復合型固化劑固化黏土強度試驗研究★

吳雪琴，程長清，于貴霞，李 嚴，赫 林，宋海燕

(1.江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院,江蘇 無錫 214151;2.無錫新立鴻工程技術服務有限公司,江蘇 無錫 214043; 3.山東漢為環保科技有限公司,山東 濟寧 272053)

0 引言

路基施工過程中,土的力學性質至關重要,江蘇南部地區土壤含有較高的含水量,體現出承載力低的特點。因此必須要對土壤進行固化處理。關于不同固化劑摻入土體后,固化土力學特性的研究有很多,例如陳昌富等[1]研究了不同養護條件下水泥土的力學特性,通過無側限壓力試驗分析了試件的應力應變曲線,周承京等[2]研究了黏土-石膏膠結材料的強度特征,分析了不同配比情況下,膠結材料的初凝時間以及試件強度問題。張丹等[3]研究了鹽分侵蝕對于水泥固化土的力學特性的影響。還有許多學者[4-11]采用不同的固化劑對水泥土力學性能進行了研究,但是他們研究的是某一種固化劑對于水泥土的力學性能的影響。少有學者研究水玻璃-水泥-離子型復合固化劑對于水泥土的影響,因此他們的研究有一定的局限性。程福周等[12]采用水泥-水玻璃為固化劑來分析固化后的淤泥的力學性能,但是其研究中沒有加入離子型固化劑。

本文以水玻璃-水泥-離子型復合固化劑為研究對象,采用無側限壓縮的方式,對比分析:只有水泥土;水泥土中摻入離子型固化劑;水泥土中摻入離子型固化劑和水玻璃三種情況下固化土的力學性能。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

研究使用的材料來自某高速公路段改擴建工程,經測得土樣的最大干密度為1.886 g/cm3,最佳含水量(質量分數)為14.84%。土樣顏色為褐色,液限為44.5%,塑限22.0%,塑性指數IP(Plasticity Index)為22.5,為低液限黏土;試驗用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥,呈粉末狀;固化劑離子型土壤聚合劑,為深棕色黏稠狀液體;水為普通自來水。土樣實拍見圖1。

1.2 試驗方法

常溫條件下在單軸壓力機上進行試驗,屬于無側限抗壓強度試驗,進行三組試驗:第一組試驗土體與水泥重量比為:94∶6,93∶7,91∶9三種情況下,第二組試驗在第一組試驗相同配比基礎上,分別加入無機離子型固化劑;第三組試驗在相同的配比基礎上,加入水玻璃與無機離子型固化劑,然后分別記錄土體在干壓與泡水兩種情況下的單軸抗壓強度;試驗按照JTJ E40—2007公路土工試驗規程,CJJ/T 286—2018土壤固化劑應用技術標準,JTJ E50—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程等技術要求,試件尺寸為50 mm×50 mm,試驗時加載速率為1 mm/min,記錄破壞時的最大承載力并分析其力學性能。試樣圖及破壞圖見圖2,圖3。

2 試驗結果與分析

2.1 不同水泥配比對于強度影響

由圖4可知,整體而言泡水后的試件單軸壓縮強度低于干壓強度,原因是試件中摻水導致土體有效應力減小,抗壓強度降低。并不是水泥含量越高,固化土強度越高,固化土強度隨水泥含量增大,整體體現先減小后增大趨勢。當水泥含量(質量分數)為7%時,無論采用干壓還是泡水的無側限抗壓強度都是最低的。且水泥含量從6%～7%時,干壓時強度下降30.15%,泡水后強度下降7.69%。

2.2 加入固化劑對于強度影響

由圖5可知,加入固化劑后,整體而言泡水后的試件單軸壓縮強度仍然低于干壓強度。隨著水泥含量增大,干壓強度呈現先減小后增大趨勢。而泡水后的強度則呈現出近似線性增長。當水泥含量(質量分數)為7%時,干壓和泡水后的強度值較為接近。水泥含量從6%～9%時,干壓強度增長18.5%,泡水后強度增長71.76%,說明泡水后采用固化劑能夠顯著提高土體的無側限抗壓強度。原因可能是:固化劑改善了土體的孔隙結構,吸收了土體的水分等原因,使土體有效應力增大,抗壓強度增大。

2.3 分析加入固化劑前后試件強度變化

由圖6,圖7可知,無論是泡水還是干壓,加入固化劑后,整體強度都會出現一定程度的增長。例如水泥含量(質量分數)為7%時,加入固化劑前后干壓強度增長28.4%,而泡水后的強度增長66.7%,同樣說明泡水后采用固化劑能夠顯著提高土體的無側限抗壓強度。由于實際工程處于江蘇南部地區地下水豐富,往往更加接近于泡水后的試件狀態,可以采用土壤固化劑來提高土體的承載能力。

2.4 同時加入水玻璃與固化劑對于強度影響

由圖8,圖9可知,無論是泡水還是干壓,加入水玻璃前后,試件強度變化不是特別明顯。例如水泥含量(質量分數)為6%時,加入水玻璃前后的干壓強度值一致。水泥含量(質量分數)為9%時,加入水玻璃前后的泡水強度值一致,說明水玻璃并不能明顯的提高土體的抗壓強度。實際工程由于水玻璃的成本更低,如果考慮成本等因素,則建議采用同時使用水玻璃與固化劑來改良土壤的力學性能。

3 衍生分析

無側限抗壓強度相當于圍壓為0的三軸試驗,由于試驗過程非常快,相當于不固結不排水試驗,其應力莫爾圓如圖10所示。τ為剪應力;σ為正應力;σ1,σ3為大小主應力,q為縱向加載應力。其中莫爾圓的頂點表示壓縮破壞時候的切應力,其大小為莫爾圓半徑,也等于q/2。單軸壓縮情況下無法測得土體的實際強度參數c(黏聚力)、φ(內摩擦角),但是對于黏土而言c和φ又是客觀存在的。同時由于黏聚力和內摩擦角在土中往往不是孤立存在,通常表現為:“你中有我”“我中有你”的關系。為了準確描述在單軸情況下土的強度參數特性,本文提出一種名義黏聚力c′概念:在土的單軸試驗中,規定應力莫爾圓最高點對應的縱坐標值為土體的名義黏聚力。

實際工程中,通常含有較多的地下水。于是分析固化劑添加前后,泡水壓情況下,名義黏聚力c′的變化趨勢。

由圖11可知:c′在只加入水泥情況下強度是最低的,此時土體里面含有較多水分,黏聚力較低,反映為土體的抗剪強度較差。同時隨著水泥含量的增大名義黏聚力c′也呈現先減小后增大趨勢。當水泥含量為7%時,名義黏聚力c′最小。加入固化劑后名義黏聚力c′則會出現大幅度提高。例如當水泥含量為6%時,加入了固化劑后,名義黏聚力c′增長了30.7%。這是由于固化劑與土中的水產生了化學反應,將流態的水變成了固態的結晶水,提高了土體的抗剪強度。且只加入固化劑與固化劑和水玻璃同時加入兩種情況下的兩條曲線幾乎重合,再次說明水玻璃對于試件強度影響不大,與上文的結論一致。

4 結論

對不同水泥含量的固化土試件開展無側限抗壓強度試驗,分析其力學性能,得出以下結論:

1)土體的單軸抗壓強度、名義黏聚力c′隨著水泥含量的增加呈現先增大后減小的變化趨勢。2)加入固化劑能夠顯著提高土體的單軸抗壓強度、名義黏聚力c′的大小。3)考慮經濟性及土體的強度要求,可以采用水玻璃加固化劑的組合,能夠有效提高土體的抗剪強度。