周大衛(wèi)，周盛全，張勇飛，王瑋健

動靜荷載作用下改良膨脹土力學(xué)特性研究

周大衛(wèi)，周盛全，張勇飛，王瑋健

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

為了探究粉煤灰和石灰對江淮波狀平原地區(qū)膨脹土的改良效果和改良機(jī)理，采用了無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)(SHPB)對改良膨脹土的動靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行對比研究，并通過掃描電鏡(SEM)分析了改良前后土樣的微觀形貌。試驗(yàn)結(jié)果表明：在粉煤灰改良劑的基礎(chǔ)上加入5%的石灰后，改良土的動靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度均有明顯提升。28 d養(yǎng)護(hù)期齡下，改良土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)抗壓強(qiáng)度分別在10% F+5% L(10%粉煤灰和5%石灰)和20% F+5% L(20%粉煤灰和5%石灰)摻量下達(dá)到峰值(936.80 kPa,1 668.75 kPa)。純粉煤灰和粉煤灰-石灰共同改良條件下，改良膨脹土的動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)隨著配合比的變化均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)結(jié)果顯示改良后的膨脹土由不規(guī)則的片狀堆疊結(jié)構(gòu)變?yōu)閴K狀的整體結(jié)構(gòu)，土樣的密實(shí)性和完整性得到提高。試驗(yàn)結(jié)果證明石灰和粉煤灰共同改良膨脹土具有良好的效果，可以為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

膨脹土；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；SHPB；動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)；SEM

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮并且具有往復(fù)脹縮變形特性的黏性土，主要的礦物成分為蒙脫石和伊利石[1-2]。1938年，美國開墾局在俄勒岡州的1例基礎(chǔ)工程中首次發(fā)現(xiàn)膨脹土問題。自此，工程人員才逐漸意識到膨脹土的危害。

近年來，許多學(xué)者探究了不同種改良膨脹土的方法，他們的研究成果表明，粉煤灰和石灰等都是減小膨脹土膨脹性的有效材料。查甫生等[3]研究表明，膨脹土中加入石灰和粉煤灰可以有效降低膨脹土的塑性指數(shù)、膨脹量、自由膨脹率、線縮率等膨脹性指標(biāo)，同時(shí)改良土的強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加而明顯增加。在探究粉煤灰、石灰等材料降低膨脹土膨脹潛勢的同時(shí)，改良土的靜態(tài)物理力學(xué)性質(zhì)也得到了全面的研究。莊心善等[4]研究表明，改良膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先增加后降低，粉煤灰摻量15%時(shí)，改良土的強(qiáng)度達(dá)到峰值。傅乃強(qiáng)等[5]探究了不同種類堿激發(fā)劑對纖維粉煤灰改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律，得出了5% Na2SiO3激發(fā)后改良土的強(qiáng)度最高。為了探究二灰法改良膨脹土的基本原理，Mutaz等[6]利用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)等試驗(yàn)手段，分析了改良膨脹土的微觀形貌和礦物成分。查甫生等[7]通過電阻率測試，總結(jié)了平均結(jié)構(gòu)因子和各向異性系數(shù)等電阻率結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而定量地分析了二灰改良膨脹土的微結(jié)構(gòu)變化情況，從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了改良膨脹土的機(jī)理。

由于試驗(yàn)條件等因素的限制，關(guān)于改良土力學(xué)特性的研究，目前多以抗壓和抗剪為代表的靜態(tài)力學(xué)特性為主，對于改良土的動力學(xué)特性缺乏詳細(xì)的研究。在巖土工程領(lǐng)域，改良膨脹土常常作為地基持力層和路基填料，在承受上部結(jié)構(gòu)靜荷載作用的同時(shí)，往往還受到地震、機(jī)械開挖和車輛行駛振動等動荷載作用。巖土類材料的應(yīng)變率效應(yīng)使得材料的動靜態(tài)力學(xué)特性差異較大。因此，研究改良土在沖擊荷載作用下的動態(tài)力學(xué)特性具有重要意義[8]。霍普金森壓桿試驗(yàn)(SHPB)通過控制沖擊氣壓調(diào)節(jié)子彈的初速度，從而在入射桿中產(chǎn)生不同長度和幅值的脈沖，進(jìn)而對試件實(shí)施脈沖加載[9]。SHPB作為一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)技術(shù)，被廣泛用于高應(yīng)變率范圍內(nèi)巖石[10]、混凝土[11]等材料的動態(tài)力學(xué)性能測試?；诖?，本文以粉煤灰和石灰為改良劑，借助無側(cè)限壓縮和SHPB試驗(yàn)，探究二灰改良膨脹土的動靜態(tài)力學(xué)特性。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土體取自淮南市山南新區(qū)某工地，對土樣的物理參數(shù)進(jìn)行測定，相關(guān)參數(shù)如表1所示，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)，可以得出該土樣屬于弱膨脹土。

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

所用粉煤灰(Fly Ash,文中以F來代替粉煤灰)來自安徽淮南某火電廠，粉煤灰的化學(xué)成分結(jié)果如表2所示，其中，CaO的含量較低，僅為3.87%，屬于低鈣粉煤灰。

表2 粉煤灰化學(xué)成分 %

所用石灰(Lime,文中以L來指代石灰)來自德興市明緣化工材料公司，對石灰進(jìn)行XRD測試，分析得其主要成分為氫氧化鈣(Ca(OH)2)。

圖1 試驗(yàn)原材料圖

1.2 試樣制備

分別取素土(Plain soil)，10%粉煤灰(10%F)，20%粉煤灰(20%F)，30%粉煤灰(30%F)，10%粉煤灰+5%石灰(10%F+5%L)，20%粉煤灰+5%石灰(20%F+5%L)，30%粉煤灰+5%石灰(30%F+5%L)改良土共7組不同配合比的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。將土樣過0.5 mm篩，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用的是直徑50 mm，高度100 mm的圓柱形試樣，動態(tài)沖擊試驗(yàn)采用的是直徑50 mm、高度25 mm的圓柱形試樣。將制備好的試樣用保鮮膜包裹，確保所有的試樣均保持含水率為25%，將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，如圖2所示。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用UTM4204萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為2 mm/min。動態(tài)力學(xué)試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿裝置(SHPB)，考慮到土樣強(qiáng)度較低，試驗(yàn)采用0.2 MPa的沖擊氣壓，上述試驗(yàn)每組做5個(gè)平行試樣。試驗(yàn)示意圖如圖3、圖4所示。

圖2 試樣制備及養(yǎng)護(hù)圖

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度示意圖

圖4 SHPB沖擊試驗(yàn)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)力學(xué)分析

圖5給出了素土和不同粉煤灰、石灰配合比的改良土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。可以看出，素土和純粉煤灰改良土的應(yīng)力應(yīng)變曲線明顯分為3個(gè)階段，即彈性階段、塑性階段、破壞階段。特別是塑性階段，應(yīng)變從4%~10%這一過程，應(yīng)力幾乎保持不變，出現(xiàn)明顯的屈服平臺。加入石灰之后，改良土的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律明顯不同，只有2個(gè)階段，彈性階段和破壞階段，試樣強(qiáng)度達(dá)到峰值之后立刻降低，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。

圖5 不同配合比改良土的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線(7 d)

圖6、圖7分別給出了7 d和28 d養(yǎng)護(hù)期齡下不同配合比改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，不同期齡下改良土的抗壓強(qiáng)度規(guī)律呈現(xiàn)較好的一致性。單獨(dú)加入粉煤灰時(shí)，改良土的強(qiáng)度隨著粉煤灰含量的增加先上升后降低，10% F摻量時(shí)，改良土的強(qiáng)度達(dá)到峰值，分別為176.96 kPa(7 d)和588.00 kPa(28 d)。20% F和30% F摻量下改良土的強(qiáng)度(135.56、137.73kPa，7 d；396.75、360.20kPa，28 d)相比于素土(168.83 kPa，7 d；473.25kPa，28 d)分別有所降低。這是由于粉煤灰本身的內(nèi)摩擦角和黏聚力很低，工程性質(zhì)類似于粉土，摻量過高時(shí)，多余未水化反應(yīng)的粉煤灰會降低體系的強(qiáng)度。結(jié)合數(shù)據(jù)可以得出粉煤灰摻量在10%左右存在一個(gè)最優(yōu)值。

在粉煤灰改良劑的基礎(chǔ)上加入石灰后，改良土的抗壓強(qiáng)度有了顯著的提高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，10% F+5% L條件下，改良土的強(qiáng)度最大，分別為581.46 kPa(7 d)和936.80 kPa(28 d)。這是由于加入石灰后體系中產(chǎn)生較多的Ca2+，促進(jìn)了體系的離子交換和火山灰反應(yīng)，產(chǎn)生了更多膠結(jié)物質(zhì)，從而提高了改良土的強(qiáng)度。

圖6 不同配合比改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(7 d)

圖7 不同配合比改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(28 d)

分析養(yǎng)護(hù)期齡對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，圖8給出了7 d和28 d養(yǎng)護(hù)期齡下改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化對比圖?？梢钥闯鰞H加入粉煤灰后，試樣28 d的強(qiáng)度增加明顯，分別增加了232.28%、192.68%、161.53%，說明粉煤灰中的火山灰反應(yīng)需要一個(gè)較長的時(shí)間；加入石灰之后，試樣強(qiáng)度依次增加了61.11%、95.55%、116.66%，相對來說強(qiáng)度提高較慢。說明加入石灰后，改良土的早期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高值，石灰對改良土早期強(qiáng)度有顯著的提高作用。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)期齡試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比圖

2.2 動態(tài)力學(xué)分析

利用二波法可以計(jì)算SHPB試驗(yàn)中試樣的應(yīng)變和應(yīng)力，相關(guān)公式如下所示[12]：

式中：為壓桿材料的彈性模量；為壓桿縱波波速；為壓桿橫截面面積；0和0分別為試樣的長度和橫截面積；ε()和ε()分別為采集的反射和透射脈沖應(yīng)變。

不同配合比下改良膨脹土的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。可以看出，粉煤灰和石灰聯(lián)合改良膨脹土的強(qiáng)度明顯高于純粉煤灰改良土。素土和純粉煤灰改良土的強(qiáng)度達(dá)到峰值后緩慢降低，出現(xiàn)明顯的屈服平臺，呈現(xiàn)明顯的塑性破壞特性；摻入石灰后，改良土的強(qiáng)度達(dá)到峰值后迅速降低，屬于典型的脆性破壞。相應(yīng)的動態(tài)抗壓強(qiáng)度如圖10所示。純粉煤灰摻量下，改良土的強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先上升后降低，改良土的強(qiáng)度在20% F摻量時(shí)達(dá)到峰值713.58 kPa，相比于素土480.02 kPa增長了47.9%。這是由于粉煤灰發(fā)生的火山灰反應(yīng)產(chǎn)生了一定的水化產(chǎn)物，從而提高了改良土體系的強(qiáng)度，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)（0~20% F）改良土強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加有所上升；然而粉煤灰作為一種細(xì)小的球狀顆粒物質(zhì)，本身強(qiáng)度較小，過多的含量勢必導(dǎo)致攪拌不勻，在土體內(nèi)部結(jié)團(tuán)，形成粉煤灰顆粒之間直接接觸的薄弱面。當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，薄弱面首先發(fā)生破壞，進(jìn)而降低試樣強(qiáng)度。加入石灰后，改良土的強(qiáng)度變化出現(xiàn)相同的規(guī)律，在20% F+5% F摻量下達(dá)到峰值強(qiáng)度1 668.75 kPa，相比于素土提高了247.9%，表明石灰能顯著促進(jìn)改良土體系的水化反應(yīng)，從而使土體的強(qiáng)度顯著提高。

圖9 不同配合比改良土動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10 不同配合比改良土動態(tài)抗壓強(qiáng)度曲線

為了表示沖擊作用下抗壓強(qiáng)度增長情況，定義動態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值為動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)(dynamic increase factor)[13]：

式中：是動態(tài)抗壓強(qiáng)度；是靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。

由上式計(jì)算得到的隨改良劑配合比增加的變化規(guī)律如圖11所示。素土和純粉煤灰改良土的呈現(xiàn)波動增長的趨勢，在20% F摻量下達(dá)到最大，約為1.8。粉煤灰和石灰聯(lián)合改良土的在20% F+5% L摻量下達(dá)到峰值，約為2.1。除10% F摻量的改良土，其余配比的土樣動態(tài)抗壓強(qiáng)度均比靜態(tài)抗壓強(qiáng)度有了明顯的增長。

圖11 不同配合比改良膨脹土的動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)變化規(guī)律

2.3 動靜荷載下試樣破碎形態(tài)分析

不同配合比試樣無側(cè)限抗壓試驗(yàn)的破壞規(guī)律基本一致。隨著荷載的逐漸加大，試樣在頂部或者底部開始出現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)過程中，裂紋逐漸擴(kuò)展并往中部發(fā)展，素土和純粉煤灰改良土破壞時(shí)完整性相對較好。加入石灰后，土樣塑性明顯降低，破壞時(shí)試樣邊緣會出現(xiàn)少許剝落，如圖12(a)所示。SHPB試驗(yàn)后，不同配合比試樣的破碎形態(tài)明顯不同。沖擊過后，素土試樣由于塑性強(qiáng)，僅出現(xiàn)幾條細(xì)微裂縫，完整性較好。加入粉煤灰后，土樣塑性一定程度上降低，沖擊過后，邊緣出現(xiàn)明顯裂縫和小塊的剝落。加入石灰之后，試樣則呈現(xiàn)粉碎狀破壞?？梢钥闯?，石灰雖然能顯著增強(qiáng)改良土的強(qiáng)度，但石灰改良土的脆性特性明顯，破壞時(shí)試樣完整性顯著降低。

圖12 動靜荷載下試樣破碎形態(tài)圖

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了對比改良前后土體的微觀形貌，圖13給出了素土的掃描電鏡圖像。改良前膨脹土表面顆粒較為松散，有明顯的孔隙結(jié)構(gòu)(Pores and Cracks)，從而形成過水通道。將SEM圖片放大到50μm級別，可以看到黏土顆粒呈現(xiàn)明顯的薄片狀(Flaky Grain)或者絮狀(Flocculent Structure)，排列方式具有不定向性。這種堆疊的薄片狀結(jié)構(gòu)，使得土顆粒的比表面積較大，與水相互作用的能力較強(qiáng)，土體遇水時(shí)吸水量較大，出現(xiàn)顯著的膨脹特性。

圖13 素膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

圖14給出了添加10%粉煤灰改良后的膨脹土微觀形貌?？梢钥闯龈牧己笸馏w與素土相比，整體上結(jié)構(gòu)更為緊密，膨脹土體的細(xì)小縫隙一定程度上被粉煤灰顆粒充填。但由于水化產(chǎn)物較少，粉煤灰與土顆粒間的膠結(jié)程度較低，存在一定的孔隙。

圖14 10% F改良膨脹土微觀結(jié)構(gòu)

從圖15可以看出，10% F+5% L改良土體的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。SEM圖片上已經(jīng)看不到薄片狀的土顆粒結(jié)構(gòu)，反應(yīng)后的土顆粒呈團(tuán)狀或者塊狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)的土體已經(jīng)不再具有膨脹性。這是因?yàn)槭遗c水反應(yīng)生成大量的Ca2+,相對高價(jià)的Ca2+通過離子交換置換了黏土顆粒中的K+和Na+,從而降低土體的膨脹潛勢；加入石灰后形成的堿性環(huán)境使得土體的pH上升，從而進(jìn)一步促進(jìn)了離子交換反應(yīng)；與此同時(shí)，石灰與孔隙中的水發(fā)生反應(yīng)，降低土顆粒的水膜層厚度。石灰與粉煤灰的水化產(chǎn)物與黏土礦物發(fā)生化學(xué)作用，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣，使得土顆粒的黏結(jié)更為緊密，從而提高土體的強(qiáng)度。

圖15 10% F+5% L改良膨脹土微觀圖

3 結(jié)論

通過對粉煤灰和石灰改良弱膨脹土力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)的分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)改良膨脹土動靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律具有一致性。在純粉煤灰作用下，土樣的動靜態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加先增加后降低。靜態(tài)抗壓強(qiáng)度和動態(tài)抗壓強(qiáng)度分別在10% F和20% F摻量下達(dá)到最大值。

(2)在粉煤灰基礎(chǔ)上加入5%石灰后，改良土的動靜態(tài)抗壓強(qiáng)度均有明顯提高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度在10% F+5% L摻量下達(dá)到峰值強(qiáng)度936.80 kPa，動態(tài)抗壓強(qiáng)度在20% F+5% L摻量下達(dá)到峰值強(qiáng)度1 668.75 kPa。改良膨脹土的動態(tài)強(qiáng)度增長系數(shù)隨著配合比的變化呈現(xiàn)波動上升趨勢。

(3)素膨脹土和改良土的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，素土主要以片狀或者絮狀結(jié)構(gòu)為主，具有明顯的孔隙和孔隙。加入粉煤灰后土樣的孔隙和裂隙一定程度上被粉煤灰顆粒和一些水化產(chǎn)物充填。石灰能明顯促進(jìn)水化反應(yīng)，進(jìn)一步提高土樣的密實(shí)度和完整性，從而提高其強(qiáng)度。

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Research on the Mechanical Properties of Stabilized Expansive Soil under Dynamic and Static Loads

ZHOU Da-wei, ZHOU Sheng-quan, ZHANG Yong-fei, WANG Wei-jian

（School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）

In this study, the unconfined compressive strength and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests were adopted to research the mechanical properties of fly ash and lime stabilized expansive soil in Jianghuai undulating plain area. The microstructures of soil samples before and after stabilization were analyzed by scanning electron microscope (SEM). The experimental results show that the dynamic and static mechanical strength of the stabilized soil are obviously improved after adding 5% lime on the basis of fly ash modifier. Under the curing age of 28 days, the static and dynamic compressive strength of the stabilized soil reach the peak value (936.80kPa, 1668.75kPa) after adding 10%F+5%L and 20%F+5%L, respectively. Under the condition of pure fly ash and fly ash-lime combined stabilization, the dynamic increase factor of the stabilized soil showed a trend of first rising and then decreasing with the change of mixing proportion. The SEM images reveal that the microstructures of the stabilized expansive soil vary from an irregular flake-like and flocculent structures to blocky structures, and the compactness of soil sample is enhanced. The conclusions of this study can be referenced for the engineering design and construction of expansive soil in Jianghuai undulating plain areas.

expansive soil; unconfined compressive strength; SHPB; dynamic increase factor; SEM

TU443

A

1674-3261(2020)02-0108-06

10.15916/j.issn1674-3261.2020.02.010

2019-09-27

安徽省高校自然科學(xué)重大項(xiàng)目(KJ2016SD19)

周大衛(wèi)(1993-)，男，安徽合肥人，碩士。

責(zé)任編校：孫 林