轻量土物理力学性质试验研究

轻量土物理力学性质试验研究

1减轻荷载法在软土地的基础上修建道路和公路，疾病相当突出和常见。例如，桥倾斜和倾斜桥台、桥台跳车、桥面和地板覆盖物、沉降和开裂。一般情况下,解决这些问题的传统做法只是加固地基,通过提高地基土的强度来提高地基的承载力和减小地基变形,但却忽视了减轻填土荷载的研究,使得软基地段路堤,特别是软基深厚、填土高大的路堤的沉降和稳定问题长期得不到根本的解决,因而大大增加了工程的处理和维修费用。而减轻荷载法则是通过减小填土自重,使荷载不超过地基的承载力来达到工程应用的一种处理方法。利用轻量化后的土材料作为填土材料使用时,可以通过减小土体自重的方法来减小地基内部的应力,从而可以比较容易地满足原有地基的承载力条件或减小地基沉降量,不再需要地基处理,可以获得更经济合理的工程效益。如一般的土或砂材料,其天然密度通常在1.4～2.2g/cm3之间,而混合了发泡颗粒的轻质土材料,根据发泡颗粒的混合比例,其密度可以在0.8～1.3g/cm3的范围内进行调整。通过调整各种材料的比例,可以获得满足工程所要求密度和强度条件的轻质土材料,使用轻质土材料作为填土材料时,可以达到减小墙后土压力、地基沉降变形、侧向变形量和地震荷载的目的。2内部测试2.1分砂混合轻量土的来源轻量土是基于材料本身的轻量性,易施工性及可利用建筑废弃物,弃土淤泥,工业废料等废弃物而开发研制的一种新型填土材料。它是由原料土、聚苯乙烯(ExpandedPolystyrene简称EPS)、固化剂及水按一定比例组合而成。建筑用砂混合轻量土的主要成分为建筑用砂、固化剂(水泥)、发泡聚苯乙烯颗粒和水。建筑用砂根据级配及其模数判断其为细砂;水泥采用标号425的普通硅酸盐水泥;聚苯乙烯泡沫塑料是一种化工产品,颗粒为球粒,粒径为1～3mm,它的密度约为普通土密度(1.42g/cm3)的1/70～1/50,即只有0.02～0.04g/cm3,属于超轻质材料,聚苯乙烯颗粒中主要含有聚苯乙烯、可溶性戊烷(膨胀成分)和防火剂;水用自来水或清洁的江河水。2.2水泥浆体的充填与颗粒的搅拌、搅拌,其复合布的内容为将称量好的各种材料混合。混合顺序是,先将水加入到原料土中,对原料土的含水率进行调整,采用B10型搅拌机搅拌,大约3min左右,使之成为均匀泥浆(如果含水量高,满足流动性指标要求);然后再加入不同比例的轻质材料(本文为EPS颗粒)搅拌1min,最后加入水泥,进行混合5min,搅拌成均匀的水泥浆体,泥浆充填于EPS颗粒之间的孔隙内并包裹住EPS颗粒。需要注意的是,不能将水泥、水和轻质材料同时加入,进行混合,这样难以搅拌均匀,同时还会发生轻质材料飞溅现象。因建筑用砂混合轻量土的物理力学特性与各组分的性质及数量有密切的关系,因此,为了方便分析,试验首先假定了一个参考配合比,如表1所示,其它的讨论是以此为基础作变化。3轻量土的物理实验3.1epo对轻量土的质量影响3.1.1钢板掺加量对轻量土湿密度的影响图1是轻量土的湿密度随EPS的掺量比(体积比)的变化规律,由图可知,轻量土的湿密度随EPS掺量比的增加而减少,大致呈线性递减规律变化,其变化在1.00～1.45g/cm3之间,影响较大,最大差值为0.45g/cm3,因此,EPS的掺加量是影响建筑用砂混合轻量土密度的最重要因素。3.1.2不同密度时轻量土的密度EPS为轻量土的主要材料,目前EPS的容重有16kg/m3、25kg/m3、30kg/m3、35kg/m3、45kg/m3等不同种类,不同容重的EPS对轻量土的容重势必产生一定的影响。为了研究不同容重的EPS对轻量土密度的影响,在砂、EPS和水用量不变的前提下,通过改变水泥的用量,测定出不同容重的EPS轻量土湿密度。参考配合比见表1,掺加量以砂的用量为基准(100%),其它掺量比均为其用量和砂的用量之比的百分率,在试验中砂、EPS、水的掺量比均保持不变,唯一变化的量是水泥的掺量比。表2～7为水泥掺量比分别为5.3%、8.0%、10.7%、13.3%、16%、18.7%即水泥掺量为80g,120g,160g,200g,240g,280g时(标准养护14d)湿密度(成型时测定值)试验值。由表2～7可以看出,在相同重量的情况下,轻量土的密度随EPS容重的增加而增大。而当水泥掺量不同时,轻量土的密度变化范围也不相同。密度最低值出现在水泥掺量为80g时,其值为0.8g/cm3,当水泥掺量为120g,200g,240g,280g时密度都出现最大值1.3g/cm3。由表8可以看出,当EPS为16g/cm3时,轻量土的密度在1.0g/cm3左右变化,因此密度为16g/cm3适合用于轻量土中。由表9可以看出,当EPS为25g/cm3时,轻量土的密度在1.06～1.18g/cm3之间变化,密度的变化并不是很大,最大差值只有0.12g/cm3,由此可知,密度为25g/cm3的EPS也适合用于轻量土中。由表10可以看出,当EPS为30g/cm3时,轻量土的密度在1.15～1.21g/cm3之间变化,密度的变化并不是很大,最大差值只有0.07g/cm3,密度为30g/cm3的EPS也适合用于轻量土中。由表11可以看出,当EPS为35g/cm3时,轻量土的密度在1.18～1.30g/cm3之间变化,密度的变化并不是很大,最大差值只有0.12g/cm3,较适合于轻量土的配置,但其密度略有偏大。由表12可以看出,当EPS为45g/cm3时,轻量土的密度在1.22～1.35g/cm3之间变化,虽然密度的变化不大,最大差值只有0.13g/cm3,但不能达到轻量土的容重比一般土体小得多的要求,故不能满足工程的需要。由以上分析可以知道,只有当EPS容重为16g/cm3,25g/cm3,30g/cm3,35g/cm3时适合配置轻量土,并且要选择合适的配比才适合工程需要。3.1.3钢板对轻量土密度的影响在河砂、水泥和水用量不变的情况下,用同一容重的EPS,通过改变EPS的用量,来观察不同容重的EPS对轻量土的影响。由表13～17可知,轻量土的密度随EPS掺量比的增加而减少,大致呈线性递减规律变化,且影响较大,差值介于0.5～0.8g/cm3。而且轻量土密度受EPS容重变化影响较大,EPS容重越小,轻量土的密度也越小;反之则越大。3.2水泥掺加量对水泥掺量比的影响由图2可以看出,当EPS的容重为0.025g/cm3时,建筑用砂混合轻量土的密度在1.06～1.18g/cm3之间变化,它随水泥掺量比的增加而略增大,除个别点(第三点异常,可能和试验有关),大致呈线性递增的变化规律,且影响较小,最大差值只有0.12g/cm3,因此,在一定范围内,水泥掺加量只是影响建筑用砂混合轻量土密度的次要因素。3.3水对轻量土密度的影响由图3可知,在含水量较小时,轻量土的密度随水掺量比的增加而增大。但从变化值来看,水对轻量土密度的影响并不是很大,处于1.2g/cm3左右变化。从试样的制作过程来看,在含水量为6.67%,即掺入100g水时,并不能成型。当含水量较大时,达到33.3%时,即掺入500g水以上时,试样已成稠状,而不成散状,且击实困难。3.4不同击实能量下轻量土密度特征由图4可知,轻量土的密度随击实能的增加而增大,但从变化值来看,击实能量对轻量土的密度影响并不是很大,其变化范围1.11～1.18g/cm3之间,最大变化值为0.08g/cm3。3.5对养护条件的影响由图5可知,含水量较小时,经养护室养护14后,其密度较原来的湿密度大。但当掺水量达到一定值时,反而养护14天后的湿密度比养护前小。这说明养护条件对密度有一定的影响。可能原因是当掺水量相对于养护室的湿度小时,轻量土会因吸水而使养护后的密度升高;当掺水量相对于养护室的湿度大时,轻量土会因水分蒸发而使养护后的密度降低。因此,对于工程而言,适合的养护条件是轻量土密度稳定的重要因素。4轻量土的力学性质研究4.1试验加载和试验系统建筑用砂混合轻量土作为一种特殊材料土,对其力学特性的研究目前无试验规程可循,因此暂时按土工试验规范(GB/T50123—1999)进行试验。将达到龄期的试样,在STLQ—3型路面材料强度试验仪进行加载,试验的轴向应变速率约为试件高度的1.5%/min,并结合WCX-S无侧限数据采集系统进行数据采集,采样频率为40次/秒,当测力计读数出现峰值时,继续进行3%～5%的应变后停止试验。强度试验采用直径为6.2cm,高为12.4cm的圆柱型试件,用击实法成型。由于击实能量过大会引起发泡颗粒破碎而影响试件质量,故使用较小的能量进行击实,约为一般击实试验能量的一半。实际操作时,分三层击实,每层打击15下(锤重为0.688kg,高度为25cm,击实能量为206.8kJ/m3),并在恒湿温湿润条件下养护。4.2土壤的轻微变形性质4.2.1试验结果分析图6是轻量土的应力随应变的变化规律,从图4-1中的5条曲线可以看出,图中每条曲线都有明显的峰值出现,应力应变曲线为加工软化类型曲线,这说明所形成的轻量土具有较明显的结构性。整个应力应变关系曲线分为三个阶段。第一阶段是直线段,初始加载时,随着应变的增大,应力也不断增大,在达到屈服应力阶段之前,应力应变关系接近于线性关系,但直线段较短,线性关系说明试样处于弹性变形状态,试样尚无明显裂缝出现,变形基本上可以恢复。第二阶段为材料的塑性屈服阶段,随着荷载的增加,试样出现了新的裂缝,原有裂缝也有所发展,土由收缩变为膨胀,此时应变的增长速度大于应力的增长速度,应力应变关系明显地转变为曲线,应力增大到峰值。第三阶段是破坏阶段,应力急剧下降,曲线的坡度变成负值,试样严重破坏,变形处于不可恢复阶段。虽然不同EPS掺量比情况下轻量土的应力应变关系特征较为一致,但应变值却有很大的差异,从图6中可以看出,应变值随着EPS掺量比的增加而增大,且塑性区的范围明显加大,但强度相应降低,因此对于处于桥台背填土处的轻量土而言,在强度满足要求时,适当提高EPS的掺量比能缓解桥面与路面之间的沉降差。4.2.2水泥掺量比对轻量土应力与应变关系的影响图7为不同水泥掺量情况下轻量土的应力应变关系曲线图。从图7中可以看出,应力与应变的变化规律同图6,都呈现出加工软化类型曲线。不同水泥掺量比情况下轻量土的应力应变关系特征较为一致,而且应变值相差并不是很大,达到最大应力时的应变值约为2%。因此,可以不考虑水泥掺量对应变值的影响。5土壤强度低5.1影响微土强度的epi分析5.1.1掺量比的影响图8是轻量土的无侧限抗压强度随EPS的掺量比(体积比)的变化规律,由图可知,无侧限抗压强度基本上是随EPS掺量比的增加而降低,但是在无侧限抗压强度曲线中出现一个峰值,其对应的EPS掺量比为0.64。即在EPS掺量比最小的点,如掺量比为0.32时,轻量土的强度反而比掺量比为0.64时的要小,这说明当EPS掺量比较小时,在相同的水泥(固化剂)掺量下,强度不但不升高反而呈现出降低的趋势,可能的原因是由于当EPS的掺量较少时,砂的掺量相对就大,而砂又属于细砂,比表面积大,因此水泥就有可能起不到颗粒间充分粘结的作用,故强度反而可能降低。当EPS掺量达到0.64以后无侧限抗压强度基本上属于线性变化,其斜率为负。5.1.2试验结果及分析EPS为轻量土的主要材料,目前EPS的容重有16kg/m3、25kg/m3、30kg/m3、35kg/m3、45kg/m3等不同种类,不同容重的EPS对轻量土的强度势必产生一定的影响。为了研究不同容重的EPS对轻量土的强度影响,在砂、EPS和水用量不变的前提下,通过改变水泥的用量,测定出不同容重的EPS轻量土的强度。参考配合比采用表1的数据,掺加量以砂的用量为基准(100%),其它掺量比均为其用量和砂的用量之比的百分率,在试验中砂、EPS、水的掺量比均保持不变,唯一变化的量为水泥的掺量比。表18～23以下为水泥掺量比分别为5.3%、8.0%、10.7%、13.3%、16%、18.7%即水泥掺量为80g,120g,160g,200g,240g,280g时的强度(标准养护14天,成型时测定值)试验值。由表18～23可以看出,在相同重量的情况下,轻量土的强度随EPS容重的增大而增大。但是因为水泥掺量的不同,轻量土强度各自的变化范围也不相同。当水泥掺量为120g时,强度出现最低值,为0.14MPa,当水泥掺量为280g时,强度出现最大值,为1.3MPa。由表24可以看出,当EPS为16g/cm3时,轻量土的无侧限抗压强度介于0.05～0.35MPa之间,基本上不能满足强度要求,且强度随水泥用量的增加并不明显,只有0.3MPa,到后期变化亦趋向平稳,因此密度为16g/cm3的EPS不适合用于轻量土中。由表25可以看出,当EPS为25g/cm3时,轻量土的无侧限抗压强度介于0.15～0.80MPa之间,强度变化很大,最大差值为0.65MPa,且和水泥用量基本上成正比关系,因此,只要选择合适的配比,就能够满足工程需要。由表26可以看出,当EPS为30g/cm3时,轻量土的无侧限抗压强度介于0.15～1.00MPa之间,强度变化很大,最大差值为0.85MPa,且强度和水泥用量基本上成正比关系,因此,只要选择合适的配比,就能够满足工程需要。由表27可以看出,当EPS为35g/cm3时,轻量土的无侧限抗压强度介于0.15～0.95MPa之间,强度变化很大,最大差值为0.80MPa,且强度和水泥用量基本上成正比关系,因此,只要选择合适的配比,就能够满足工程需要。由表28可以看出,当EPS为45g/cm3时,轻量土的无侧限抗压强度介于0.22～1.30MPa之间,强度变化很大,最大差值为1.0MPa,且强度和水泥用量基本上成正比关系,故强度能满足工程的需要。由以上分析可以知道,当EPS容重为25g/cm3,30g/cm3,35g/cm3,45g/cm3时配置的轻量土,并且要选择合适的配比才适合工程需要。5.1.3试验结果及分析在河砂、水泥和水用量不变的情况下,用同一容重的EPS,通过改变EPS的用量,来观察不同容重的EPS对轻量土强度的影响。由表29～33可知,对于EPS密度为16g/cm3、25g/cm3、30g/cm3时,强度随EPS掺量比的增加而降低,但对于35g/cm3、45g/cm3的EPS而言,强度并没有明显的降低。而且强度变化不是很大,即EPS掺量对轻量土的强度影响较小。由表29～33可知,当EPS的掺量较小时,无论对于任一种EPS,其组成的轻量土的强度都比掺量较大时的强度低,例如图中的EPS掺量比最小的点,这说明当EPS掺量比较小时,在相同的水泥(固化剂)掺量下,强度不但不升高反而降低。EPS的因素水平并不是一定确定的量,是与水泥掺量,EPS的种类有关,因此若水泥掺量不一样,EPS的因素水平(范围)就不同。5.2水泥掺加量对轻量砂强度的影响由图9可以看出轻量土的无侧限抗压强度基本上是随水泥掺量比的增加而升高,大致呈线性递增的变化规律,无侧限抗压强度介于0.15～0.80MPa之间,最大差值可达0.65MPa,强度变化很大,因此,水泥的掺加量是影响建筑用砂混合轻量土强度的最重要因素之一。5.3水的混合对轻量土壤肥力的影响由图10可知,在含水量较小时,轻量土的强度随水掺量比的增加而增加,但水掺量达到一定值时,强度变化较小。5.4击实能达到一定值时由图11可知,轻量土的强度在击实能