膨胀土流态固化改性试验与配合比研究
Fluidized solidification modification tests on expansive soil and its mixing proportions study
通讯作者:
收稿日期: 2023-08-5
| 基金资助: |
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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:
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:
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:
本文引用格式
杜建彪, 罗强, 蒋良潍, 曹子奇, 王腾飞, 张良.
DU Jianbiao, LUO Qiang, JIANG Liangwei, CAO Ziqi, WANG Tengfei, ZHANG Liang.
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
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
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
表 1 流态固化土测试方案
Tab.1
| 方案 | S/% | C/% | W/% | TC/d |
| 自由膨胀率 | 6, 8, 10, 12,14 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | 14 |
| 标准吸湿率 | 6, 8, 10, 12,14 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | 14 |
| 无侧限抗压强度 | 6, 8, 10, 12,14 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | 14 |
| 龄期对无侧限抗压强度的影响 | 10 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | 3, 7, 14, 28, 56 |
| 干湿循环对无侧限抗压强度的影响 | 10 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | 14 |
| 初始流动度 | 6, 8, 10, 12,14 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | — |
| 经时流动度 | 10 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | — |
| 泌水率 | 6, 8, 10, 12,14 | 18, 21, 24, 27 | 70, 75, 80, 85 | — |
1.3. 试验流程及方法
试验流程如图4所示.
图 4
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
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
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Fs、wa分别降低9%~11%和0.76%~0.83%. 当C、W一定时,S由6%增至14%,混合料的Fs、wa分别降低6.50%~8.00%和0.46%~0.53%. 当S、C一定时,不同W试样的Fs、wa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 7
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如表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S、W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S、C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
| C/% | W/% | qu/MPa | ||||
| S=6% | S=8% | S=10% | S=12% | S=14% | ||
| 18 | 70 | 0.64 | 0.67 | 0.73 | 0.72 | 0.66 |
| 75 | 0.54 | 0.58 | 0.62 | 0.60 | 0.56 | |
| 80 | 0.43 | 0.47 | 0.50 | 0.48 | 0.44 | |
| 85 | 0.30 | 0.33 | 0.38 | 0.35 | 0.31 | |
| 21 | 70 | 0.78 | 0.83 | 0.88 | 0.87 | 0.81 |
| 75 | 0.67 | 0.72 | 0.76 | 0.73 | 0.70 | |
| 80 | 0.53 | 0.58 | 0.61 | 0.58 | 0.56 | |
| 85 | 0.36 | 0.40 | 0.45 | 0.41 | 0.41 | |
| 24 | 70 | 0.90 | 0.98 | 1.03 | 1.00 | 0.96 |
| 75 | 0.76 | 0.81 | 0.87 | 0.85 | 0.82 | |
| 80 | 0.65 | 0.66 | 0.71 | 0.68 | 0.65 | |
| 85 | 0.46 | 0.49 | 0.51 | 0.50 | 0.47 | |
| 27 | 70 | 1.01 | 1.13 | 1.19 | 1.15 | 1.11 |
| 75 | 0.87 | 0.95 | 1.00 | 0.98 | 0.94 | |
| 80 | 0.73 | 0.75 | 0.81 | 0.77 | 0.75 | |
| 85 | 0.54 | 0.58 | 0.58 | 0.58 | 0.56 | |
2.2.3. 试样强度随龄期变化的规律
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
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如图9(b)所示. 可以看出,当试样水固比一定时,rs与C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 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如表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f0随S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S、C一定,W增加5%,f0增长22~26 mm,即f0受W影响最显著. 保持W与S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
| C/% | W/% | f0/mm | ||||
| S=6% | S=8% | S=10% | S=12% | S=14% | ||
| 18 | 70 | 140 | 148 | 153 | 158 | 162 |
| 75 | 163 | 172 | 179 | 185 | 189 | |
| 80 | 187 | 197 | 205 | 210 | 215 | |
| 85 | 211 | 221 | 229 | 234 | 239 | |
| 21 | 70 | 144 | 151 | 157 | 162 | 165 |
| 75 | 166 | 175 | 183 | 188 | 192 | |
| 80 | 190 | 199 | 207 | 212 | 216 | |
| 85 | 212 | 222 | 231 | 235 | 240 | |
| 24 | 70 | 146 | 154 | 161 | 165 | 167 |
| 75 | 169 | 178 | 185 | 191 | 194 | |
| 80 | 193 | 202 | 209 | 215 | 219 | |
| 85 | 215 | 225 | 233 | 239 | 243 | |
| 27 | 70 | 148 | 157 | 163 | 168 | 170 |
| 75 | 172 | 181 | 188 | 192 | 196 | |
| 80 | 194 | 203 | 211 | 217 | 222 | |
| 85 | 218 | 227 | 236 | 242 | 246 | |
2.3.2. 时间效应对流动度损失的影响
图 11
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,
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
| 试样 | 编号 | Bm/% | ||||||
| t=15 min | t=30 min | t=60 min | t=90 min | t=120 min | t=150 min | t=180 min | ||
| 1 | S6W75C21 | 0.35 | 0.52 | 1.84 | 2.69 | 2.80 | 2.97 | 3.01 |
| 2 | S8W75C21 | 0.89 | 1.34 | 2.39 | 3.05 | 3.20 | 3.27 | 3.30 |
| 3 | S10W75C21 | 1.14 | 1.96 | 2.71 | 3.61 | 3.69 | 3.76 | 3.80 |
| 4 | S12W75C21 | 1.49 | 2.24 | 3.29 | 3.95 | 4.00 | 4.17 | 4.20 |
| 5 | S14W75C21 | 1.78 | 2.67 | 3.66 | 4.21 | 4.30 | 4.45 | 4.48 |
| 6 | S10W70C21 | 0.76 | 1.14 | 1.73 | 1.95 | 2.01 | 2.27 | 2.31 |
| 7 | S10W80C21 | 2.11 | 3.17 | 4.16 | 4.70 | 4.76 | 4.82 | 4.85 |
| 8 | S10W85C21 | 2.70 | 4.05 | 5.30 | 5.97 | 6.11 | 6.25 | 6.28 |
| 9 | S10W75C18 | 0.97 | 1.79 | 2.59 | 3.57 | 3.67 | 3.74 | 3.78 |
| 10 | S10W75C24 | 1.32 | 2.13 | 2.84 | 3.65 | 3.73 | 3.79 | 3.83 |
| 11 | S10W75C27 | 1.50 | 2.30 | 2.95 | 3.71 | 3.79 | 3.83 | 3.85 |
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
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%)
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
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)与C的归一化效果较好,可以得到Xq(c)与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
同理,可以得到Xq(w)与C的拟合函数关系为
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
将式(8)与式(9)代入式(10),得到qu关于C及W的统一表达式为
同理,采用归一化方法求解得初始流动度表达式为
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
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
| 试样 | qu/MPa | δ1/% | f0/mm | δ2/% | ||
| 实测 | 估算 | 实测 | 估算 | |||
| S10C19W70 | 0.81 | 0.83 | 2.47 | 166 | 159 | −4.23 |
| S10C20W76 | 0.75 | 0.70 | −6.67 | 192 | 188 | −2.08 |
| S10C23W70 | 1.01 | 1.03 | 2.00 | 160 | 168 | 5.00 |
| S10C25W75 | 0.89 | 0.94 | 5.62 | 185 | 196 | 5.95 |
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.
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