水泥固化黏土基本強(qiáng)度特性的研究

水泥固化黏土基本強(qiáng)度特性的研究

1水水泥固化的研究隨著陸路工程的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，大量土壤和污染物被清除或沉積，導(dǎo)致廢棄或沉積。對疏浚棄土的處理方法有很多種,包括物理處理、熱處理和化學(xué)處理,應(yīng)用最為廣泛的是采用水泥對疏浚棄土進(jìn)行化學(xué)固化。在國外,已有多個圍海墾地工程采用水泥固化流塑態(tài)淤泥(CementStabilizedDredgedFill,以下簡稱SDF)技術(shù),并取得良好的成效,如日本CentralJapanInternationalAirport人工島填筑工程。大量學(xué)者對傳統(tǒng)水泥固化黏土強(qiáng)度指標(biāo)與其基本參數(shù)(如含水率W、水泥劑量Aw等)間的定量關(guān)系進(jìn)行了研究。Uddin等通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥劑量和含水率對水泥土強(qiáng)度的影響很大;賈堅(jiān)通過室內(nèi)試驗(yàn)認(rèn)為含水率是影響水泥土加固效果的關(guān)鍵因素。同時,許多學(xué)者對水泥固化黏土的變形模量和硬度等方面進(jìn)行深入研究。然而,目前對SDF強(qiáng)度特性的研究還沒有統(tǒng)一的定論,單純依靠增加水泥劑量或者減少含水率來增加SDF抗壓強(qiáng)度不夠經(jīng)濟(jì)合理?；谏鲜鰡栴},許多研究結(jié)合水泥劑量和含水率對SDF強(qiáng)度的影響,提出了水灰比(W/Aw)的概念,并驗(yàn)證了該參數(shù)的適用性。Horpibulsuk等認(rèn)為W/Aw是最廣泛應(yīng)用于低水泥劑量固化高含水率黏土的參量,并且是影響水泥土強(qiáng)度的唯一基本控制參數(shù)。Kitazume和Hayano通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn),研究了SDF的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度特性,考慮W/Aw對SDF強(qiáng)度的影響,并提出相應(yīng)的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。然而,Lee等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),將W/Aw作為描述水泥土強(qiáng)度的基本參數(shù)并不適用于所有類型的SDF。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,分別對水泥劑量Aw和水灰比W/Aw對SDF強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行分析,并結(jié)合歸一化方法,研究水灰比在SDF技術(shù)應(yīng)用中的適用性。2配合比的制作試驗(yàn)用土包括兩種類型海相黏土:(a)上層海相黏土(A類海泥)(2個樣本);(b)淡水沉積的表層海相軟黏土(B類海泥)(2個樣本)。各土樣的物理性質(zhì)詳見表1。試驗(yàn)用水泥為高爐礦渣硅酸鹽水泥,礦渣含量為65%。試驗(yàn)用水為含鹽度3.03%的海水。按照不同預(yù)制樣本的含水率和水泥劑量,在不同的齡期下,采取正交試驗(yàn),制作27組不同配合比試樣,如圖1所示,每組配合比樣本制作3個壓縮試樣。試樣的制備步驟如下:(1)將土-水-水泥按照規(guī)定配合比混合,并放入攪拌機(jī)攪拌均勻;(2)將攪拌均勻的混合料分層裝入標(biāo)準(zhǔn)圓柱形PVC試模(尺寸為:直徑50mm,高100mm),每層經(jīng)振動排出氣泡后再裝入下一層;(3)將試樣密封后置于充滿海水的養(yǎng)護(hù)箱中,并放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20±3℃,濕度>95%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(28d)。試樣脫模后,立即進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn)(UCT),過程嚴(yán)格按規(guī)范JISA1216:2009(JGS2009)執(zhí)行。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1qu-aw曲線圖2為四種土樣在不同含水率工況下水泥劑量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖。對于B類海泥,當(dāng)Aw>16%時,各工況qu均隨Aw的增加呈線性增加;當(dāng)Aw<16%時,各工況qu則隨Aw的增加呈非線性增加。對于A類海泥,當(dāng)Aw>10%時,各工況qu均隨Aw的增加呈線性增加。綜上所述,當(dāng)Aw較小時,SDF強(qiáng)度隨Aw的增加呈非線性增長;隨著Aw的逐漸增大,曲線逐漸向線性增長轉(zhuǎn)變。另外,對于不同類型土,qu-Aw曲線由非線性增長轉(zhuǎn)為線性增長的臨界點(diǎn)不一致(A類海泥:小于10%;B類海泥:約為16%)。圖2還顯示:qu和qu-Aw曲線的斜率均隨W的增加而減小。分析其原因是:SDF強(qiáng)度主要源于水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物與黏土顆粒結(jié)合形成的膠結(jié)產(chǎn)物,當(dāng)含水率高于反應(yīng)所需的含水率時(一般大于土的液限),多余的水分會分布于膠結(jié)產(chǎn)物孔隙中,使其強(qiáng)度減小,且多余水分越多,強(qiáng)度越小,其增加的速率也越小。3.2sdf強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系圖3為兩種不同海泥SDF強(qiáng)度與水灰比關(guān)系曲線。整體上,qu隨水灰比的增加而減小;對同一類型海泥,在相同水灰比工況下,各土樣的強(qiáng)度值幾乎相等,即可采用同一曲線對同類型土的SDF強(qiáng)度與水灰比關(guān)系進(jìn)行描述。Kitazume基于室內(nèi)試驗(yàn)提出的關(guān)于水灰比參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式:式中:a、b為擬合參數(shù),W/Aw為水灰比。圖3中還顯示:式(1)能夠較好的描述B類海泥的SDF強(qiáng)度特性(R2=0.918),而對于A類海泥則存在較大的差異性(R2=0.826),表明水灰比對不同類型SDF的強(qiáng)度特性影響程度不一致。4海泥歸一化強(qiáng)度為了進(jìn)一步分析各參數(shù)對SDF強(qiáng)度的影響,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,消除由于土類水泥劑量、含水率和養(yǎng)護(hù)齡期等因素變化引起的強(qiáng)度變異,使分析結(jié)果更加精確。本節(jié)針對水灰比參數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,采用qu(15%,150%,28d)作為歸一化分母,即:式中:為歸一化的qu。圖4為兩種類型土的歸一化強(qiáng)度與水灰比關(guān)系曲線。整體上,SDF強(qiáng)度依然隨水灰比的增加呈冪函數(shù)減小,且歸一化前后的指數(shù)不變,即對數(shù)據(jù)的歸一化處理不影響SDF強(qiáng)度隨水灰比的變化趨勢。另外,A類海泥歸一化處理后R2增加了6.2%,B類海泥歸一化處理后R2增加了2.4%,即對歸一化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其擬合曲線更為收斂,結(jié)果更加準(zhǔn)確。然而,歸一化處理雖然消除了眾多因素引起的強(qiáng)度變異,但A類海泥的數(shù)據(jù)點(diǎn)依然比B類海泥的離散,這是由于W和Aw對強(qiáng)度的影響程度不一致引起的。該結(jié)果表明:W/Aw雖然是影響SDF強(qiáng)度特性的主要參數(shù),但不是“影響水泥土強(qiáng)度的唯一基本控制參數(shù)”。5sdf水灰比與水土比的關(guān)系基于室內(nèi)試驗(yàn),研究了SDF強(qiáng)度與水泥劑量和含水率的關(guān)系,采用歸一化方法處理數(shù)據(jù),研究SDF強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系,并得到以下結(jié)論:(1)水泥劑量對SDF強(qiáng)度特性影響顯著,其SDF強(qiáng)度隨水泥劑量的增加而增大;水泥劑量較低時,SDF強(qiáng)度隨水泥劑量呈非線性增加,水泥劑量較高時呈線性增加;不同類型土,SDF強(qiáng)度隨水泥劑量變化曲線由非線性轉(zhuǎn)為線性的臨界點(diǎn)不一致。