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      水泥加纖維改良路基細(xì)顆粒土的物理力學(xué)性質(zhì)研究

      2024-12-31 00:00:00潘立鵬
      西部交通科技 2024年11期
      關(guān)鍵詞:水穩(wěn)性水泥纖維

      摘要:為了探究水泥加纖維對路基細(xì)顆粒土的改良效果,文章基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究水泥及纖維對路基細(xì)顆粒土物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。結(jié)果表明:(1)液限、塑限、最優(yōu)含水率與纖維摻量呈負(fù)相關(guān),與水泥摻量呈正相關(guān);(2)最大干密度與纖維摻量呈正相關(guān),與水泥摻量呈負(fù)相關(guān);(3)當(dāng)水泥摻量<4%時(shí),試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”型,即先增大后減小的趨勢,水泥-纖維綜合改良效果遠(yuǎn)優(yōu)于二者單獨(dú)改良;(4)水泥摻量越大,改良土試樣的水穩(wěn)性越高,纖維摻量越大,試樣水穩(wěn)性越低。

      關(guān)鍵詞:水泥;纖維;改良效果;水穩(wěn)性

      中圖分類號:U414.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A" " "DOI:10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.002

      文章編號:1673-4874(2024)11-0004-03

      引言

      細(xì)顆粒土路基易沉降,易滑坡,易發(fā)生路基病害[1]。近年來,隨著我國全面實(shí)現(xiàn)小康目標(biāo)的臨近,高速公路建設(shè)進(jìn)入飛速發(fā)展階段,越來越多的工程項(xiàng)目穿越細(xì)顆粒土地區(qū),對施工質(zhì)量和效率提出了更高的要求。因此,采用合理的措施對細(xì)顆粒土進(jìn)行改良尤為重要。

      目前,國內(nèi)外學(xué)者對路基土的改良開展了一系列研究,并取得了豐富的研究成果。王澤成等[2]通過室內(nèi)凍融試驗(yàn),研究了聚丙烯纖維對土體凍脹融沉特性、含水率等的影響。崔宏環(huán)等[3]以粗粒土為研究對象,研究了其力學(xué)特性與收縮特性隨水泥、粉煤灰摻量的變化規(guī)律,并提出了填料工程適用性的評價(jià)指標(biāo)。王傳福[4]基于室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn),研究了水泥的摻量對粉細(xì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)及路用效果的影響。馮卡等[5]研究了液性指數(shù)與改良土的強(qiáng)度之間的關(guān)系,并通過室內(nèi)試驗(yàn),探究了水泥對不同液性指數(shù)素土的改良效果。綜上所述,土顆粒液性指數(shù)與改良土的強(qiáng)度之間存在一定關(guān)系,并可通過纖維、水泥、粉煤灰等材料對路基土進(jìn)行改良,但目前針對水泥加纖維對細(xì)顆粒土的改良效果的研究較少。

      鑒于此,本文以東部某省高速公路路基細(xì)顆粒土為研究對象,基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究水泥及纖維對其物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。該研究可為路基土的改良提供相應(yīng)參考。

      1原材料

      試驗(yàn)所需材料主要為素土、水泥、纖維。素土材料取自東部某省高速公路路基,水泥為石井牌PO42.5R普通硅酸鹽水泥,纖維選用聚丙烯。

      1.1素土材料

      素土材料經(jīng)篩分試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)等,得到其基本物理指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

      由表1試驗(yàn)結(jié)果可知,試驗(yàn)所用素土材料為低液限細(xì)粒土。

      1.2水泥

      試驗(yàn)所用水泥的主要化學(xué)成分如表2所示。

      水泥對土的改良主要發(fā)生以下反應(yīng):(1)水化反應(yīng):水泥中的含鈣礦物與水反應(yīng)生成膠體物質(zhì);(2)離子交換:由于水化反應(yīng)生成的膠體物質(zhì)含有大量游離Ca2+,與土顆粒表面的離子發(fā)生置換,使靜電吸引力、范德華力等變大,吸附周圍土顆粒;(3)碳化反應(yīng):Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3沉淀。

      1.3纖維

      本次試驗(yàn)選用的聚丙烯纖維具有無毒、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn),其纖維長度為13 mm;密度為0.93 g/cm3;直徑為0.2~0.45 mm。

      2改良土的物理性質(zhì)研究

      選用水泥、纖維和水泥-纖維對素土進(jìn)行改良,控制水泥摻量為0、1%、2%、3%、4%;纖維摻量為0、4%、6%、8%、10%、12%。由于塑性指數(shù)在一定程度上可以反映土的組成特性,且在實(shí)際工程中為保證施工質(zhì)量及路基穩(wěn)定性,需對土體進(jìn)行壓實(shí),故通過界限含水率試驗(yàn)和室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn),研究改良土的物理性質(zhì)變化。

      2.1界限含水率試驗(yàn)

      通過界限含水率試驗(yàn),測得改良土的液限隨改良劑摻量的變化如圖1所示。

      由圖1可知,纖維對土顆粒的液限有減小效果,水泥對土顆粒的液限有增大效果。當(dāng)水泥摻量由0增加到4%時(shí),試樣液限減小效果變化趨勢(纖維摻量0到12%)如圖2所示。當(dāng)纖維摻量由0增加到12%時(shí),試樣液限增大效果變化趨勢(水泥摻量從0到4%)如圖3所示。

      由圖2可知,纖維對試樣液限的減小效果按大小排序?yàn)椋?7.1%(水泥摻量0)>37.1%(水泥摻量1%)>24.3%(水泥摻量4%)>23.2%(水泥摻量2%)>13.5%(水泥摻量3%)。說明隨著水泥摻量的增加,纖維對土顆粒液限的減小效果整體上在變?nèi)酢?/p>

      由圖3可知,水泥對試樣液限的增大效果按大小排序?yàn)椋?06%(纖維摻量8%)>104.4%(纖維摻量10%)>102.1%(纖維摻量12%)>85.9%(纖維摻量6%)>40.7%(纖維摻量0)>39.6%(纖維摻量4%)。說明隨著纖維摻量的增加,水泥對試樣液限的增大效果呈上升趨勢。

      通過界限含水率試驗(yàn),測得改良土的塑限隨改良劑摻量的變化如圖4所示。

      由圖4可知,纖維對試樣的塑限有減小效果,水泥對試樣的塑限有增大效果。水泥摻量由0增加到4%時(shí),試樣塑限減小效果變化趨勢(纖維摻量0~12%)如圖5所示。纖維摻量由0增加到12%時(shí),試樣塑限增大效果變化趨勢(水泥摻量0~4%)如圖6所示。由圖5和圖6可知,纖維對試樣塑限的減小效果按大小排序?yàn)椋?9.2%(水泥摻量0)>65.1%(水泥摻量1%)>38.8%(水泥摻量2%)>28%(水泥摻量4%)>22.2%(水泥摻量3%),說明隨著水泥摻量的增加,纖維對試樣塑限的減小效果整體上在變?nèi)?。同時(shí)對液限的減小效果一致,當(dāng)水泥摻量增加到4%時(shí),對塑限減小效果突然變大。水泥對試樣塑限的增大效果按大小排序?yàn)椋?48.3%(纖維摻量6%)>341%(纖維摻量10%)>340.3%(纖維摻量8%)>317.8%(纖維摻量12%)>227.7%(纖維摻量4%)>79.4%(纖維摻量0),說明隨著纖維摻量的增加,水泥對試樣液限的增大效果呈上升趨勢。水泥、纖維對試樣的液限、塑限效果基本一致,不過試樣塑限對兩種改良劑的敏感性更高。

      根據(jù)圖1~4水泥、纖維和水泥-纖維不同摻量下的液限及塑限數(shù)據(jù),計(jì)算可得對應(yīng)的改良土塑性指數(shù),如下頁圖7所示。

      由圖7可知,塑性指數(shù)隨水泥、纖維摻量的增加不斷減小,且下降幅度在逐漸降低。水泥改良土的塑性指數(shù)均小于素土的塑性指數(shù)8.5,纖維改良土的塑性指數(shù)均大于素土的塑性指數(shù)8.5,這說明水泥對土顆粒的塑性指數(shù)有減小效果,纖維對土顆粒的塑性指數(shù)有增大效果。水泥-纖維改良條件下,塑性指數(shù)變化趨勢不單一。當(dāng)水泥摻量為1%、2%時(shí),塑性指數(shù)隨纖維摻量的增加前期在增大;水泥摻量為3%、4%時(shí),塑性指數(shù)隨纖維摻量的增加前期在降低。這說明水泥與纖維摻量存在一個(gè)比值,使塑性指數(shù)的變化趨勢發(fā)生改變。

      2.2擊實(shí)試驗(yàn)

      通過擊實(shí)試驗(yàn),測得改良土的最大干密度、最優(yōu)含水率隨改良劑摻量的變化趨勢分別如圖8、圖9所示。

      由圖8可知,土顆粒的最大干密度隨纖維摻量的增加逐漸變大,隨水泥摻量的增加逐漸變小,說明纖維對土顆粒最大干密度有增大效果,水泥對土顆粒最大干密度有減小效果。

      由圖9可知,土顆粒的最優(yōu)含水率隨纖維摻量的增加逐漸變小,隨水泥摻量的增加逐漸變小,說明纖維對土顆粒的最優(yōu)含水率有減小效果,水泥對土顆粒最優(yōu)含水率有增大效果。

      3改良土的力學(xué)性質(zhì)研究

      按照擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度、最優(yōu)含水率數(shù)據(jù),配置壓實(shí)度為96%的不同摻量改良土試樣,試樣直徑為50 mm,高度為100 mm。每種摻量改良劑制備4個(gè),其中2個(gè)試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d(非飽和試樣);剩余2個(gè)試樣先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d,再浸水養(yǎng)護(hù)1 d(飽和試樣)。而后開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到兩種養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與改良劑摻量關(guān)系曲線,如圖10所示。

      由圖10(a)可知,非飽和素土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為37.7kPa。素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加逐漸增大,增大效果(水泥摻量每增加1%時(shí),試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土試樣增大率)由大到小排序?yàn)椋?0.1%(水泥摻量為1%)>70.1%(水泥摻量為4%)>66.8%(水泥摻量為3%)>55.6%(水泥摻量為2%)。素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后降低,當(dāng)纖維摻量為10%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為34kPa,當(dāng)纖維摻量為12%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為22.6kPa,均小于原素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水泥摻量>2%時(shí),水泥-纖維綜合改良效果顯著。當(dāng)水泥摻量2%時(shí),纖維摻量為6%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大,為381.1kPa,較素土試樣增大了910.9%,較2%水泥改良土試樣(79.2kPa)增大了381.2%,較6%纖維改良土試樣(56.6kPa)增大了574.6%。當(dāng)水泥摻量3%時(shí),纖維摻量為6%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大,為535.9kPa,較素土試樣增大了910.9%,較3%水泥改良土試樣(113.2kPa)增大了373.4%,較6%纖維改良土試樣(56.6kPa)增大了846.8%,較2%水泥+6%纖維改良土試樣增大了154.8kPa。當(dāng)水泥摻量<4%時(shí),試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”,先增大后減小。

      由圖8(b)可知,水泥摻量為0時(shí)的飽和試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0kPa,說明纖維改良土的水穩(wěn)性較差,且飽和試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較非飽和試樣均有所減小。不同摻量試樣的折減率如圖9所示。

      由圖9可知,水泥摻量越大,飽和后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折減率越小,遇水越穩(wěn)定,這與前文水泥對土的改良主要發(fā)生的反應(yīng)相呼應(yīng)。試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折減率隨纖維摻量的增加逐漸增大,說明纖維會降低試樣的水穩(wěn)性。

      4結(jié)語

      本文以東部某省高速公路路基細(xì)顆粒土為研究對象,基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),研究水泥及纖維對其物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。得到如下主要結(jié)論:

      (1)纖維對土顆粒的液限、塑限均有減小效果,水泥對土顆粒的液限、塑限均有增大效果;纖維、水泥單獨(dú)改良時(shí),其摻量與塑性指數(shù)呈負(fù)相關(guān),但纖維改良土對塑性指數(shù)有增大效果,水泥對塑性指數(shù)有減小效果。

      (2)土顆粒最大干密度與纖維摻量呈正相關(guān),與水泥摻量呈負(fù)相關(guān);最優(yōu)含水率與纖維摻量呈負(fù)相關(guān),與水泥摻量呈正相關(guān)。

      (3)當(dāng)水泥摻量<4%時(shí),試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”,先增大后減??;水泥+纖維綜合改良效果遠(yuǎn)優(yōu)于二者單獨(dú)改良。

      (4)試樣遇水不穩(wěn)定,易崩解,導(dǎo)致飽和試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較非飽和試樣小,水泥摻量越大,改良土試樣的水穩(wěn)性越高,纖維摻量越大,試樣水穩(wěn)性越低。

      參考文獻(xiàn):

      [1]王博.高速公路路基石灰改良土試驗(yàn)研究[J].西部交通科技,2016(3):38-40,79.

      [2]王澤成,李棟偉,秦子鵬,等.季節(jié)凍土區(qū)纖維改良路基土凍脹融沉特性研究[J].森林工程,2023,39(4):145-154.

      [3]崔宏環(huán),趙嘉,胡峻暉,等.水泥粉煤灰改良粗粒土路基填料力學(xué)與收縮特性[J].鐵道建筑,2023,63(3):137-142.

      [4]王傳福.基于水泥改良沉積粉細(xì)砂路床的力學(xué)性能研究[J].公路,2023,68(1):75-79.

      [5]馮卡,趙民.公路路基水泥改良土強(qiáng)度與液性指數(shù)的關(guān)系研究[J].中外公路,2020,40(6):248-252.

      作者簡介:潘立鵬(1990—),工程師,主要從事公路工程施工管理工作。

      收稿日期:2024-05-16

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