廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料含水量對無側(cè)限抗壓強度的影響

李蘭珍

文章選取南寧地區(qū)的土樣，通過試驗研究了石灰、水泥、膠結(jié)劑添加量、材料含水率、壓實度等因素對無機結(jié)合穩(wěn)定料抗壓強度的影響。結(jié)果表明：水含量決定了膠結(jié)劑與石灰水泥的融合度，當材料配合比水的比例為最佳比例時，膠結(jié)劑可以充分稀釋，與水泥反應(yīng)充分，但此時強度并不是最大的，在最佳含水量為94%～98%時強度才達到最大;壓實程度是決定土體無側(cè)限抗壓強度的重要因素，壓實度越大，復(fù)合膠結(jié)材料的強度越大，因此實際施工中應(yīng)根據(jù)施工要求盡可能提高壓實度。

廢棄泥漿;復(fù)合膠結(jié)材料;穩(wěn)定材料;抗壓強度;試驗研究

U416.03A080275

0 引言

自20世紀50年代以來，廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料在我國公路行業(yè)逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，由于其是以普通施工用土為基礎(chǔ)，加入了水泥、石灰、膠結(jié)劑等廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料，結(jié)構(gòu)和強度遠超一般材料。對廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料進行充分、均勻地攪拌后靜置，可大大提高材料的抗壓強度。因此其作為基層材料廣泛應(yīng)用于重載交通公路，也稱半剛性基層材料[1-2]。但是從我國重載交通地區(qū)道路工程回訪情況來看，大部分高速公路的使用壽命都達不到預(yù)期。應(yīng)用廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料的初衷是充分發(fā)揮其高強、耐久性，更好地服務(wù)于交通事業(yè)，但由于對該材料的抗壓強度分析不夠，導致在公路施工中未充分考慮各方面因素對抗壓強度的影響，在設(shè)計上不夠準確。為此，本文選取南寧地區(qū)的土樣，對石灰、水泥、膠結(jié)劑添加量、材料含水率、壓實度等因素對廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的影響進行了試驗研究，并希望通過試驗了解影響廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的因素和兩者的關(guān)系。

1 試驗材料

1.1 試驗材料選擇

廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料是一種人工合成混合建筑材料，因此其結(jié)構(gòu)不同于自然界的天然土質(zhì)，穩(wěn)定性更強。通常廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料的制備需要具備松散的土質(zhì)條件，或者將材質(zhì)較硬密度較大的土進行粉碎，并加入適當配合比的石灰、水泥和其他工業(yè)廢料進行攪拌壓實，這樣得到的土質(zhì)強度比較大，穩(wěn)定性更高，凝固性也更優(yōu)越。廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料的使用范圍廣泛，根據(jù)不同的用途，可以適當調(diào)整添加物來使材料具備不同的功用性能。本文所研究的主要為添加石灰和水泥的廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料[3-5]。本次試驗土壤原料采用南寧市某土場，取土地點為地表深度2.5 m范圍內(nèi)。通過對照半剛性基層材料中對南寧地區(qū)土樣的一般試驗數(shù)據(jù)結(jié)果：液限 40.5%，塑限 24%，塑性指數(shù)15.5。

同時對南寧市地鐵1號線與2號線交匯點進行取樣，取樣地點為距地表2 m處，經(jīng)過試驗分析，得到結(jié)果為：液限40.2%，塑限21.8%，塑性指數(shù)15.6;同時參照南寧地區(qū)石灰、水泥復(fù)合膠結(jié)材料配合比中對南寧方特樂園附近采集的土樣進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果為：液限40.24%，塑限23.35%，塑性指數(shù)117.68[6-7]。

水泥在穩(wěn)定材料中起主要填充作用，材料選取除了要符合國家規(guī)定的技術(shù)指標外還要結(jié)合相應(yīng)的使用場景選用合適的水泥灰號，考慮到試驗要求，應(yīng)盡量避免使用快速填充水泥，凝固時間最小應(yīng)為6 h，本文選用強度等級較低的32.5級水泥，避免因為水泥顆粒細小發(fā)生形變影響試驗結(jié)果，此外還需注意不可選用變質(zhì)受潮的水泥。本文選用錦州水泥廠生產(chǎn)的420號水泥[8-9]。

石灰在穩(wěn)定材料中可以起到一定的輔助填充作用。由于石灰量少，因此對石灰質(zhì)量等級要求較高，以確保石灰中氧化鈣和氧化鎂的含量能有效地對穩(wěn)定材料進行填充處理，本文選用三級以上的生石灰作為穩(wěn)定材料的添加劑。試驗采用過篩的辦法對石灰進行除渣處理，剔除雜質(zhì)。此外還要求石灰的存放時間不能超過一個月，注意密封保存，防止受潮和變質(zhì)對檢驗結(jié)果造成影響。

1.2 試驗材料最佳配合比的確定

先確定最佳材料配合比，研究膠結(jié)劑、石灰、水泥等物料的加入量、壓實程度、含水率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系。根據(jù)膠結(jié)劑生產(chǎn)廠家的建議，膠結(jié)劑可與石灰類物質(zhì)混合或與水泥類材料混合，對膠結(jié)劑與水泥的配合比有多種，選取其中19種進行試驗。在水泥類中選取2%、3%、4%、5%、6%、7%六種配合比，石灰類選用3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%八種配合比，膠結(jié)劑選用0.18%、0.20%、0.22%、0.25%、0.28%、0.30%、0.32%、0.35%、0.38%九種配合比，分別組合配合比見表1。

根據(jù)各混合穩(wěn)定料的最優(yōu)含水率和最大干密度，用表5中列出的每一組配合比計算出樣品的質(zhì)量合格成分含量并制備好樣件后，測試一周無側(cè)限抗壓強度，并用這一指標作為各配合比填充效果的檢驗標準。在試驗土樣中加入土壤膠結(jié)劑后，除水泥為2%的這組配合比外，所有復(fù)合膠結(jié)材料的抗壓強度都有顯著的提高。總體上，石灰組復(fù)合膠結(jié)材料樣件的強度較水泥組高。石灰組樣件中，只有配合比為3%石灰加0.20%膠結(jié)劑的樣件強度為0.8 MPa，未達到理想強度1 MPa以上，其他組樣件表現(xiàn)穩(wěn)定。水泥組樣件中，只有配合比為5%水泥和6%水泥的兩組強度較高，其余樣件的強度都低于石灰組，相較于添加水泥的填充土樣件，添加石灰的填充土樣件穩(wěn)定性更好。所有樣件在經(jīng)過（6+1） d的養(yǎng)生和晾干后，石灰組填充土樣件中，只有配合比為3%石灰加0.25%膠結(jié)劑的樣件由于強度不夠，出現(xiàn)輕微破損，其余均保持完整。水泥組樣件中，只有配合比為5%和6%水泥添加量的四組樣件保持完整，其余均出現(xiàn)不同大小的破損，尤其配合比為2%和3%的水泥添加量的填充土樣件破損程度最大。

綜合考慮成本等問題，由于水泥價格要遠遠高于石灰，所以采用石灰組樣件作為試驗對象。樣件選用方面，石灰含量為3%的樣件強度不夠，不選用;含量為7%的樣件雖然石灰含量增加，但是強度增加不明顯;5%石灰含量的樣件中，三組配合比的強度滿足要求，容器穩(wěn)定性更好，偏差系數(shù)低。所以選用石灰含量為5%、膠結(jié)劑含量為0.25%的配合比作為最佳配合比。并以此配合比來制備試驗材料。

2 試驗設(shè)計

由于目前并沒有針對復(fù)合膠結(jié)材料抗壓強度的試驗流程規(guī)范，所以本文依照目前主流的無機結(jié)合穩(wěn)定料填充土無側(cè)限抗壓強度實驗參考規(guī)范來完成整個試驗設(shè)計。具體方法流程如下：

2.1 材料制備

對上述土樣進行高溫干燥處理，然后用錘子等工具搗碎，使其變松，最后過篩，除去雜質(zhì)，得到比較純凈的原土，用于實驗。將混合穩(wěn)定劑加入除石灰和土壤的主要成分中，用最優(yōu)含水量和最大干密度計算樣件的重量，再分別計算樣品中的各成分含量。

每個樣件所需混合穩(wěn)定材料的重量計算公式為：

M1=pdv（1+ω）（1）

式中：v——樣件模具體積;

pd——復(fù)合膠結(jié)材料的密度;

ω——含水率。

每組制備6個樣件，并稱取3個樣件所需的土、石灰或水泥用量，將原土平鋪在鐵板上，加水攪拌均勻，當含水量達到最佳含水量時，用塑料薄膜包裹密封24 h。

2.2 樣件成型

樣品的制備和成型有靜壓和錘擊兩種方法，本試驗采用靜壓的方法，尺寸為100 mm×100 mm，壓實度為100%。將膠結(jié)劑、水泥、石灰按不同比例加入原土，均勻混合。把攪拌好的材料放入模子中，用壓板輕輕壓實，然后把材料放入框架內(nèi)，再放在千斤頂上，壓緊壓板直到壓入壓實試模，保持壓力1 min，然后在脫模器上頂出樣件，對樣件稱重并測量樣件高度，精確到0.1 mm。

2.3 試件養(yǎng)生

將樣件稱重測量后，用塑料膜包裹密封，借助養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護處理，為保持恒溫恒濕養(yǎng)護環(huán)境，應(yīng)用實驗室養(yǎng)生箱，設(shè)置恒溫20 ℃±2 ℃、恒濕 95%±1%環(huán)境，對試件進行為期7 d的養(yǎng)生，第7天要將試件浸泡處理。在養(yǎng)生過程中無法避免樣件的質(zhì)量損失，應(yīng)保證質(zhì)量損失控制在以下范圍內(nèi)：小樣件質(zhì)量損失<2 g，中樣件質(zhì)量損失≤5 g，大樣件質(zhì)量損失≤8 g，如果質(zhì)量損失超出控制范圍，視為無效樣件。

2.4 抗壓強度測量

將7 d養(yǎng)生后的樣件用吸水布或吸水紙吸去表面的水，對樣件稱重，測量樣件高度，精度為0.1 mm。進行抗壓試驗時，將樣件平整放置于平臺上，控制設(shè)備壓力值，使試驗樣件的形變速率保持在1 mm/min，并勻速增加。讀取并記錄樣件破壞時的最大壓力P，測量樣件的橫截面積A和直徑D，可通過公式計算得到無側(cè)限抗壓強度，計算公式如下：

Rc=P/A（2）

A=1/4·πD2（3）

3 無側(cè)限抗壓強度試驗分析

3.1 膠結(jié)劑摻量與抗壓強度的關(guān)系

選擇膠結(jié)劑添加量為0.25%、0.3%、0.35%的三種配合比，另外選取0.2%、0.38%兩種添加量作為參照組，分別進行7 d無側(cè)限抗壓強度試驗，考察了膠結(jié)劑添加量對抗壓強度的影響，試驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，土壤膠結(jié)劑對復(fù)合膠結(jié)材料的抗壓強度有很大的提高，但當土體含量達到臨界值0.3%時，增加膠結(jié)劑含量并不會增加其抗壓強度，而是明顯減弱。在上述試驗中對參考組配合比中石灰摻量為3%和7%的兩組復(fù)合膠結(jié)材料進行對比，得到了膠結(jié)劑摻量與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系。如圖2所示。

從圖2中可知，對于石灰添加量為3%和7%的復(fù)合膠結(jié)材料，膠結(jié)劑添加量與強度的關(guān)系為先增加后減弱關(guān)系。石灰添加量為3%的復(fù)合膠結(jié)材料無側(cè)限抗壓強度與膠結(jié)劑添加量的關(guān)系，與石灰添加量為7%的復(fù)合膠結(jié)材料基本相同，強度最大值對應(yīng)的膠結(jié)劑添加量約為0.22%，這與石灰添加量為4%、8%的復(fù)合膠結(jié)材料也基本相同。由此可以看出，膠結(jié)劑摻量對復(fù)合膠結(jié)材料強度的影響在具體應(yīng)用中難以確定，應(yīng)嚴格按照試驗數(shù)據(jù)進行確定，以保證材料的最大值。

3.2 石灰摻量與抗壓強度的關(guān)系

在每一組不同膠結(jié)劑添加量配合比下，不同的石灰添加量導致強度的變化規(guī)律如圖3所示。

從圖3可知，石灰在7 d無側(cè)限抗壓強度試驗和20 d無側(cè)限抗壓強度試驗中，其添加量與強度之間的關(guān)系與石灰穩(wěn)定材料的最佳配合比情況相似，均存在最優(yōu)配合比，且隨著時間的推移，當石灰加入量達到6%時，強度明顯提高，石灰用量與強度的關(guān)系將持續(xù)增加。同時，對對照組膠結(jié)劑摻量為0.28%的填充土也進行了石灰摻量對抗壓強度的影響試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示，膠結(jié)劑摻量為0.25%的填充土與膠結(jié)劑摻量為0.28%、0.32%的復(fù)合膠結(jié)材料的無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律相似，均會隨著石灰摻量的增加而迅速增加。所以在實際施工中，應(yīng)嚴格控制石灰用量，不得超過1%。

3.3 含水量對抗壓強度的影響

在石灰質(zhì)材料中，水是一種重要的組分，在粉碎、攪拌、壓實等過程中都起著重要作用。制備5種不同含水量的樣品，通過測試7 d無側(cè)限抗壓強度，研究含水量與強度的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，強度隨著含水量的增加而出現(xiàn)短暫的增加，但當含水量為9%時，達到最大強度，繼續(xù)增加含水量強度反而迅速減弱。最佳含水量為12.8%時，抗壓強度約為1.623 MPa，并不是最大強度值。所以對于該類復(fù)合膠結(jié)材料來說，在最佳含水量的94%～98%范圍內(nèi)，其抗壓強度才達到最大。在實際施工過程中，復(fù)合膠結(jié)材料的含水量要嚴格控制，以保證復(fù)合膠結(jié)材料的高強度。

3.4 壓實度對抗壓強度的影響

添加膠結(jié)劑的復(fù)合膠結(jié)材料也需要經(jīng)過壓實處理，才能達到一定的硬度，而壓實是一種直接影響復(fù)合膠結(jié)材料強度的土體加固方法，以石灰5%、膠結(jié)劑0.25%為例，分析其與膠結(jié)劑之間的關(guān)系。選用5個中壓實度樣品，對壓實度與填充土抗壓強度的關(guān)系進行分析，其壓實度分別為92%、94%、96%、97%、100%。如圖6所示。

由圖6可知，無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度的增加呈現(xiàn)線性增大的趨勢。壓實度在93%時，抗壓強度為1.18 MPa，壓實度在100%時，抗壓強度為2.623 MPa，可以計算得出壓實度每變化1%，無側(cè)限抗壓強度約變化3.5%左右。該結(jié)果為實驗室結(jié)果，在實際施工過程中很難達到100%壓實度，所以在施工過程中要按相應(yīng)的規(guī)范要求來制備物件，以保證其具有一定的壓實強度。

4 結(jié)語

選擇合適的材料對結(jié)果有很大的影響，本文在選擇實驗材料時，充分考慮了材料的代表性，通過與南寧石灰水泥復(fù)合膠結(jié)材料的規(guī)范指標對比，確定了可供使用的土樣，并通過土樣配合比分析，確定了廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料的最佳配合比，將其作為制備實驗復(fù)合膠結(jié)材料的標準。本文研究了石灰、水泥和膠結(jié)劑對無側(cè)限抗壓強度的影響，得出了以下試驗結(jié)論：

（1）復(fù)合膠結(jié)材料的無側(cè)限抗壓強度隨著膠結(jié)劑添加量的增加而增大，但是當達到臨界值時，膠結(jié)劑添加越多反而造成復(fù)合膠結(jié)材料的強度下降，所以在實際施工時要嚴格按照實驗結(jié)果控制膠結(jié)劑的添加量。

（2）復(fù)合膠結(jié)材料的無側(cè)限抗壓強度隨著石灰添加量的增大而增大，當添加量達到臨界值時，復(fù)合膠結(jié)材料的強度反而會減弱，所以實際施工時要嚴格控制石灰添加量。筆者只對無機結(jié)合穩(wěn)定料的無側(cè)限抗壓強度實驗進行簡單的研究，文中仍然存在很多不足之處，比如土壤膠結(jié)劑與廢棄泥漿復(fù)合膠結(jié)材料的針對性和兼容性等問題都是影響強度的原因，希望能夠為廣大學者日后研究提供思考。

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