負溫條件下EPS輕質(zhì)土強度特性試驗研究

馮志密，李兆宇，蘇安雙，王 宇，鄭 健

(1.黑龍江省綏棱縣水利農(nóng)田總站，黑龍江 綏棱 152200；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著EPS新型土木工程材料研究的不斷發(fā)展，其在道路、橋梁、建筑與市政、水利等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。EPS顆粒與原料土、水泥和水混合在一起組成了輕質(zhì)土材料，由于EPS顆粒具有超輕質(zhì)性、耐水性、耐熱性、耐壓縮性、低蠕變性及節(jié)約資源與環(huán)保等特點，使該材料在軟弱地基處理、滑坡處理、水利渠道邊坡防滲與保溫等工程應(yīng)用上發(fā)揮了較好的效果[1]。國外對于EPS輕質(zhì)土的研究始于二十世紀80年代，由于起步比較早，其研究成果處于領(lǐng)先地位，已在巖土工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。在我國對于EPS輕質(zhì)土材料的物理力學(xué)性能指標，主要研究了單軸和三軸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、抗壓強度與抗剪強度、反復(fù)荷載作用下的力學(xué)特性，以及動荷載作用下的強度特性與變形特性等[3-10]，目前該材料在我國工程上的應(yīng)用還處于起步階段。

為了解EPS輕質(zhì)土在負溫條件下的力學(xué)性能，本文通過開展EPS輕質(zhì)土三軸試驗，分析不同EPS顆粒摻量和溫度條件下的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與強度變化特征，為該材料在寒區(qū)工程中的設(shè)計與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試樣制備

EPS輕質(zhì)混合土的原料主要有原料土、水泥、粉煤灰、高效減水劑、丙乳、EPS顆粒、水，其中輕質(zhì)材料為自制的球形EPS顆粒，堆積密度為0.022 g/cm3，水泥為標號425普通硅酸鹽水泥，堆積密度為1.600 g/cm3。試樣的各原料配合比見表1，其中水泥、粉煤灰摻量為占干土質(zhì)量的百分比，丙乳、高效減水劑摻量為占水泥與粉煤灰質(zhì)量的百分比，EPS顆粒摻量為占水泥與土的質(zhì)量百分比。試樣制備流程分為稱料、混合攪拌、入模、拆模和蒸汽養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為28 d。拆模后試樣尺寸為Φ75 mm×150 mm的圓柱形試樣。

表1 EPS輕質(zhì)土各原料配合比

1.2 試驗方法

由于溫度的變化對材料力學(xué)性能影響較大，因此本文主要考慮了溫度因素，研究不同EPS顆粒摻量輕質(zhì)土在不同溫度條件下的強度特性。試驗采用應(yīng)變控制凍土三軸試驗儀，依據(jù)煤炭行業(yè)標準《人工凍土物理力學(xué)試驗 第5部分：人工凍土三軸剪切試驗方法》(MT/T 593.5—2011)，試驗溫度條件為20 ℃、0 ℃、-10 ℃、-20 ℃，分別施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa的圍壓進行不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗，剪切速率為1.5 mm/min。為了使試樣內(nèi)部溫度場分布均勻，三軸試驗前進行了24 h的恒溫處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 EPS輕質(zhì)土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析

對EPS輕質(zhì)土在不同溫度條件下、EPS不同摻量進行了三軸試驗，將圍壓為200 kPa試驗數(shù)據(jù)進行整理，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下的EPS輕質(zhì)土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖1可以看出，不同EPS顆粒摻量的輕質(zhì)土在不同溫度條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線具有非線性和多階段性特征。在變形初始階段，隨著應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差呈線性增大，此時EPS輕質(zhì)土處于彈性變形狀態(tài)，為原有裂隙的愈合過程，尚無新的裂隙出現(xiàn)。隨著變形的發(fā)展，當(dāng)輕質(zhì)土中主應(yīng)力差達到某一應(yīng)力(屈服應(yīng)力)后，輕質(zhì)土中新的裂隙開始逐漸發(fā)育，此時的應(yīng)變速度大于應(yīng)力增加速度，使應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)為非線性，EPS輕質(zhì)土處于塑性變形狀態(tài)，隨著變形的進一步發(fā)展最終達到破壞。

不同顆粒摻量的EPS輕質(zhì)土在20 ℃、0 ℃時的應(yīng)力應(yīng)變曲線為硬化型曲線，在整個變形階段主應(yīng)力差無明顯峰值。在-10 ℃、-20 ℃時，對于EPS摻量為1%和2%的輕質(zhì)土，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為軟化型曲線，具有明顯的峰值出現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變達到5%時殘余強度較大。而當(dāng)摻量為3%時應(yīng)力應(yīng)變曲線的軟化現(xiàn)象則不明顯，說明在負溫環(huán)境下EPS輕質(zhì)土隨著EPS摻量的減少而發(fā)生脆性破壞。原因是隨著溫度的降低，輕質(zhì)土中的未凍水含量減少，冰含量增加，由于冰為脆性材料，導(dǎo)致輕質(zhì)土的塑性行為隨冰含量的增加而不明顯。當(dāng)EPS顆粒摻量增加時，混合土體中的EPS顆粒占主導(dǎo)，隨著應(yīng)變的增大，主應(yīng)力差變化減緩，使其進入塑性變形階段。

EPS輕質(zhì)土在負溫條件下的主應(yīng)力差明顯高于在20 ℃、0 ℃條件下的主應(yīng)力差。這與一般土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有相似的性質(zhì)，即主應(yīng)力差隨著溫度的降低呈增大的趨勢。由于輕質(zhì)土在負溫下內(nèi)部有冰的存在，冰與土顆粒的膠結(jié)作用提高了混合土體的應(yīng)力狀態(tài)，使其在變形過程中的主應(yīng)力差得到明顯提高。

2.2 EPS輕質(zhì)土強度分析

(1)溫度和EPS顆粒摻量對輕質(zhì)土三軸抗壓強度的影響。對在不同溫度條件下的試驗數(shù)據(jù)進行整理，得出了EPS輕質(zhì)土三軸抗壓強度隨不同EPS顆粒摻量的變化曲線，如圖2所示。其中應(yīng)變硬化型曲線取應(yīng)變?yōu)?5%對應(yīng)的主應(yīng)力差，應(yīng)變軟化型曲線取主應(yīng)力差峰值。

從圖2可以看出，在試驗配比范圍內(nèi)，EPS輕質(zhì)土的三軸抗壓強度均隨EPS顆粒摻量的增加而減少。在溫度為20 ℃和0 ℃條件下，隨著圍壓的增大，相同EPS顆粒摻量的輕質(zhì)土三軸抗壓強度降幅較大。而在-10 ℃和-20 ℃條件下，圍壓對EPS輕質(zhì)土的三軸抗壓強度影響相對較小。

圖2 不同溫度下的三軸抗壓強度與EPS顆粒摻量的關(guān)系曲線

當(dāng)EPS摻量為3%時，無論是在常溫或是負溫條件，輕質(zhì)土的三軸抗壓強度非常接近，說明圍壓對其影響不大。隨著EPS顆粒摻量的增加，填充在混合土中體積增大，而水泥、土等材料所占體積相對減小，土體在荷載作用下顆粒重新排列，其中EPS顆粒一定程度上發(fā)揮了作用，由于EPS顆粒材料自身具有彈性，導(dǎo)致低圍壓下的土體三軸抗壓強度相接近。

(2)溫度和EPS顆粒摻量對輕質(zhì)土抗剪強度的影響。根據(jù)不同EPS摻量的輕質(zhì)土在不同溫度條件下不固結(jié)不排水三軸剪切試驗結(jié)果繪制出了剪切破壞包絡(luò)線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，試驗圍壓與溫度條件下EPS輕質(zhì)土的剪應(yīng)力隨法向應(yīng)力增加而增大，符合莫爾—庫倫破壞準則。隨著EPS摻量的增加，莫爾破壞包絡(luò)線斜率減小，剪應(yīng)力隨之減小。表2列出不同EPS摻量輕質(zhì)土的抗剪強度指標。

圖3 不同溫度下的EPS輕質(zhì)土莫爾破壞包絡(luò)線

由表2可知，EPS輕質(zhì)土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨EPS顆粒摻量的增加而減少。土體抗剪強度的降低是由輕質(zhì)混合土EPS顆粒數(shù)量增加導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、密度減小所致。但隨著土體溫度降低，抗剪強度明顯提高。由于土體凍結(jié)，土中水變成冰將混合土材料膠結(jié)在一起，導(dǎo)致力學(xué)性能得到提升。

表2 EPS輕質(zhì)土抗剪強度指標

3 結(jié) 論

(1)不同摻量的EPS輕質(zhì)土在不同溫度條件下應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有非線性和多階段性特征，屬于典型的彈塑性材料，其在常溫條件下為應(yīng)變硬化型，在負溫條件下為應(yīng)變軟化型，隨著EPS摻量的增加，其應(yīng)變軟化現(xiàn)象不明顯。

(2)EPS輕質(zhì)土在常溫和負溫下的三軸抗壓強度隨EPS顆粒摻量的增加而減小。EPS摻量為3%時，不同溫度條件下的輕質(zhì)土三軸抗壓強度相接近。

(3)EPS輕質(zhì)土的剪應(yīng)力隨法向應(yīng)力增加而增大，符合莫爾—庫倫破壞準則。土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨EPS顆粒摻量的增加而減少，但隨著土體溫度降低，抗剪強度明顯提高。