樣的DCS值較大，增幅明顯；從圖10(b)可以看出，石灰改良試樣DCS的變化規律與石膏改良有明顯區別，在摻量為6%時，出現小段拱形，但在養護后期，摻量為6%～12%內，DCS增長幅度明顯，出現DCS的峰值。

圖10 改良水泥-粉煤灰三維擬合曲面Fig.10 The fitting surface of cement-fly ash stabilized by gypsum and lime

(4)

式中：GσDCS為石膏改良水泥-粉煤灰試驗的動態抗壓強度；d為試樣的養護齡期；mg為石膏摻量(質量比)。

(5)

式中：LσDCS為石灰改良水泥-粉煤灰試驗的動態抗壓強度；d為試樣的養護齡期；mL為石灰摻量(質量比)。

3 結 論

試驗采用SHPB試驗系統，在不同養護齡期下，研究了不同改良劑不同配合比的改良水泥-粉煤灰動態力學特性，分析了動態應力應變關系曲線，以及DCS隨養護齡期和不同配比的變化規律，通過Matlab軟件分析DCS與d和m的關系，得出以下結論：

(1) 石膏改良水泥-粉煤灰的DCS隨石膏摻量的增加，在不同養護齡期下呈現出相同的規律，即改良水

泥-粉煤灰強度先增長后減小，且石膏摻量為12%時其強度小于純水泥-粉煤灰試樣；6%的石膏摻量為最佳配比，相對于純水泥-粉煤灰試樣30 d和90 d的強度分別提升了35.18%和30.01%；隨著養護齡期的增加，試樣的破壞應變不斷減小，脆性不斷增長。

(2) 摻入石灰后改良水泥-粉煤灰試樣的DCS明顯改變，在30 d養護齡期下，試樣DCS隨石灰摻量的增加，呈現出先增加后減小的趨勢，DCS在石灰摻量為6%時最大，為4 MPa，在養護齡期為90 d時，DCS隨石灰摻量的增加而增加，最大值為14.36 MPa；試樣總體偏延性，且隨養護齡期的增加，延性無明顯變化。

(3) 基于SHPB試驗數據和Matlab分析結果，可以得出，在改良劑摻量為3%～6%內，石灰改良水泥-粉煤灰試樣的DCS明顯高于石膏改良試樣的DCS；隨著改良劑摻量的繼續增加，石灰改良試樣的DCS在早期表現為逐漸減小，而后期有明顯提升，其中，較純水泥-粉煤灰的DCS最大提升了179.92%，石膏改良水泥-粉煤灰的DCS隨摻量的增加而逐漸降低。