水泥固化黏土基本强度特性的研究

水泥固化黏土基本强度特性的研究

1水水泥固化的研究随着陆路工程的发展和城市化进程的推进，大量土壤和污染物被清除或沉积，导致废弃或沉积。对疏浚弃土的处理方法有很多种,包括物理处理、热处理和化学处理,应用最为广泛的是采用水泥对疏浚弃土进行化学固化。在国外,已有多个围海垦地工程采用水泥固化流塑态淤泥(CementStabilizedDredgedFill,以下简称SDF)技术,并取得良好的成效,如日本CentralJapanInternationalAirport人工岛填筑工程。大量学者对传统水泥固化黏土强度指标与其基本参数(如含水率W、水泥剂量Aw等)间的定量关系进行了研究。Uddin等通过室内试验发现水泥剂量和含水率对水泥土强度的影响很大;贾坚通过室内试验认为含水率是影响水泥土加固效果的关键因素。同时,许多学者对水泥固化黏土的变形模量和硬度等方面进行深入研究。然而,目前对SDF强度特性的研究还没有统一的定论,单纯依靠增加水泥剂量或者减少含水率来增加SDF抗压强度不够经济合理。基于上述问题,许多研究结合水泥剂量和含水率对SDF强度的影响,提出了水灰比(W/Aw)的概念,并验证了该参数的适用性。Horpibulsuk等认为W/Aw是最广泛应用于低水泥剂量固化高含水率黏土的参量,并且是影响水泥土强度的唯一基本控制参数。Kitazume和Hayano通过室内和现场试验,研究了SDF的无侧限抗压强度特性,考虑W/Aw对SDF强度的影响,并提出相应的强度经验公式。然而,Lee等通过试验研究发现,将W/Aw作为描述水泥土强度的基本参数并不适用于所有类型的SDF。本文通过室内试验结果,分别对水泥剂量Aw和水灰比W/Aw对SDF强度特性的影响进行分析,并结合归一化方法,研究水灰比在SDF技术应用中的适用性。2配合比的制作试验用土包括两种类型海相黏土:(a)上层海相黏土(A类海泥)(2个样本);(b)淡水沉积的表层海相软黏土(B类海泥)(2个样本)。各土样的物理性质详见表1。试验用水泥为高炉矿渣硅酸盐水泥,矿渣含量为65%。试验用水为含盐度3.03%的海水。按照不同预制样本的含水率和水泥剂量,在不同的龄期下,采取正交试验,制作27组不同配合比试样,如图1所示,每组配合比样本制作3个压缩试样。试样的制备步骤如下:(1)将土-水-水泥按照规定配合比混合,并放入搅拌机搅拌均匀;(2)将搅拌均匀的混合料分层装入标准圆柱形PVC试模(尺寸为:直径50mm,高100mm),每层经振动排出气泡后再装入下一层;(3)将试样密封后置于充满海水的养护箱中,并放置在标准养护室(20±3℃,湿度>95%)进行养护至规定龄期(28d)。试样脱模后,立即进行无侧限压缩试验(UCT),过程严格按规范JISA1216:2009(JGS2009)执行。3试验结果与分析3.1qu-aw曲线图2为四种土样在不同含水率工况下水泥剂量与无侧限抗压强度的关系曲线图。对于B类海泥,当Aw>16%时,各工况qu均随Aw的增加呈线性增加;当Aw<16%时,各工况qu则随Aw的增加呈非线性增加。对于A类海泥,当Aw>10%时,各工况qu均随Aw的增加呈线性增加。综上所述,当Aw较小时,SDF强度随Aw的增加呈非线性增长;随着Aw的逐渐增大,曲线逐渐向线性增长转变。另外,对于不同类型土,qu-Aw曲线由非线性增长转为线性增长的临界点不一致(A类海泥:小于10%;B类海泥:约为16%)。图2还显示:qu和qu-Aw曲线的斜率均随W的增加而减小。分析其原因是:SDF强度主要源于水泥水化反应和火山灰反应生成的水化产物与黏土颗粒结合形成的胶结产物,当含水率高于反应所需的含水率时(一般大于土的液限),多余的水分会分布于胶结产物孔隙中,使其强度减小,且多余水分越多,强度越小,其增加的速率也越小。3.2sdf强度与水灰比的关系图3为两种不同海泥SDF强度与水灰比关系曲线。整体上,qu随水灰比的增加而减小;对同一类型海泥,在相同水灰比工况下,各土样的强度值几乎相等,即可采用同一曲线对同类型土的SDF强度与水灰比关系进行描述。Kitazume基于室内试验提出的关于水灰比参数的经验公式:式中:a、b为拟合参数,W/Aw为水灰比。图3中还显示:式(1)能够较好的描述B类海泥的SDF强度特性(R2=0.918),而对于A类海泥则存在较大的差异性(R2=0.826),表明水灰比对不同类型SDF的强度特性影响程度不一致。4海泥归一化强度为了进一步分析各参数对SDF强度的影响,将试验数据进行归一化处理,消除由于土类水泥剂量、含水率和养护龄期等因素变化引起的强度变异,使分析结果更加精确。本节针对水灰比参数对试验数据进行归一化处理,采用qu(15%,150%,28d)作为归一化分母,即:式中:为归一化的qu。图4为两种类型土的归一化强度与水灰比关系曲线。整体上,SDF强度依然随水灰比的增加呈幂函数减小,且归一化前后的指数不变,即对数据的归一化处理不影响SDF强度随水灰比的变化趋势。另外,A类海泥归一化处理后R2增加了6.2%,B类海泥归一化处理后R2增加了2.4%,即对归一化后的数据进行拟合,其拟合曲线更为收敛,结果更加准确。然而,归一化处理虽然消除了众多因素引起的强度变异,但A类海泥的数据点依然比B类海泥的离散,这是由于W和Aw对强度的影响程度不一致引起的。该结果表明:W/Aw虽然是影响SDF强度特性的主要参数,但不是“影响水泥土强度的唯一基本控制参数”。5sdf水灰比与水土比的关系基于室内试验,研究了SDF强度与水泥剂量和含水率的关系,采用归一化方法处理数据,研究SDF强度与水灰比的关系,并得到以下结论:(1)水泥剂量对SDF强度特性影响显著,其SDF强度随水泥剂量的增加而增大;水泥剂量较低时,SDF强度随水泥剂量呈非线性增加,水泥剂量较高时呈线性增加;不同类型土,SDF强度随水泥剂量变化曲线由非线性转为线性的临界点不一致。