干湿循环下水泥改性膨胀土裂隙及渗透特性研究.pdf
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1、1982023年6 月中路夕第43 卷第3 期DO1:10.14048/j.issn.1671-2579.2023.03.031干湿循环下水泥改性膨胀土裂隙及渗透特性研究鲍桂勇,许杨少君,蒋植洁,容洪流1,3.4*,王金龙?(1.广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004;2.广西长长路桥建设有限公司,广西南宁5530000;3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西南宁530004;4.广西特殊地质公路安全工程技术研究中心,广西南宁530004)摘要:为了研究水泥改性膨胀土在干湿循环下的工程渗透特性,设计水泥改性膨胀土的配合比,采取正交设计试验方法,通过图像分析软件PACS、无侧限抗压
2、强度试验、室内渗透试验研究在干湿循环条件下水泥改性膨胀土的裂隙开展情况、强度衰减特性、水泥改性膨胀土渗透性能的变化规律。结果表明:土体渗透特性和强度受干湿循环次数的影响程度较大;在干湿循环条件下水泥改性的膨胀土含水率保持更稳定,抗裂率、强度、渗透率均得到明显的改善;低碱水泥土的裂隙率、强度衰减率、渗透率均大于普通水泥土。关键词:膨胀土;水泥改性;干湿循环;裂隙性;渗透性;强度衰减中图分类号:U414文献标志码:A0引言膨胀土广泛分布于世界各地,尤其是中国的膨胀土分布区域广大,且大部分分布于胡焕庸线以东人口稠密、经济发达的2 0 多个省(区)市。膨胀土造成的工程问题具有数量多、危害大等特点。多年
3、来,膨胀土的工程问题一直是岩土工程界的重大课题之一。水泥作为最常见和使用最广泛的建筑材料,也是最常用来对膨胀土进行化学改良的材料,目前对于水泥改良膨胀土已经有较多的研究。吴新明等 2 、吴建涛等 3 对水泥改良膨胀土的强度、胀缩特性以及界限含水率等指标进行了研究,认为水泥在改良膨胀土以及降低膨胀土胀缩性上有着显著的效果;Du等 4 研究了水泥掺人可以提高膨胀土的强度,但水泥存在一个最佳掺量;邓稀 5 通过对水泥改良膨胀土进行干湿循环试验,认为水泥的掺入对于膨胀土动力特性的衰减程度具有降低作用;黄伟 6 研究了在不同化学溶液侵蚀环境下,干湿循环对水泥改良膨胀土的侵蚀效应;刘加冬等 7 对水泥改良
4、膨胀土在干湿循环下,裂隙的演化规律进行研究,认为水泥的掺入能显著降低膨胀土的裂隙率和裂隙深度;张雷等 8 对掺加水泥的上海地区淤泥质黏土进行了室内渗透性试验研究;袁荣宏等 9 研究了以黄土为原材料的水泥土渗透系数宏观变化情况;陈四利等 10 研究水泥土在掺加其他不同材料后复合土的渗透性能,并分析了不同材料对复合土渗透性能的影响大小。上述研究对水泥改良膨胀土的工程应用具有重要作用,但目前鲜有文献对干湿循环下水泥品种、水泥掺量及养护龄期等影响因素对其裂隙及渗透特性影响进行系统的研究。作为防渗保湿层的水泥改性膨胀土,要求其具有低渗透性以及在外界干湿循环影响下裂隙开展缓慢的特性。因此,本文通过图像分析
5、软件PACS及室内渗透试验研究在干湿循环条件下水泥改性膨胀土的裂隙开展情况以及水泥改性膨胀土渗透性能的变化规律,以评价水泥土是否适用于边坡防护,为后续研究提供理论基础。1试验内容1.1试验原材料(1)水泥:普通硅酸盐水泥(P.O42.5)和低碱度硫铝酸盐水泥(L.SAC42.5)(表1)。收稿日期:2 0 2 1-0 1-0 6(修改稿)基金项目:国家自然科学基金资助项目(编号:516 7 8 16 6);广西科技创新引导项目(编号:桂科AC16380107);广西研究生教育创新计划资助项目(编号:YCSW2020041)作者简介:鲍桂勇,男,硕士研究生.E-mail:17 7 2 7 6 7
6、 8 3 3 q q.c o m*通信作者:容洪流,男,博士,高级工程师.E-mail:r o n g h o n g l i u 12 6.c o m199鲍桂勇湿循环下水泥改性膨胀土裂隙及渗透特性研究2023年第3 期(2)膨胀土:取自广西新柳南高速公路五塘服务区C广场,原状土样为灰黑色,呈较大的块状,土样坚硬,有蜡质光泽,表面光滑细腻,内含较多红褐色铁锰结核,物理力学性质指标如表2 所示,根据膨胀土等级判定标准(自由膨胀率、液塑限),可判断该土样为中膨胀土。(3)水:自来水表1水泥成分石生石活性混品种熟料主要成分膏灰合材料普通硅酸盐水泥CaO.SiO2、A l O 3、适6%(P.042
7、.5)Fe203量15%低碱度硫铝酸盐水3Ca0.3Al203:适20%泥(L.SAC42.5)CaSO4、2 Ca O.Si O 2量50%表2膨胀土物理力学指标自由膨干密度/含水液限/黏聚力/内摩擦角/饱和度/胀缩总率/压缩模量/塑性指数胀率/%(g cm-3)率/%kPa()%MPa501.8722.751.632.153.611.783.449.111.71.2水泥改性膨胀土正交试验配合比试验采用正交试验方法 11,其因素包括水泥品种、水泥掺量、养护龄期、干湿循环次数。试验中水泥品种取普通硅酸盐水泥、低碱度硫铝酸盐水泥2 个水平;水泥掺量取3%、4%、5%3 个水平;养护龄期取0、3
8、d、7 d、14d、2 8 d 5个水平;干湿循环取0、1次、2次、3 次、4次、5次6 个水平;共3 9组正交试验。主要研究在干湿循环下各变量对水泥改性膨胀土裂隙开展和渗透性能变化的影响规律。因素和水平见表3(由于0 水泥掺量的素膨胀土与水泥品种及养护龄期无关,故0 掺量素土不参与正交设计)。表3影响因素及水平因素水泥掺养护龄干湿循水平水泥品种量/%期/d环/次1普通硅酸盐水泥3002低碱度硫铝酸盐水泥431357241435284651.3水泥改性膨胀土干湿循环试验、无侧限抗压强度及渗透试验水泥改性土渗透及开裂试验土样经过风干碾碎后过2 mm筛,加水及水泥搅拌后闷料2 4h,制成上、下顶面
9、直径分别为7 0 mm、8 0 m m、高40 mm的渗透样,同时制成150 mm150mm的圆柱形无侧限抗压试件。水泥土的含水率及干密度分别控制为2 0%和1.6g/cm,放在温度为2 0、湿度为95%的养护室中养护。将达到养护龄期的试件放置于恒温恒湿条件的养护室中,每隔2 h对试样进行一次洒水;脱湿过程通过将土样放置于温度为40 的烘箱中来实现。进行干湿循环的土样,以48 h为一次干湿循环的周期后对土样称重及进行定点同角度的垂直拍照,得到其上表面的状态图,直到完成5次干湿循环。根据水泥土配合比设计规程(JGJ/T233一2011)中要求的水泥土专用渗透仪进行渗透试验。试验采用SS-25型水
10、泥土渗透试验装置将达到养护龄期并完成干湿循环试验的土样取出,将融化的石蜡浇于试件周围防止试验期间水从土样侧面和渗透仪金属试模之间渗出影响渗透系数的测定。之后将试件放人水中48 h,使其充分饱和。将饱和完成的试样装入SS-25型水泥土渗透仪中进行渗透试验,试验过程及数据处理依据水泥土配合比设计规程(JGJ/T2332011)执行。依据土工试验规程,使用万能压力机静压成型,试件压实度为93%,试件脱模后进行养护并完成干湿循环。使用SG-100D型路面强度试验机进行无侧限抗压强度测试。1.4干湿循环裂隙开展研究方法1.4.1裂隙参数的确定膨胀土开裂产生的裂隙由于其具有不确定性、复杂性和随机性。描述其
11、裂隙发育的裂隙度没有一个统一的标准,而且裂隙的长度、宽度、深度以及密度等都会对膨胀土的性质产生一定的影响。国内外学者提出过很多定量描述裂隙度的方法。廖济川 12 提出以裂隙面积率、裂隙长度比与土块平均面积比等为定义的裂隙度表达方法;袁俊平等 13 、唐朝生200公中路外第43 卷等 14 提出裂隙率的概念并对其进行简化;张家俊等 15 认为对土中裂隙进行研究时,应结合具体的研究内容选取对应的参数描述裂隙度进行分析。对于本文研究的水泥改性膨胀土在干湿循环下的渗透特性,考虑裂隙对于水泥土渗透性能的影响,选择土体表面裂隙率、裂隙长度以及裂隙平均宽度进行研究。1.4.2裂隙图像处理技术采用文献 15、
12、16 开发的PACS软件拍照图像处理定量描述土样的裂隙发育。拍摄完成的土样照片通过PhotoShop软件将图片进行灰度化以及二值化处理,并将照片剪辑为圆形,导人PACS软件进行处理。经过PACS软件处理过的图片可以很好地反映裂隙在土样表面的分布状况,并得到裂隙的相关参数(图1)。(a)原始图像(b)Ph o t o Sh o p 预处理过的图形(c)PA CS软件处理后的(d)PA CS软件处理后的矢量图最终二值图片图1裂隙图像处理过程2试验结果及分析2.1干湿循环试验裂隙开展结果研究通过对土样进行干湿循环,得到每次干湿循环后试样的含水率以及裂隙参数变化情况。由于数据量大,故采用研究某一变量时
13、固定其他变量的方式进行分析。首先是含水率,其中不同养护龄期土样含水率随干湿循环次数变化如图2 所示,不同水泥品种及掺量的土样含水率随干湿循环次数变化如图3所示,同时得到每次干湿循环含水率差随干湿循环次数的变化,如图4所示(P.OS代表普通硅酸盐水泥改性土,L.SS代表低碱度硫铝酸盐水泥改性土,SOIC为素土)。3%P.0S(0 d)35斤3%P.0S(3d)3%P.0S(7d)30-3%P.0S(14d)-3%P.0S(28d)25%/率兴号201510501湿1干2 湿2 干3 湿3 干4湿4干5湿5干干湿循环/次图2不同养护龄期下3%普通水泥土含水率随干湿循环次数的变化情况35-3%P.0
14、S(0 d)-4%P.0S(0d)305%P.OS(0 d)3%L.SS(0d)252015104%L.SS(0 d)+5%L.SS(0 d)5+SOIL01湿1干2 湿2 干3 湿3 干4湿4干5湿5干0干湿循环/次图3不同水泥品种及掺量下养护0 d水泥土含水率随干湿循环次数的变化情况2220183%P.0S(0d)4%P.OS(0d)165%P.OS(0 d)143%L.SS(0 d)4%L.SS(0d)125%L.SS(0 d)10SOIL864212345干湿循环/次图4不同水泥品种及掺量下养护0 d水泥土含水率差随干湿循环次数的变化情况由图2 4可知:在干湿循环作用下,试样的含水率会
15、经历升高降低的过程,养护龄期对试样含水率201鲍桂勇湿循环下水泥改性膨胀土裂隙及渗透特性研究2023年第3 期的影响无明显规律,但水泥土样含水率的升降幅度小于素土样。且随着干湿循环次数的增加,素土样在每个干湿循环周期含水率变化的幅度(即含水率差)越大,直到第3 次后发生破坏,故素土样的干湿循环次数仅为3 次。水泥土样随着干湿循环次数的增加,其含水率差反而逐渐减小并稳定。其次是裂隙参数,分别对不同水泥品种水泥掺量及不同养护龄期下裂隙率、裂隙平均宽度和裂隙长度随干湿循环次数的变化情况进行分析,具体结果见图5 10。654%率潮诺3%L.SS(0 d)4%L.SS(0d)35%L.SS(0 d)-S
16、OIL21012345干湿循环/次图5不同水泥品种及掺量下养护0 d水泥土裂隙率随干湿循环次数的变化情况-3%L.SS(0 d)1.23%L.SS(3 d)3%L.SS(7 d)1.03%L.SS(14 d)-3%L.SS(28 d)0.8%本潮诺0.60.40.2012345干湿循环/次图6不同养护龄期下3%低碱水泥土裂隙率随干湿循环次数的变化情况由裂隙试验可知:普通水泥土在干湿循环条件下其表面只产生一层密集且薄的皲裂,而未开裂,而低碱水泥土和素土则产生裂隙。分析原因可能是两种水泥土及素土的塑限存在差异,由于试样含水率统一设置为2 0%,该含水率近似于低碱水泥土及素土的塑限,却小于普通水泥土
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