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含鹽量對(duì)水泥灰土強(qiáng)度特性的影響
基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（3ZS042B25031） 作者簡(jiǎn)介：米海珍（1956），男，甘肅慶陽人，教授，工學(xué)博士，Email：mihaizhen@126.com。 摘要：通過對(duì)水泥灰土不同含鹽量試樣進(jìn)行一系列三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探討了含鹽量對(duì)水泥灰土剪切強(qiáng)度參數(shù)的影響，并從微觀結(jié)構(gòu)性上做出了合理的解釋。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥灰土強(qiáng)度隨含鹽量的增加而增大，但當(dāng)含鹽量達(dá)到一定程度時(shí)，其強(qiáng)度又隨含鹽量的增大而降低，且含鹽量存在一個(gè)分界值；此外，水泥灰土的脆斷性受圍壓和含鹽量等因素的影響，圍壓越小，含鹽量越高，脆性就表現(xiàn)得越明顯。 關(guān)鍵詞：水泥灰土；剪切強(qiáng)度；含鹽量；三軸試驗(yàn)；應(yīng)力應(yīng)變曲線 中圖分類號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 0 引 言 石灰是一種資源極為豐富的廉價(jià)建筑材料，用其改善和增強(qiáng)土的性能，早已被人們所熟知。目前，灰土除大量用于處理濕陷性黃土地基以外，還被廣泛用來處理其他非飽和土和雜填土地基，是用于改良軟土地區(qū)地基最常用的一種材料。然而灰土在鹽漬土地區(qū)的應(yīng)用研究很欠缺，尤其是在西北硫酸鹽鹽漬土地區(qū)�；彝恋男再|(zhì)受含水率、圍壓、齡期、干密度、浸水等因素的影響。韓曉雷等[1]和劉有科[2]對(duì)灰土的影響因素和本構(gòu)模型做了研究，也對(duì)灰土的最佳含水率和最大干密度進(jìn)行了大量研究[34]，文獻(xiàn)[5]，[6]中主要從浸水和圍壓2個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，其他對(duì)灰土的研究大多是對(duì)具體工程中得到的灰土擠密樁、灰土墊層等參數(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究。然而關(guān)于硫酸鹽含鹽量對(duì)灰土強(qiáng)度有何影響的研究較少，甚至可以說是很欠缺�；彝猎诹蛩猁}鹽漬土地區(qū)應(yīng)用廣泛，隨著時(shí)間的推移，難免會(huì)有鹽分侵入灰土中，這樣會(huì)對(duì)灰土的強(qiáng)度造成影響，出現(xiàn)腐蝕、鹽脹、溶陷等不良工程特性，這與以氯鹽為主的濱海鹽漬土有很大的區(qū)別。因此，研究硫酸鹽含鹽量對(duì)灰土強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對(duì)鹽漬土地基工程的設(shè)計(jì)施工及安全運(yùn)行評(píng)估均有著十分重要的意義。 1 試驗(yàn)制備及試驗(yàn)方法 1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)所用土樣為水泥灰土（黃土、石灰、水泥的體積比為7∶2∶1），其中，黃土采用的是蘭州蘭工坪的擾動(dòng)黃土，各物理性能指標(biāo)如表1所示。水泥標(biāo)號(hào)為42.5，石灰為消解石灰，w（CaO）=74.6%，w（MgO）=7.9%，w（·）為各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 1.2 試驗(yàn)方法 �。�1）試樣制備：試樣制備根據(jù)最新《土工試驗(yàn)規(guī)范》，在烘箱恒溫105 ℃下將土料烘干，碾碎后過粒徑為5 mm孔徑的篩，將其按水泥、石灰、黃土的體積比為1∶2∶7拌合均勻，然后經(jīng)噴水制備不同含水量的試樣，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥灰土的擊實(shí)最大干密度及相應(yīng)的含水率。試驗(yàn)得到水泥灰土最大干密度γdmax=1.5 g·cm-3，最優(yōu)含水量ωop=24%。最后在最優(yōu)含水量下制備試驗(yàn)試樣，試樣為圓柱體，底面直徑為61.8 mm，高度為125 mm。 �。�2）試驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)灰土性質(zhì)的影響因素較多，本試驗(yàn)只考慮了圍壓、含鹽量2個(gè)主要因素，以探求在不同含鹽量及不同圍壓下水泥灰土力學(xué)性能的變化規(guī)律，進(jìn)而為灰土處理硫酸鹽土地區(qū)地基提供試驗(yàn)參數(shù)。 �。�3）試驗(yàn)條件：將制備好的試樣在塑料袋內(nèi)密封養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)分為2個(gè)齡期，分別為7，14 d，試驗(yàn)試樣共80件，每個(gè)齡期各為40件（每組都有1個(gè)平行試驗(yàn)）。含鹽量S（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文同）為0%，2%，4%，7%，12%五種情況，圍壓為0，100，200，300 kPa四種情況。將分別達(dá)到7，14 d齡期的試樣放在不同含鹽量的鹽水中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為16 d，使試樣達(dá)到飽和狀態(tài)，然后對(duì)其做三軸應(yīng)變控制式試驗(yàn)。2 試驗(yàn)結(jié)果分析 2.1 圍壓對(duì)水泥灰土強(qiáng)度的影響 結(jié)不排水剪切試驗(yàn)所得到的圍壓分別為0，100，200，300 kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系，其中，σ1為豎直方向的應(yīng)力，σ3為圍壓，ε為軸向應(yīng)變。不難發(fā)現(xiàn)，同一含鹽量下的水泥灰土試樣在剪切破壞時(shí)的主應(yīng)力差（σ1-σ3）f均隨圍壓σ3的增加而增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥灰土具有很強(qiáng)的脆斷性，剪切破壞主要是脆性破壞。試樣破壞時(shí)破裂面明顯，破壞面與大主應(yīng)力作用面的夾角為45°+φ/2，φ為內(nèi)摩擦角，如圖2所示。隨著圍壓的增大，水泥灰土的脆斷性減弱，此外，經(jīng)各種含鹽量溶液浸泡后的水泥灰土的軟化程度與圍壓有很大的關(guān)系，該性質(zhì)與文獻(xiàn)[6]中研究的結(jié)果相吻合。 2.2 含鹽量對(duì)水泥灰土強(qiáng)度的影響 式中：A，B1，B2，B3均為系數(shù)。 經(jīng)擬合后發(fā)現(xiàn)擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.99左右。計(jì)算得到：A=924.02，B1=96.37，B2=4.274，B3=-0.997，判定系數(shù)R2=0.980。對(duì)式（1）進(jìn)行數(shù)學(xué)求解可以得到：當(dāng)S=4.8%時(shí)其峰值強(qiáng)度達(dá)到最大值。由此可知，在一定的含鹽量范圍內(nèi)，當(dāng)周圍土體含鹽量小于4.8%時(shí)，SO2-4含量的增大有利于提高水泥灰土的強(qiáng)度，但當(dāng)SO2-4含量超過4.8%時(shí)，隨著SO2-4含量的增加，水泥灰土的強(qiáng)度又會(huì)降低。 2.3 含鹽量對(duì)水泥灰土強(qiáng)度參數(shù)的影響 圖5為三軸下c，φ成果圖（養(yǎng)護(hù)齡期14 d），由此可以得到不同含鹽量下水泥灰土的強(qiáng)度指標(biāo)。圖5中，τ為剪切強(qiáng)度，σ為應(yīng)力，c為粘聚力。不同含鹽量下水泥灰土的強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值見表2。 圖6為粘聚力c隨不同含鹽量的變化曲線，圖7為內(nèi)摩擦角φ隨不同含鹽量的變化曲線。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥灰土的c，φ值均隨著含鹽量的增加先增大后減小。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的研究可知，水泥灰土中的Ca2+與SO2-4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏（CaSO4·2H2O），石膏又與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫型水化硫鋁酸鈣，使一部分自由水轉(zhuǎn)化成結(jié)晶水而減少水的含量，同時(shí)體積增大，使水泥灰土體積膨脹，產(chǎn)生膨脹力。其主要化學(xué)反應(yīng)方程式為 隨著SO2-4的不斷侵入，水泥灰土中的離子濃度逐漸增大，因此離子的交換作用就變強(qiáng)，以上反應(yīng)生成物的體積比原來增大1.5倍，導(dǎo)致土體壓密，從而使水泥灰土顆粒間的聯(lián)結(jié)變得豐富且咬合緊密，故φ值增大；同時(shí)反應(yīng)生成的復(fù)雜鋁酸鈣水化物等使土顆粒間的聯(lián)結(jié)增強(qiáng)、增多。另外，水化硫酸鈣晶體的膠結(jié)作用也有利于粘聚力的增大，故c值也在不斷增大。但若硫酸鹽含量過大，膨脹會(huì)超過水泥水化物膠結(jié)作用產(chǎn)生的粘結(jié)強(qiáng)度，使已成形的水泥灰土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，粘結(jié)強(qiáng)度顯著減小，即表現(xiàn)為c值的減��；同時(shí)增大了水泥灰土的孔隙，減小了水泥灰土之間的摩擦力，即表現(xiàn)為φ值的減小，也就體現(xiàn)了水泥灰土強(qiáng)度的降低。3 結(jié) 語 （1）含鹽量是水泥灰土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的主要影響因素之一，尤其是對(duì)粘聚力的影響較大，粘聚力隨著含鹽量的增加先增大后減��；對(duì)內(nèi)摩擦角也有類似的影響規(guī)律，只是沒有粘聚力那么明顯。 �。�2）通過試驗(yàn)可以得出，含鹽量及圍壓對(duì)水泥灰土是否具有脆性的影響很大。 �。�3）通過本試驗(yàn)所得出的含鹽量對(duì)水泥灰土強(qiáng)度的影響界限可為工程設(shè)計(jì)、工程安全監(jiān)測(cè)，尤其是早期預(yù)測(cè)研究有重要參考意義。 �。�4）以上研究結(jié)果反映了水泥灰土強(qiáng)度變化的一個(gè)側(cè)面，有關(guān)水泥灰土強(qiáng)度參數(shù)變化的其他影響因素還有待進(jìn)行深入的研究。 參考文獻(xiàn)： [1] 韓曉雷，郅 彬，郭志勇.灰土強(qiáng)度影響因素研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（5）：667669. [2]劉有科.灰土強(qiáng)度影響因素及其本構(gòu)關(guān)系的研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2004. [3]王希玲.灰土擊實(shí)試驗(yàn)及其應(yīng)用[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，19（3）：1821. [4]董玉文，張伯平，唐 林.黃土灰土的擊實(shí)性與抗剪性試驗(yàn)研究[J].西北水資源與水工程，2001，12（1）：6264. [5]米海珍，王 昊，高 春，等.灰土的浸水強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（9）：27812785. [6]米海珍，朱浩穩(wěn)，王 昊.三軸試驗(yàn)下二八灰土強(qiáng)度的變化規(guī)律[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（4）：117120. [7]周承剛，高俊良.水泥土強(qiáng)度的影響因素[J].煤田地質(zhì)與勘探，2001，29（1）：4548.
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