浙江大学学报(工学版), 2024, 58(10): 2137-2148 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.10.018

土木工程、交通工程

膨胀土流态固化改性试验与配合比研究

杜建彪,, 罗强, 蒋良潍, 曹子奇, 王腾飞, 张良,

1. 西南交通大学 土木工程学院,四川 成都 610031

2. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室,四川 成都 610031

3. 中电建铁路建设投资集团有限公司,北京 100071

Fluidized solidification modification tests on expansive soil and its mixing proportions study

DU Jianbiao,, LUO Qiang, JIANG Liangwei, CAO Ziqi, WANG Tengfei, ZHANG Liang,

1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

2. Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

3. PowerChina Railway Construction Investment Group Limited Company, Beijing 100071, China

通讯作者: 张良,男,副教授. orcid.org/0000-0003-4079-0687. E-mail:LZhang@swjtu.edu.cn

收稿日期: 2023-08-5  

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52078435);四川省自然科学基金资助项目(2023NSFSC0391).

Received: 2023-08-5  

Fund supported: 国家自然科学基金资助项目(52078435);四川省自然科学基金资助项目(2023NSFSC0391).

作者简介 About authors

杜建彪(1997—),男,博士生,从事路基工程研究.orcid.org/0009-0008-8296-4677.E-mail:1781950412@qq.com , E-mail:1781950412@qq.com

摘要

流态固化改性是弃方资源化新方式,有助于解决道路工程中异形或狭隘空间难以回填压实问题. 选取南宁地区中等膨胀土弃方,与水、水泥及标准砂混合配制流态固化土试样并开展室内土工试验,分析掺配比对试样膨胀性、强度、流动度及泌水率的影响规律. 结果表明:试样膨胀性由掺灰比和掺砂比决定,受水固比影响小,当掺灰比大于18%且掺砂比超过6%时,试样呈现非膨胀特征. 无侧限抗压强度主要来自水泥水化作用,随掺砂比的增加呈先增大后降低的变化,掺砂比上限宜控制在10%;水固比增加导致强度大幅下降,水固比大于80%后干湿循环条件下的强度衰减趋势显著. 初始流动度与水固比、掺砂比及掺灰比正相关,受掺灰比影响最小;试样拌合完成后的90 min是流动度损失的主要阶段,流动度损失率为23%~32%,随后变化放缓. 泌水率取决于水固比,受掺灰比影响较小. 基于试验规律,经归一化分析得到膨胀土流态固化改性配合比设计流程.

关键词: 膨胀土 ; 流态固化土 ; 膨胀性 ; 无侧限抗压强度 ; 流动度 ; 配合比

Abstract

Fluidized solidification modification constitutes a new method for repurposing discarded materials, offering a solution to challenges associated with backfill compaction in irregular or constrained spaces within road engineering. Employing a distinct variety of medium expansive soil from the Nanning region, and amalgamating it with water, cement, and standardized sand, fluidized solidified soil specimens were developed and evaluated through laboratory-scale geotechnical examinations. The implications of diverse mixing proportions on swelling potential, strength, fluidity and bleeding rate of the specimens were comprehensively analyzed. Results show that the swelling characteristic of the specimens is largely contingent upon the cement-to-aggregate ratio and the sand-to-soil ratio, while the water-to-solid ratio exerts a minimal effect. The specimens manifest non-expansive characteristics when the cement-to-aggregate ratio exceeds 18% and the sand-to-soil ratio surpasses 6%. The unconfined compressive strength primarily emanates from the cement-to-aggregate ratio, exhibiting an initial increase followed by a decline with an augmented sand-to-soil ratio, necessitating sand-to-soil ratio control within 10%. An elevation in the water-to-solid ratio substantially attenuates the strength, with a ratio exceeding 80% markedly accelerating the strength degradation under cyclical wet-dry conditions. Initial fluidity is positively correlated with the water-to-solid ratio, sand-to-soil ratio and cement-to-aggregate ratio, and is least affected by the cement-to-aggregate ratio. The 90 min after the specimen finished mixing is the main stage of fluidity loss, with the rate of fluidity loss ranging from 23% to 32%, and then the change slows down. The bleeding rate is controlled by the water-to-solid ratio and is less affected by the cement-to-aggregate ratio. Based on the experimental pattern, the proportion design process for fluidized solidification modification of expansive soils was derived through data normalization analysis.

Keywords: expansive soil ; fluidized solidified soil ; swelling potential ; unconfined compressive strength ; fluidity ; mixing proportion

PDF (3774KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

杜建彪, 罗强, 蒋良潍, 曹子奇, 王腾飞, 张良. 膨胀土流态固化改性试验与配合比研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(10): 2137-2148 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.10.018

DU Jianbiao, LUO Qiang, JIANG Liangwei, CAO Ziqi, WANG Tengfei, ZHANG Liang. Fluidized solidification modification tests on expansive soil and its mixing proportions study. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(10): 2137-2148 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.10.018

膨胀土是以蒙脱石与伊利石为主要矿物的高塑性黏土,具有显著亲水性和膨胀性,易引发路基变形和边坡失稳等工程灾害[1-3].因此,道路工程中通常将大量膨胀土弃方外运至受纳场堆积,转而消耗砂石材料回填,对生态环境破坏严重. 三背(台背、涵背与墙背)回填及路基加宽时,施工空间狭窄及结构存在死角,回填材料(如砂石)难以碾压夯实,常诱发工程病害[4]. 流态固化改性是兼顾弃方资源化利用和改善狭窄空间回填质量的有效方法. 流态固化土一般以淤泥及工程渣土为原料,再掺配固化剂(如水泥)、外加剂(如减水剂)和水制成,属于可控低强度材料(controlled low-strength material, CLSM)[5-8],具有良好流动度,无需或轻微振捣即可自流平、自密实并在凝固后达到一定强度. 若能将膨胀土流态固化改性后应用于回填,可使弃方资源化并解决回填工程中回填材料缺乏、压实不足的难题.

流态固化土早期应用可追溯至1964年,美国农垦局在得克萨斯州加拿大河引水工程中使用流态固化土作为管道垫层材料[4]. 日本关于流态固化土的研究始于20世纪80年代,针对管线回填导致的城市路面塌陷问题提出的流动化处理工法具有良好回填效果[8]. 中国相关研究起步较晚;2000年,顾欢达等[9]采用流塑态淤泥土制备的流态固化土具有良好流动度及自硬性,可用于地下狭窄空洞回填. 淤泥流态固化改性可使固废资源化且耗时短、成本低,逐渐被应用于堤防工程及道路工程[10]. 随着地铁及城市管网建设,盾构渣土、弃方的流态固化改性逐步被重视. 2017年北京城市副中心综合管廊基槽用粉黏土弃方制备流态固化土进行规模化回填(填筑量约2.0×105 m3),随后在成都、深圳与雄安等地得到推广[11],相关技术标准陆续发布[7,12]. 流态固化土最基本的技术参数是强度,并依据填筑工作面能否辅助振捣确定流态固化土的流动度[7]. 朱瑜星等[13-14]通过试验发现水固比能控制粉黏土及粉砂土(渣土)流态固化改性后的流动度,强度与灰土比正相关. 流态固化土的特性参数(如泌水率)须符合的工程标准[7],确保土体输送时的匀质性及填筑后稳定性;处于暴露环境中的流态固化土须关注的特性是干湿或冻融循环下的耐久性[12,15].

流态固化改性符合绿色可持续发展理念,为渣土的资源再利用提供了新方向. 既往流态固化改性的对象多为淤泥、渣土,较少采用膨胀土. 主要原因是膨胀土存在安全隐患;且黏粒多,不易拌合,或难以控制其改性后工程特性[4,6];同时流态固化改性中为达到适宜流动度要大量掺水,满足强度要求又要增加水泥掺量,或使流态固化土经济性降低. 因此,膨胀土流态固化改性配合比对膨胀性、强度与流动度的影响规律亟待深入研究. 本研究1)选取南宁地区膨胀土与标准砂、水泥及水混合制备流态固化土,通过掺配标准砂来降低膨胀土黏性,增加流态固化改性后流动度,进而降低改性所需用水及水泥用量. 2)通过判定试样膨胀性等级,开展扫描电镜分析、无侧限抗压强度、流动度及泌水率试验,探究采用膨胀土制备符合工程回填要求的流态固化土的可能性. 3)采用数据归一化方法,提出膨胀土流态固化改性配合比设计流程及应用于一般道路路基、三背回填的配合比建议.

1. 试验材料与方法

1.1. 试验材料

流态固化土制备原材料包括膨胀土弃方、水泥、水和标准砂.

1.1.1. 膨胀土料

试验用土为南宁市某道路工程弃方,土料基本物性指标如下:相对密度为2.72,最大干密度为1.61 g/cm3,水的质量分数(最优)为22.28%,液限为74.9%,塑性指数为46.90,自由膨胀率为78%,标准吸湿含水率为5.2%,其中最大干密度及水的质量分数(最优)通过Ⅱ1重型击实试验获得;土料粒径为 (0, 2)、[2, 5)、[5, 75)、[75, 100] μm的质量分数分别为41.6%、27.0%、30.0%和1.4%. 如图1所示为膨胀土样品的X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)图谱. 由图可知,土料矿物成分主要为石英(30.20%)、蒙脱石(44.70%)、钠长石(7.20%)及伊利石(6.10%),自由膨胀率为78%,标准吸湿含水率为5.20%,参照《公路工程地质勘察规范(JTG C20—2011)》判定为中等膨胀土.

图 1

图 1   膨胀土样品X射线衍射图谱

Fig.1   X-ray diffraction patterns of expansive soils sample


1.1.2. 水泥和水

固化剂采用PC42.5复合硅酸盐水泥,主要成分为SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO,初凝和终凝时间分别为195、250 min, 水泥粒径为 (0, 3)、[3, 45)、[45, 80) μm的质量分数分别为36.20%、36.70%和26%. 试验用水为自来水.

1.1.3. 标准砂

标准砂具备较精确级配和物理性质,可降低砂物理特性指标差异对试验规律产生的影响. 为此采用福建标准砂为试验用砂,级配曲线如图2所示,其中mp为小于某粒径d的颗粒质量百分数. 粒径为0.25~0.50 mm的颗粒质量超过用砂总质量的50%,参考《公路土工试验规程(JTGD3430—2020)》,用砂属于中砂.

图 2

图 2   标准砂的粒度级配曲线

Fig.2   Grain size distribution curve of standard sand


1.2. 试验方案

参照《公路土工试验规程(JTGD3430—2020)》,依次开展膨胀性判定和无侧限抗压强度qu及流动度f试验. 膨胀性以自由膨胀率Fs及标准吸湿含水率wa为定量表征[16]. 实际工程中流态固化土填筑完毕后应至少养护14 d[7],结合已有工程案例[11,12,15],将试样(温度为16~26 ℃,相对湿度为51%~62%)养护14 d后进行无侧限抗压强度试验. 对抗压强度达标试样增补3、7、28、56 d龄期测试,探究强度与龄期的关系. 参照流态固化土水稳定性规定与干湿循环试验方法[7,17],试样养护14 d,以自然风干48 h加水(20±5 ℃)中浸泡24 h为1次干湿循环,测试1, 3,···,11次干湿循环后无侧限抗压强度,评价耐久性. 考虑混合料运输与施工时间较长或致其流动度无法满足回填要求,进行刚拌合完成的初始流动度及15、30、60、90、120、180 min的经时流动度测试. 参照《水泥砂浆泌水率试验方法(GB/T 0589—2020)》测试泌水率.

混合料性能取决于配合比,多相示意如图3所示. 以干燥膨胀土为基料,按质量掺配比添加各类材料配置流态固化土. 定义砂与干土质量比为掺砂比S,水泥与干土、砂两者质量和之比为掺灰比C,水与固体干质量比为水固比W;采用如“S10C21W70”的编号表示掺砂比为10%、掺灰比为21%和水固比为70%的配合比. 根据试测试验及砂改良膨胀土的相关研究[18],选取掺砂比为6%~14%,以2%为步长开展5种试验. 基于土料液限及流动度指标,选取水固比为70%、75%、80%及85%. 水泥质量一般占干土的7%~25%[12],选定水固比试测后选取掺灰比为18%,21%、24%和27%. 取较优掺砂比为10%,探究龄期与干湿循环对试样无侧限抗压强度的影响. 试验方案如表1所示.

图 3

图 3   流态固化土配合比

Fig.3   Mixing proportion of fluidized solidified soil


表 1   流态固化土测试方案

Tab.1  Test scheme of fluidized solidified soil

方案S/%C/%W/%TC/d
自由膨胀率6, 8, 10, 12,1418, 21, 24, 2770, 75, 80, 8514
标准吸湿率6, 8, 10, 12,1418, 21, 24, 2770, 75, 80, 8514
无侧限抗压强度6, 8, 10, 12,1418, 21, 24, 2770, 75, 80, 8514
龄期对无侧限抗压强度的影响1018, 21, 24, 2770, 75, 80, 853, 7, 14, 28, 56
干湿循环对无侧限抗压强度的影响1018, 21, 24, 2770, 75, 80, 8514
初始流动度6, 8, 10, 12,1418, 21, 24, 2770, 75, 80, 85
经时流动度1018, 21, 24, 2770, 75, 80, 85
泌水率6, 8, 10, 12,1418, 21, 24, 2770, 75, 80, 85

新窗口打开| 下载CSV


1.3. 试验流程及方法

试验流程如图4所示.

图 4

图 4   流态固化土测试流程

Fig.4   Test process of fluidized solidified soil


1.3.1. 混合料拌合

将膨胀土、水泥、砂按配比倒入JJ−20H型搅拌机,干拌1 min后加水湿拌直至拌和均匀. 将混合料置入直径和高度均为50 mm的亚力克管,室温养护24 h后脱模,继续养护至各试验龄期.

1.3.2. 自由膨胀率试验

取约50 g养护完成的试样移入烘箱,在110 ℃下烘干至恒量,碾碎后过0.50 mm筛,开展自由膨胀率试验.

1.3.3. 标准吸湿含水率试验

从试样切取约4 g薄片状土样装入质量为ma的铝盒,移入烘箱,在110 ℃下烘8 h;再放入底部装有溴化钠溶液的密闭干燥缸,每日称量铝盒总重mb,直至恒重;取出铝盒烘干至恒重mc.标准吸湿含水率计算为

$ _{ } {w_{\text{a}}} = \frac{{{m_{\mathrm{b}}} - {m_{\mathrm{c}}}}}{{{m_{\mathrm{c}}} - {m_{\mathrm{a}}}}}{. } $

1.3.4. 无侧限抗压强度试验

采用TC−20A型路面强度综合测试仪进行无侧限抗压强度测试,试验中采取1.00 mm/min慢速位移控制式加载.

1.3.5. 流动度试验

参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG3420—2020)》,采用NLD−3型水泥胶砂流动度测试仪开展试验. 混合料装入截锥圆模直至填满,随后脱模、启动电动机,在跳桌台面上下振动25次,测取混合料最大摊开方向及与之垂直方向的平均值,得到流动度.

1.3.6. 泌水率试验

用水量为md的混合料(质量为mf)置入容积为2 L(Φ 137 mm×138 mm)的容量筒(内壁润湿后质量为mg);容量筒放于跳桌上振动120次后称量混合料加筒总质量mn加盖静置. 自静置前30 min,每15 min用吸液管吸收泌水;30 min后,每30 min吸1次,直至连续3次吸水质量为0,记录总泌水质量me. 泌水率计算式为

$ _{ } {B_{\text{m}}} = \frac{{{m_{\text{e}}}}}{{\left({{{m_{\mathrm{d}}}}}/{{{m_{\mathrm{f}}}}}\right)({m_{\mathrm{n}}} - {m_{\mathrm{g}}})}} \times 100{\text{%}}{. } $

2. 试验结果分析

2.1. 膨胀性

试样自由膨胀率与标准吸湿含水率如图5所示. 当水固比及掺砂比一定时,掺灰比由18%增至27%,混合料的Fswa分别降低9%~11%和0.76%~0.83%. 当CW一定时,S由6%增至14%,混合料的Fswa分别降低6.50%~8.00%和0.46%~0.53%. 当SC一定时,不同W试样的Fswa接近. 试验表明,膨胀性受C影响最大,其次为S,几乎不受W影响. 在S≥6%、C≥18%后,流态固化土Fs<40%、wa<2.50%,参照《公路路基设计规范(JTGD30—2015)》判定为非膨胀性土. 原因是砂的增加使试样中膨胀土占比降低,同时砂几乎无膨胀性及砂粒间摩擦嵌挤作用在一定程度上能够抑制膨胀土膨胀变形[18-19]. 水泥水化产生游离Ca2+与膨胀土颗粒表面Na+、K+发生离子交换反应. 土颗粒与离子间库仑吸引力增大,减小了土颗粒表面双电层厚度,尤其是扩散层(含弱结合水)厚度. 土颗粒结合水膜变薄,亲水性降低,利于土颗粒联结和团粒化,膨胀土膨胀性得到较大程度改善[16].

图 5

图 5   自由膨胀率与标准吸湿含水率随掺灰比的变化曲线

Fig.5   Variation curves of free swell and standard hygroscopic moisture with cement-to-aggregate ratio


2.2. 无侧限抗压强度

2.2.1. 试样微观结构

膨胀土流态固化改性后强度来源于原膨胀土强度(以黏聚力为主)[18]、水泥水化硬化、硬凝反应和砂物理改良[20].

膨胀土中水泥水化生成Ca(OH)2、水化硅酸钙凝胶(C-S-H)与水化铝酸钙(C3AH6)等产物. 随着水化反应的进行,C3AH6与石膏生成针状钙矾石(Aft);且Ca(OH)2达到饱和后会与如土颗粒表面SiO2的活性物质发生火山灰反应,再生成C-S-H(硬凝). C-S-H与Aft交织成网状,填充土颗粒间孔隙,胶结、包裹土颗粒形成胶凝骨架,是土体抗压强度的主要来源[20-21]. 同一配合比(S10C21W70)的3个试样养护14 d的扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)影像如图6所示. 图6(a)中有针状物生成,表明水泥水化生成了Aft;图6(b)和图6(c)中有大量网状物生成,表明Aft及C-S-H相互交织,填充了颗粒间孔隙,并与土颗粒形成胶凝骨架,土体强度得以增强.

图 6

图 6   水泥水化的扫描电镜影像

Fig.6   Scanning electron microscope image of cement hydration


S10C21W70试样中砂的分布如图7所示,该试样的土粒粒径<100 μm,砂粒粒径≥200 μm. 可以看出,砂粒分散于土颗粒间,一方面使得土颗粒间黏聚力减小或导致原膨胀土强度降低,砂粒表面活性矿物少,不利于进行硬凝反应;另一方面,砂粒粒径与硬度大,会增大颗粒间摩擦阻力并对周围土骨架起支撑作用,有利于提高土体抗压强度[18-19,22].

图 7

图 7   砂粒的分布影像

Fig.7   Distribution image of sand


2.2.2. 试样无侧限抗压强度

流态固化土试样14 d无侧限抗压强度qu表2所示. 当流态固化土掺灰比及水固比一定时,掺砂比由6%增至10%,强度平均提高0.09 MPa;但S继续增大,强度减小. 结合SEM影像分析原因:S适当时的土颗粒间黏聚力下降小,原膨胀土强度降低少;土粒占比变化不大,水泥水化及硬凝反应所受影响小,骨架强度得以维持;则砂增大摩擦阻力的同时能有效支撑骨架[19]. 因此,砂对土的物理改良效应强于原膨胀土强度下降和硬化、硬凝反应减少引起的强度降低[20]. 当S >10%时,原膨胀土强度下降大;硬凝反应减少较多,骨架强度降低;则砂难以充分发挥支撑作用. 因此,土体强度减小[18]. 当SW一定时,试样强度随C近似呈线性增长;C增加3%,强度平均增长0.11 MPa. 当SC一定时,强度与W负相关;W增加5%,强度平均降低0.15 MPa,表明W对强度影响仅次于C. 原因是W增大会减弱颗粒胶结作用,且碱性环境降低使Ca(OH)2不易饱和,不利于硬凝反应进行[21].

表 2   流态固化土的无侧限抗压强度

Tab.2  Unconfined compressive strength of fluidized solidified soil

C/%W/%qu/MPa
S=6%S=8%S=10%S=12%S=14%
18700.640.670.730.720.66
750.540.580.620.600.56
800.430.470.500.480.44
850.300.330.380.350.31
21700.780.830.880.870.81
750.670.720.760.730.70
800.530.580.610.580.56
850.360.400.450.410.41
24700.900.981.031.000.96
750.760.810.870.850.82
800.650.660.710.680.65
850.460.490.510.500.47
27701.011.131.191.151.11
750.870.951.000.980.94
800.730.750.810.770.75
850.540.580.580.580.56

新窗口打开| 下载CSV


2.2.3. 试样强度随龄期变化的规律

试样掺砂比为10%时的无侧限抗压强度与龄期TC关系如图8所示. 由图8(a)可知,试样强度在7 d内增长迅速,28 d后增长变缓. 图8(b)中试样各龄期强度与28 d龄期强度比ra与龄期呈对数函数关系,阴影(误差带)的宽窄表示各试样ra相对拟合函数值的误差或波动大小. 各试样ra平均值与龄期的拟合函数为

图 8

图 8   无侧限抗压强度与养护龄期关系

Fig.8   Relationship between unconfined compressive strength and curing age


$ \overline {{r_{\text{a}}}} (x) = 0.29\ln\; (x)+0.02,\;{R^2} = 0.96{. } $

式中:$\overline {{r_{\text{a}}}} $(x)为第x天时各试样强度与28 d强度之比的平均值. 试样3、7、14、56 d的ra分别为33%~41%、55%~67%、77%~83%与107%~115%. 流态固化土应用于一般道路路基时28 d强度不低于1.00 MPa[7],建议其3、7、14 d强度应分别达到0.40、0.60、0.80 MPa;应用于三背回填时28 d强度不低于0.80 MPa[6],建议其3、7 d、14 d强度应达0.30、0.50、0.65 MPa[23].

2.2.4. 干湿循环对强度影响的规律

将经历与未经历干湿循环试样的无侧限抗压强度之比,定义为试样无侧限抗压强度残余率rs. 多数试样rs随干湿循环次数NC增加而降低,于9次干湿循环后趋近稳定,如图9(a)所示. 部分掺灰比较高的试样rs在1次干湿循环后上升.原因是试样存在孔隙,水分渗入促进了水泥水化[15,17], 14 d时水泥水化已进入稳定期,受影响较小,因此随干湿循环次数继续增加,各试样变化规律基本一致[5,15]. 试样11次干湿循环后的rs图9(b)所示. 可以看出,当试样水固比一定时,rsC正相关. 原因是C增加使水化产物增多,试样胶凝骨架强度提高,且孔隙率降低,微观结构更致密, 因此试样内部贯通孔隙减少,水分渗透溶蚀通道被隔绝,耐久性得以增强,如图10所示[5,24]. 相反,掺灰比一定时,试样W增加会降低耐久性. 试样W由80%增至85%,rs降低6%~13%,突然出现较大幅度降低,原因是试样较多渗透通道被水贯穿,因此宜使W<80%.

图 9

图 9   干湿循环后的强度残余率

Fig.9   Strength residuals after wet-dry cycles


图 10

图 10   水化产物填充孔隙并隔绝渗透通道

Fig.10   Hydration products fill pores and isolate infiltration channels


2.3. 流动度
2.3.1. 配合比对初始流动度的影响

试样初始流动度f0表3所示. 当试样掺灰比、水固比一定时,掺砂比小于10%,S增加2%,f0平均增加8.20 mm;当S >10%时,S增加2%,f0平均增加4.50 mm. 可见,试样f0S增加而增加,S较大后增幅放缓. 原因是试样f0与颗粒间摩擦阻力及黏聚力负相关[22]. S增大,一方面增大了颗粒间摩擦阻力[18-19],不利于流动性改善. 另一方面,砂分散土颗粒减小颗粒间黏聚力;砂粒比表面积小,降低了颗粒形成结合水膜的需水量,增加了颗粒间自由水,利于降低颗粒间黏聚力并减小摩擦阻力增长[13,22]. 整体上,随S增加,颗粒间摩擦阻力上升所降低的流动度小于黏聚力减小所提高的流动度,但S较大时差值缩减. 此外,当SC一定,W增加5%,f0增长22~26 mm,即f0W影响最显著. 保持WS不变,增大C对试样f0有一定改善,原因是PC42.5水泥粒径整体稍大于膨胀土颗粒[5].

表 3   流态固化土的初始流动度

Tab.3  Initial fluidity of fluidized solidified soil

C/%W/%f0/mm
S=6%S=8%S=10%S=12%S=14%
1870140148153158162
75163172179185189
80187197205210215
85211221229234239
2170144151157162165
75166175183188192
80190199207212216
85212222231235240
2470146154161165167
75169178185191194
80193202209215219
85215225233239243
2770148157163168170
75172181188192196
80194203211217222
85218227236242246

新窗口打开| 下载CSV


2.3.2. 时间效应对流动度损失的影响

图11所示,试样初始流动度f0随时间增加而降低,在90 min内降低较快,随后减缓. 原因是水泥水化使混合料硬化,流动性逐步丧失[5]. 以t时刻流动度损失率定量表述时间对流动度的影响,表达式为

图 11

图 11   流态固化土的经时流动度

Fig.11   Gradual loss in fluidity of fluidized solidified soil


$ {r_f}(t) = [{f_0} - f(t)]/{f_0} . $

式中:rf(t)为试样t时刻的流动度损失率,f(t)为t时刻的流动度. 由图11可以看出,各试样90 min时流动度损失率约为23%~32%,3 h约为28%~36%. 同时,各时刻不同试样rf(t)整体较接近,其均值与时间呈对数函数关系,

$ _{ } \overline {{r_f}} (t) = 11.39\ln \;(t) - 23.51,\;{R^2} = 0.94 {. } $

式中:$ \overline {{r_f}} $(t)为t时刻各试样流动度损失率的平均值. 鉴于此,当工程中采用流态固化土进行回填时,应选择合适预拌点或施工时间,确保回填流动度满足要求. 依据规范要求[7],考虑运输或施工时间(60 min),结合本试验结果,应用于一般道路路基及三背回填的流态固化土f0宜分别达到140、185 mm[11,25].

2.4. 泌水率

试样泌水率在0~90 min增长迅速,在180 min时已基本趋于稳定,因此以试样180 min时的泌水率作为试样的泌水率,如表4所示. 由表可知,当水固比、掺灰比一定时(试样1~5),试样掺砂比由6%增至14%,颗粒间自由水增多,Bm增加1.49%. 当S=14%时,Bm临近工程允许最大值5%[26];如图12所示,当S=20%时,试样静置30 min后出现明显泌水,因此S不宜过大[5,25]. 由试样3、6、7与8可知,W增加致Bm显著增大. 当试样W=85%时,Bm>5%,填筑后易发生沉降. 试样3、9、10与11在低于60 min的泌水率随C增加而有微小增长,但最终泌水率相差不大. 原因是水泥颗粒比面积整体小于膨胀土颗粒,C增大会致自由水增加;水泥水化会消耗自由水,因此试样最终泌水率近似[5].

表 4   流态固化土的泌水率

Tab.4  Bleeding rate of fluidized solidified soil

试样编号Bm/%
t=15 mint=30 mint=60 mint=90 mint=120 mint=150 mint=180 min
1S6W75C210.350.521.842.692.802.973.01
2S8W75C210.891.342.393.053.203.273.30
3S10W75C211.141.962.713.613.693.763.80
4S12W75C211.492.243.293.954.004.174.20
5S14W75C211.782.673.664.214.304.454.48
6S10W70C210.761.141.731.952.012.272.31
7S10W80C212.113.174.164.704.764.824.85
8S10W85C212.704.055.305.976.116.256.28
9S10W75C180.971.792.593.573.673.743.78
10S10W75C241.322.132.843.653.733.793.83
11S10W75C271.502.302.953.713.793.833.85

新窗口打开| 下载CSV


图 12

图 12   不同掺砂比试样经时30 min的泌水情况

Fig.12   Bleeding of specimens with different sand-to-soil ratios after 30 min


3. 配合比设计

3.1. 强度及流动度的归一化表达式

基于试验规律可知,膨胀土掺入中砂后,在合适配合比下可制备出符合多数工程回填要求的流态固化土. 强度和流动度是流态固化土基本的技术参数,决定了流态固化土应用的工程类别,因此配合比设计基于强度及流动度展开. 试样掺砂比大于10%后继续增长,会使无侧限抗压强度下降,流动度增幅放缓且泌水率或难以满足要求. 确定S=10%,以节约水泥及降低用水. S=10%时的试样无侧限抗压强度如图13所示. 可以看出,虽然水固比不同,但随掺灰比增加,qu均呈线性趋势增长,表明quC有较好的一致性规律. 引入qu有关C的归一化因子Xq(c)[27-28]C对强度的影响规律进行具体表示[28]

图 13

图 13   流态固化土的无侧限抗压强度(S=10%)

Fig.13   Unconfined compressive strength of fluidized solidified soil (S=10%)


$ _{ } {X_{q(c)}} = \frac{{{q_{\text{u}}}(C,W) - {q_{\text{u}}}(18,W)}}{{{q_{\text{u}}}(24,W) - {q_{\text{u}}}(18,W)}}{. } $

式中:qu(18,W)、qu(24,W)为C=18%、21%时Xq(c)的归一化特征点强度. 同理,基于图13(b),引入qu有关W的归一化因子Xq(w),表达式为

$ _{ } {X_{q(w)}} = \frac{{{q_{\text{u}}}(C,W) - {q_{\text{u}}}(C,70)}}{{{q_{\text{u}}}(C,85) - {q_{\text{u}}}(C,70)}}{. } $

式中:qu(C,70)、qu(C,85)为W=70%及85%时Xq(w)的归一化特征点强度. 由式(6)可知,当C一定时,不同W下的Xq(c)近似相等,如图14(a);即Xq(c)C的归一化效果较好,可以得到Xq(c)C的拟合函数关系为

图 14

图 14   强度归一化因子与掺灰比和水固比关系

Fig.14   Strength normalisation factor versus cement-to-aggregate ratio and water-to-solid ratio


$ _{ } {X_{q(c)}} = 16.59C - 2.97 {. } $

同理,可以得到Xq(w)C的拟合函数关系为

$ _{ } {X_{q(w)}} = 6.65W - 4.68 {. } $

联立式(6)与式(7),代入特征点值qu(18,70)=0.73、qu(24,70)=1.03、qu(18,85)=0.38与qu(24,85)=0.51. 得到qu有关Xq(c)Xq(w)的统一表达式为

$ \begin{gathered} {q_{\text{u}}}(C,W) = - 0.16{X_{q(c)}}{X_{q(w)}}+0.30{X_{q(c)}} - 0.38{X_{q(w)}}+0.74 .\end{gathered} $

将式(8)与式(9)代入式(10),得到qu关于CW的统一表达式为

$ _{ } {q_{\text{u}}}(C,W) = - 17.65CW+17.40C+0.63W - 0.57 {. } $

同理,采用归一化方法求解得初始流动度表达式为

$ {f_0}(C,W) = 743.11WC+284.01W - 311.51C - 78.72 {.} $

由式(11)与式(12)得到当S=10%时qu的估算值Eq与测试值Tq的比较如图15(a)所示,f0的估算值Ef与测试值Tf的比较如图15(b)所示. 可见,式(11)、式(12)在所设计配合比范围内具有较好估算精度. 因为中等膨胀土在本研究中的配合比范围内进行流态固化改性通常已能满足多数工程回填要求,所以式(11)、式(12)可为现场试验或工程应用中膨胀土的流态固化改性研究提供参考[27].

图 15

图 15   抗压强度及流动度的测量值与估算值比较

Fig.15   Comparison of measured and estimated values of compressive strength and fluidity


3.2. 配合比设计流程

当流态固化土掺砂比为10%时,基于式(11)、式(12),提出其掺灰比与水固比设计流程[6],如图16所示. 当C≥18%时,试样呈现非膨胀特征;当C=25%时,强度满足多数工程填筑要求,且当C≥25%时,流态固化土经济性或有降低[12];故输入C=25%进行配合比设计. W在使流态固化土强度满足设计要求qu,min的同时,宜在施工或运输时间(60 min)基础上使流动度达到设计值f0,min;但考虑耐久性及泌水率要求,宜使W≤80%.

图 16

图 16   流态固化土的配合比设计流程

Fig.16   Design process of mixing proportion for fluidized solidified soil


为了验证配合比设计流程,针对一般道路路基与三背回填,考虑2种耐久性水平,进行配合比设计. 在不考虑干湿循环的情况下,S10C19W70试样14 d强度和初始流动度估算值为0.83 MPa、153 mm,满足一般道路路基填筑所需的0.80 MPa和140 mm[7,11,23]; S10C20W76试样14 d估算强度为0.69 MPa、流动度为188 mm,满足三背回填所需的0.65 MPa和185 mm[7,11,25]. 在考虑干湿循环的情况下,参照图9(a)可知S10C19W70和S10C20W76试样干湿循环下达到稳定时的强度残余率分别约为79%和77%,因此试样设计强度建议分别提高为未考虑耐久性的1.25及1.30倍,配合比宜分别调整为S10C23W70及S10C25W75. 对设计的4类配合比进行实测检验,与估算值比较的结果如表5所示. 表中,δ为相对误差. 由表可知,设计试样的抗压强度及流动度满足工程要求;比较实测值与估算值,最大相对误差分别低于7%、6%,表明式(11)、式(12)有较好估算精度[27-28].

表 5   无侧限抗压强度与流动度估算的相对误差

Tab.5  Relative error of unconfined compressive strength and flow estimation

试样qu/MPaδ1/%f0/mmδ2/%
实测估算实测估算
S10C19W700.810.832.47166159−4.23
S10C20W760.750.70−6.67192188−2.08
S10C23W701.011.032.001601685.00
S10C25W750.890.945.621851965.95

新窗口打开| 下载CSV


4. 结 论

(1) 当流态固化土试样掺砂比不低于6%且掺灰比为18%时,自由膨胀率低于40%及标准吸湿含水率不足2.50%,膨胀性特征消除.

(2) 试样无侧限抗压强度随掺灰比增加或水固比减少而显著提升,在掺砂比约为10%时出现峰值. 掺砂比为10%时,各试样3,7,···,56 d的强度同28 d强度之比与龄期呈对数函数关系;试样水固比增大或掺灰比减小会降低耐久性,宜控制水固比不超过80%.

(3) 试样初始流动度与掺砂比、掺灰比和水固比呈正相关,受水固比影响最显著,掺砂比次之. 试样初始流动度损失的主要时间段在拌合完成后的0~90 min,损失率为23%~32%,3 h损失率为28%~36%.

(4) 受泌水率控制,当试样掺砂比为10%及掺灰比为21%时,水固比须低于85%;当掺灰比为21%、水固比为75%时,掺砂比须小于20%.

(5) 掺入砂的膨胀土,在合适配合比下可制备出符合多数工程回填要求的流态固化土. 本研究在最优掺砂比(10%)时,通过数据归一化提出膨胀土14 d无侧限抗压强度与初始流动度的估算模型;给出配合比设计流程及适用于一般道路路基与三背回填的配合比建议.

(6) 一方面加入标准砂本质上是置换膨胀土,标准砂对膨胀土的膨胀性无改善作用;另一方面水泥对膨胀土膨胀性改善效果欠佳,以致当膨胀土中掺砂比为6%时,掺入较多的水泥(18%)才能消除膨胀土的膨胀性. 进一步探究改善膨胀土膨胀性的改良剂,是降低膨胀土流态固化改性水泥用量与提高膨胀土流态固化改性经济性的关键.

参考文献

詹良通

非饱和膨胀土边坡中土水相互作用机理

[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2006, 40 (3): 494- 500

[本文引用: 1]

ZHAN Liangtong

Study on soil-water interaction in unsaturated expansive soil slopes

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2006, 40 (3): 494- 500

[本文引用: 1]

庄心善, 周睦凯, 周荣, 等

EPS改良膨胀土孔隙特征与滞回曲线形态

[J]. 浙江大学学报: 工学版, 2022, 56 (7): 1353- 1362

ZHUANG Xinshan, ZHOU Mukai, ZHOU Rong, et al

Pore characteristics and hysteresis curve morphology of expansive soil improved by EPS

[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2022, 56 (7): 1353- 1362

MAHEEPALA M M A L N, NASVI M C M, ROBERT D J, et a1

Mix design development for geopolymer treated expansive subgrades using artificial neural network

[J]. Computers and Geotechnics, 2023, 161: 105534

DOI:10.1016/j.compgeo.2023.105534      [本文引用: 1]

American Concrete Institute. Report on controlled low-strength materials :ACI 229R-13 [R]. Farmington Hills: ACI, 2013.

[本文引用: 3]

QIAN J S, HU Y, ZHANG J, et a1

Evaluation the performance of controlled low strength material made of excess excavated soil

[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 214: 79- 88

DOI:10.1016/j.jclepro.2018.12.171      [本文引用: 7]

ZHU Y, LIU D R, FANG G, et al

Utilization of excavated loess and gravel soil in controlled low strength material: laboratory and field tests

[J]. Construction and Building Materials, 2022, 360: 129604

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2022.129604      [本文引用: 3]

四川省住房和城乡建设厅. 预拌流态固化土工程应用技术标准: DBJ51/T188−2022 [S]. 成都: 西南交通大学出版社, 2022.

[本文引用: 9]

行宏木幡

流動化処理土の力学特性と今後の課題

[J]. 土木学会論文集F, 2006, 62 (4): 618- 627

DOI:10.2208/jscejf.62.618      [本文引用: 2]

KOHATA Yukihiro

Mechanical property of liquefied stabilized soil and future issues

[J]. Doboku Gakkai Ronbunshuu F, 2006, 62 (4): 618- 627

DOI:10.2208/jscejf.62.618      [本文引用: 2]

顾欢达, 陈甦

河道淤泥的流动化处理及其工程性质的试验研究

[J]. 岩土工程学报, 2002, 24 (1): 108- 111

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2002.01.025      [本文引用: 1]

GU Huanda, CHEN Su

Engineering properties of river sludge and its stabilization

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24 (1): 108- 111

DOI:10.3321/j.issn:1000-4548.2002.01.025      [本文引用: 1]

李志越, 戴国亮, 杜硕, 等

海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究

[J]. 东南大学学报: 自然科学版, 2023, 53 (4): 647- 654

[本文引用: 1]

LI Zhiyue, DAI Guoliang, DU Shuo, et al

Experimental study on scour resistance characteristics of fluid cured soil for offshore wind power foundation

[J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2023, 53 (4): 647- 654

[本文引用: 1]

周永祥, 霍孟浩, 侯莉, 等. 低强度流态填筑材料的研究现状及展望[EB/OL]. (2023−08−01)[2023−08−05]. https://kns.cnki.net/kcms2/detail/50.1078.TB.20230801.1604.008.html.

[本文引用: 5]

中国工程建设标准化协会. 预拌流态固化土填筑技术标准: T/CECS 1037-2022 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2022.

[本文引用: 5]

朱瑜星, 卞怡, 闵凡路, 等

地铁盾构渣土改良为流动化土进行应用试验研究

[J]. 土木工程学报, 2020, 53 (Suppl.1): 245- 251

[本文引用: 2]

ZHU Yuxing, BIAN Yi, MIN Fanlu, et al

Improvement of metro shield muck to controlled low-strength material

[J]. China Civil Engineering Journal, 2020, 53 (Suppl.1): 245- 251

[本文引用: 2]

黄锐, 刘国强, 朱祐增, 等

基于城市顶管废土的可控低强度材料(CLSM)及性能影响因素研究

[J]. 隧道建设(中英文), 2021, 41 (Suppl.2): 346- 352

[本文引用: 1]

HUANG Rui, LIU Guoqiang, ZHU Youzeng, et al

Controlled low strength materials based on pipe jacking waste soil and their property influencing factors

[J]. Tunnel Construction, 2021, 41 (Suppl.2): 346- 352

[本文引用: 1]

YE H, CHU C, XU L, et al

Experimental studies on drying-wetting cycle characteristics of expansive soils improved by industrial wastes

[J]. Advances in Civil Engineering, 2018, 2018: 2321361

DOI:10.1155/2018/2321361      [本文引用: 4]

姚海林, 杨洋, 程平, 等

膨胀土壤标准吸湿含水率及其试验方法

[J]. 岩土力学, 2004, 25 (6): 856- 859

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2004.06.003      [本文引用: 2]

YAO Hailin, YANG Yang, CHENG Ping, et al

Standard moisture absorption water content of soil and its testing standard

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25 (6): 856- 859

DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2004.06.003      [本文引用: 2]

姜屏, 陈业文, 陈先华, 等

改性石灰土在干湿和冻融循环下的无侧限抗压性能

[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2023, 53 (6): 1809- 1818

[本文引用: 2]

JIANG Ping, CHEN Yewen, CHEN Xianhua, et al

Unconfined compression behavior of modified lime stabilized soil under dry wet and freeze-thaw cycles

[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2023, 53 (6): 1809- 1818

[本文引用: 2]

杨俊, 刘子豪, 张国栋, 等

复合方法改良膨胀土无侧限抗压强度试验研究

[J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12 (4): 1069- 1076

[本文引用: 6]

YANG Jun, LIU Zihao, ZHANG Guodong, et al

Experimental research on unconfined compressive strength of expansive soil improved by composite method

[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2016, 12 (4): 1069- 1076

[本文引用: 6]

吴爱祥, 孙伟, 王洪江, 等

塌陷区全尾砂-废石混合处置体抗剪强度特性试验研究

[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32 (5): 917- 925

DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2013.05.009      [本文引用: 4]

WU Aixiang, SUN Wei, WANG Hongjiang, et al

Experimental research on shear behavior of subsidence backfill body mixed by unclassified tailings and waste rocks

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32 (5): 917- 925

DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2013.05.009      [本文引用: 4]

SAITOH S, SUZUKI Y, SHIRAI K. Hardening of soil improved by deep mixing method [EB/OL]. (1985−03−01) [2023−08−05]. https://www.issmge.org/uploads/publications/1/34/1985_03_0127.pdf

[本文引用: 3]

邓晓轩, 黄新, 宁建国

外掺剂对水泥固化土强度的影响

[J]. 岩土工程学报, 2011, 33 (10): 1628- 1633

[本文引用: 2]

DENG Xiaoxuan, HUANG Xin, NING Jianguo

Influence of admixture on strength of stabilized soils

[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33 (10): 1628- 1633

[本文引用: 2]

孙伟, 吴爱祥, 王洪江, 等

全尾砂-废石混合回填膏体流动特性变化规律

[J]. 岩土力学, 2013, 34 (12): 3464- 3470

[本文引用: 3]

SUN Wei, WU Aixiang, WANG Hongjiang, et al

The change laws of flow characteristics of backfill paste mixed by unclassified tailings and waste rock

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34 (12): 3464- 3470

[本文引用: 3]

王维, 侯中瑞, 王强, 等

水泥土圆柱体试件与立方体试无侧限抗压强度关系研究

[J]. 中国水运, 2021, 21 (10): 124- 125

[本文引用: 2]

WANG Wei, HOU Zhongrui, WANG Qiang, et al

Study on the relationship between unconfined compressive strength of hydraulic soil cylindrical specimen and cubic specimen

[J]. China Water Transport, 2021, 21 (10): 124- 125

[本文引用: 2]

刘科, 刘霖, 张永鹏

干湿/冻融循环作用下改良隔离墙的渗透性及孔隙结构

[J]. 建筑材料学报, 2022, 25 (5): 545- 550

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2022.05.015      [本文引用: 1]

LIU Ke, LIU Lin, ZHANG Yongpeng

permeability and pore structure of improved isolation wall under the action of dry-wet/freeze-thaw cycles

[J]. Journal of Building Materials, 2022, 25 (5): 545- 550

DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2022.05.015      [本文引用: 1]

WANG L, FENG W, LAZARO S A M, et al

Engineering properties of soil-based controlled low-strength materials made from local red mud and silty soil

[J]. Construction and Building Materials, 2022, 358: 129453

DOI:10.1016/j.conbuildmat.2022.129453      [本文引用: 3]

YAN D Y S, TANG Y I, LO I M C. Development of controlled low-strength material derived from beneficial reuse of bottom ash and sediment for green construction [J]. Construction and Building Materials. 2014, 64: 201–207.

[本文引用: 1]

谢宏伟, 罗强, 蒋良潍, 等

高速铁路无砟轨道路基动应力概率分布特征及估算方法

[J]. 振动与冲击, 2023, 42 (12): 29- 38

[本文引用: 3]

XIE Hongwei, LUO Qiang, JIANG Liangwei, et al

Robability distribution characteristics and an estimation method for dynamic stress of high-speed railway ballastless track subgrade

[J]. Journal of Vibration and Shock, 2023, 42 (12): 29- 38

[本文引用: 3]

常丹, 刘建坤, 李旭

冻融循环下粉砂土应力-应变归一化特性研究

[J]. 岩土力学, 2015, 36 (12): 3500- 3505

[本文引用: 3]

CHANG Dan, LIU Jiankun, LI Xu

Normalized stress-strain behavior of silty sand under freeze-thaw cycles

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36 (12): 3500- 3505

[本文引用: 3]

/