水泥-礦渣固化黃土的抗剪強度探討

李俊

摘要：黃土中添加一定數(shù)量的水泥和礦渣不僅能改良黃土的力學(xué)性能，而且實現(xiàn)了廢料的再利用，因而水泥-礦渣固化黃土廣泛用作各類基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)材料。釆用三軸剪切試驗手段，研究水泥-礦渣固化黃土的強度特性。試驗結(jié)果表明：三軸剪切過程中偏應(yīng)力峰值和固化黃土中無機結(jié)合材料的摻量有關(guān)，水泥-礦渣摻量越多偏應(yīng)力峰值越大;水泥-礦渣摻量增加時，壓縮過程中平均法向有效應(yīng)力的峰值越大;固化黃土的屈服應(yīng)力面隨水泥-礦渣摻量的增加而增大。所得結(jié)果為水泥-礦渣固化黃土的設(shè)計施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：黃土;水泥-礦渣固化黃土;抗剪強度

中圖分類號：TU476文獻標(biāo)志碼：A

黃土主要分布在東亞、中亞、中歐及美國中西部'成，自然狀態(tài)的黃土強度較高、穩(wěn)定性好，但遇水后會出現(xiàn)較大的變形、強度降低;且當(dāng)黃土充分浸水后土的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，在自重應(yīng)力或附加應(yīng)力作用下出現(xiàn)顯著的附加變形，這種現(xiàn)象稱為黃土的濕陷官。黃土的濕陷會引發(fā)邊坡滑塌、地基沉降等工程事故，這些事故對人們的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅網(wǎng)，因此，采用無機結(jié)合材料固化黃土以提高其強度和穩(wěn)定性很有必要51。水泥固化黃土雖然早期強度高，但由于黃土的塑性指數(shù)較高，固化黃土的溫度收縮和干燥收縮大;而工業(yè)廢渣（粉煤灰、礦渣、煤砰石）固化黃土的強度高、穩(wěn)定性好及收縮小團。本論述中采用的礦渣，是冶煉生鐵的廢渣磨成的一種細(xì)粉，作為固化材料在穩(wěn)定土體中已得到廣泛應(yīng)用。因此，水泥-礦渣固化黃土可作為路面基層和建筑物地基。本論述對水泥-礦渣固化黃土的力學(xué)性質(zhì)進行研究，探索固化黃土剪切特性及屈服特點，對黃土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提齢考。

1試驗原材料及配合比

1.1試驗材料

試驗用黃土取自甘肅蘭州九州某一基坑，將天然黃土風(fēng)干、用木槌碾碎，最后過0.5 mm孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩。采用標(biāo)準(zhǔn)方法測試黃土的比重、界限含水量3，所得黃±的基本物理參數(shù)見表1所列。水泥和礦渣購自某有限公司，比重分別為2.59和2.89，利用X衍射測得水泥、黃土及礦渣的化學(xué)成分見表2和表3所列，礦渣的基本物理參數(shù)由廠家提供見表4所列。

1.2配合比及試樣制作

根據(jù)固化黃土在工程中的使用情況，水泥和礦渣的比例（質(zhì)量比）擬定為2.33，黃土的含量分別為90%（1類）和70%（II類），具體的配合比如表5所列。不同配合比下水泥礦渣穩(wěn)定黃土的最佳含水量和最大干密度通過標(biāo)準(zhǔn)擊實實驗得出[12]。試樣制作時采用內(nèi)徑61.8 mm、高125 mm的中空圓柱形模具，利用手動液壓千斤頂提供動力采用靜壓法壓實試樣'[12]。試樣制備時首先計算制作1個試樣時所需混合物的質(zhì)量，再按照配合比計算制備一個試樣所需水泥、礦渣、黃土和水的質(zhì)量并稱量，將所稱量的礦渣、水泥和黃土倒入攪拌鍋中并快速攪拌90 s，保證固化黃土混合物攪拌均勻，接著加入去離子水繼續(xù)攪拌均勻為止，接著把混合物均勻的分為5份，依次往金屬模具中倒入每份混合物、壓實每層混合物。最后，將壓實的試樣脫模后貼上標(biāo)簽并放入溫度20±2℃、濕度95%以上的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。

2三軸剪切試驗方法

三軸剪切試驗?zāi)軌蚰M水泥-礦渣固化黃土在工程中的實際受力情況，是固化黃土力學(xué)性質(zhì)的常用測試方法，筆者采用固結(jié)排水剪切試驗測試水泥-礦渣固化黃土的抗剪強度特性。試驗設(shè)備采用TT-ATS2全自動三軸儀，該設(shè)備可實現(xiàn)各向同性固結(jié)和抗剪強度的測試。

3試驗結(jié)果與分析

3.1應(yīng)力應(yīng)變

3.1.1 I類固化黃土

不同圍壓條件下I類水泥-礦渣固化黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。由圖1可知：隨著剪切過程的進行，不同圍壓作用下偏應(yīng)力逐漸增加，到達峰值后迅速減小，圍壓越大對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值越高。

3.1.2 II類固化黃土

II類水泥-礦渣固化黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可以看出隨著剪應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力q逐漸增加，到達某一峰值后迅速減小。比較兩類固化黃土，發(fā)現(xiàn)II類固化黃土的偏應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于I類，這主要和黃土中的無機結(jié)合材料摻量有關(guān)，當(dāng)水泥-礦渣摻量越大時，偏應(yīng)力峰值越大。

3.2有效應(yīng)力

3.2.1I類固化黃土

不同圍壓作用下三軸試驗過程中I類固化黃土平均法向有效應(yīng)力的變化如圖3所示。由圖3可知在剪切過程中比容首先增大然后逐漸變小，隨著施加圍壓的增大，對應(yīng)平均法向有效應(yīng)力的峰值變大。

3.2.2II類固化黃土

剪切過程中II類固化黃土平均法向有效應(yīng)力的變化如圖4所示。由圖4得出比容先增大，達到峰值后逐漸減小。比較圖3和圖4，可知II類固化黃土的平均法向有效應(yīng)力大于I類，說明水泥-礦渣摻量越大，平均法向有效應(yīng)力的峰值越大。

3.3固化黃土的應(yīng)力路徑

不同圍壓下的水泥-礦渣固化黃土的應(yīng)力路徑如圖5所示，從圖5可知屈服應(yīng)力面隨水泥礦渣摻量的增加而增大。

4結(jié)論

本論述采用三軸剪切試驗對水泥-礦渣綜合固化黃土的力學(xué)性能開展了研究，所得主要結(jié)論有：

（1）三軸剪切過程中偏應(yīng)力峰值和固化黃土中無機結(jié)合材料的摻量有關(guān)，當(dāng)水泥-礦渣摻量越多偏應(yīng)力峰值越大。

（2）水泥-礦渣摻量增加，壓縮過程中平均法向有效應(yīng)力峰值越大。

（3）固化黃土的屈服應(yīng)力面隨水泥-礦渣摻量的增加而增大。

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