钢渣微粉—水泥复掺固化硫酸盐渍土盐胀特性试验.pdf

作者简介昝淑霞()女工程师主要研究方向:公路、桥梁等施工与养护钢渣微粉水泥复掺固化硫酸盐渍土盐胀特性试验昝淑霞(青海省湟源公路总段 湟源)摘 要:本文研究和讨论了土体在钢渣微粉、水泥不同掺加方式、不同掺量下单次降温过程中的变化规律以及不同的冻融周期循环下土体的盐胀率变化情况并对单掺钢渣微粉、单掺水泥以及复掺下进行了分析发现以下规律:在未掺加固化材料的土样中其土样的盐胀量为最大且明显高于掺加固化材料的试样对比掺加固化材料的土样以混掺钢渣微粉和水泥土样中的盐胀量为最小对比在数次冻融周期下掺加钢渣微粉和水泥两种材料的土样其盐胀累计变化量更小钢渣微粉和水泥两种材料复掺时的掺量为 第 冻融周期其累计盐胀率开始趋向于平稳此时达到累积盐胀率.关键词:冻融循环钢渣微粉水泥盐胀率 ():.:.:背景硫酸盐渍土地区修建公路、铁路及工业民用建筑等最主要和最常见的病害就是盐胀其严重影响这些建筑物的稳定性 对公路工程的主要危害表现为:路面局部不平、路面开裂、地表松动、路面鼓包、青海交通科技 第 期边坡失稳等 因此在硫酸盐渍土地区修建公路时盐胀情况严重公路生命周期缩短造成巨大的经济损失盐渍土地区土体在盐胀的综合作用下容易发生膨胀破坏其程度受到多种因素的影响与土体冻结温度、盐分结晶过程以及水盐结晶压力有着密切的关系尤其是在硫酸钠盐渍土地区表现得更为明显为此开展钢渣微粉、水泥在不同掺加形式、不同掺量下硫酸盐渍土的盐胀特性研究为工程建设提供指导 盐胀试验盐胀试验是当温度降低时溶于土体孔隙中的盐分因温度降低导致盐分结晶析出填充于土体孔隙使土体的孔隙增大产生一定体积膨胀当温度升高时易溶盐的结晶体将会发生溶解由于盐分结晶的溶解之前填充在土体的盐分结晶又变成了孔隙状态在自重或者外力的作用下土颗粒塌落导致土体的体积变小.试验仪器根据公路土工试验规程()中 盐渍土盐胀试验规定:公路盐胀是在半侧限情况下发生的本规程参考土的 试验除低温控制箱(如图)外其他仪器设备与 相同图 低温控制箱.试验结果计算盐胀率是指由于土体内膨胀所引起的体积增量与初始体积之比 故盐胀率计算如公式():()式中:某温度下试样的盐胀率计算至.某温度下试样的盐胀量 试样初始高度为.试验参数及试验方案本次试验以 为一个冻融循环周期测定不同固化材料、不同掺量下土样的盐胀量 试验方案设计见表表 盐胀试验设计编号掺加方式名称掺量/不掺无 单掺钢渣微粉水泥 混掺钢渣微粉 水泥 第 期青海交通科技 本次试验每天固定时间进行盐胀量数据采集试验过程见图 图 盐胀试验采集图像.单次冻融周期下盐胀试验结果分析实验获取了钢渣微粉、水泥掺量下盐胀量的各组数据 盐胀试验数据结果见表 表 盐胀试验数据结果编号累积变化量盐胀率/.单次冻融周期下盐胀量变化规律随着 温 度 从、逐级降低土样中的硫酸钠盐结晶慢慢析出导致土样中的盐胀量呈现先增加后稳定的趋势 通过曲线得知未掺加钢渣微粉、水泥的土样与掺加了钢渣微粉、水泥的土样盐胀主要发生在 之间 不同钢渣微粉、水泥掺量下随不同温度硫酸盐渍土盐胀量变化曲线如图 青海交通科技 第 期图 不同钢渣微粉、水泥掺量下硫酸盐渍土盐胀量变化曲线由图 可知随着时间的推移无论是掺加了钢渣微粉、水泥的硫酸盐渍土样还是未掺加的土样均趋向于一个稳定值 通过对比发现未掺加钢渣微粉、水泥的土样盐胀量明显高于掺加钢渣微粉、水泥的土样单掺钢渣微粉当钢渣微粉掺量为时其改善盐胀效果最差当钢渣微粉掺量、时其改善盐胀效果相差不大单掺水泥时随着水泥掺量的增加其改善盐胀效果越来越好 在钢渣微粉和水泥复掺情况下改善盐胀效果均优于单掺时.单次冻融周期下盐胀率变化规律()单掺钢渣微粉与硫酸盐渍土盐胀率的关系图 给出了钢渣微粉不同掺量下与硫酸盐渍土盐胀率的关系曲线两侧之间呈现非线性图 钢渣微粉与硫酸盐渍土盐胀率关系曲线由图 可知:盐胀率随着钢渣微粉掺入比例的增加而减小当钢渣微粉的掺量超过 时盐胀率并没有一直出现减小的趋势 当钢渣微粉掺量从至 时其盐胀率小了约 钢渣微粉具有颗粒粒径小的物理性能能够更好地填充土体之间的孔隙有利于改善级配使土体体系更加优良土体之间更加密实抑制了盐胀率 钢渣微粉的硅酸三钙、铁铝酸四钙成分决定了其早期水化较快的性质使钢渣微粉早期需水量减小一定程度上能够改善流动性但随着钢渣微粉掺量的增加其盐胀率并非一直下降()单掺水泥与硫酸盐渍土盐胀率的关系水泥不同掺量下与硫酸盐渍土盐胀率关系曲线如图 由图 可知水泥掺量与硫酸盐渍土盐胀率呈现负相关关系 随着水泥掺量的增加其固化盐渍土的盐胀率逐渐降低 由于水泥的主要成分为硅酸三钙和铝酸三钙等当水泥中的硅酸三钙和铝酸三钙与盐渍土中的自由水发生化学反应生成了水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙这些物质连接在一起形成坚硬的水泥石骨架 此外部分与土颗粒之间发生离子交换后进一步发生了团粒化的作用使小的土颗粒以及微团粒结构变得更加稳定进一步填充于大骨架之间使之形成坚固的结构为后续盐渍土强度的提高、盐胀的抑制提供了可能图 水泥与硫酸盐渍土盐胀率关系曲线()钢渣微粉 水泥与硫酸盐渍土盐胀率的关系图 绘制了钢渣微粉 水泥与硫酸盐渍土盐胀 第 期青海交通科技率关系曲线分析发现曲线呈现先骤降然后平稳略有上升的趋势由图 可知从 到 试样的盐胀率由.下降为.到 再到 出现略升趋势图 钢渣微粉 水泥与硫酸盐渍土盐胀率关系曲线综合分析钢渣微粉与水泥混掺发现复掺下以 为最佳 由于在土样中掺入钢渣微粉和水泥致使在土样中产生水化反应生成胶凝物质与颗粒之间的孔隙连接在一起使土样的整体骨架变得更加牢固进而使土样的盐胀率降低 因为钢渣微粉与水泥混掺由于两者所含成分不同水化反应有先后之分那么早期的盐胀率控制主要靠水泥的水化来提供后期靠钢渣微粉来提供 多次冻融周期下盐胀试验结果分析本次冻融循环 为一个冻融循环周期其中 为冻胀周期 为融化周期 同时为减小误差每天选取固定时间测定盐胀量 为了保证数据更加精确测定了 个周期内不同固化材料在冻融条件下的盐胀数据 冻融周期内所测定不同固化材料下盐胀累计量数据见表 冻融周期内所测定不同固化材料下盐胀累计量数据见表 用盐胀体积增量的计算公式计算各试样的直径和高度然后计算每次冻融前后相对初始体积的盐胀增量 盐胀体积增量的计算如公式():()()式中:、试样冻融后直径和高度的计算值、试样直径和高度的初始计算值表 冻融周期盐胀累积量数据表编号周期.青海交通科技 第 期表 冻融周期盐胀累积量数据表编号周期.多次冻融周期下累计盐胀量变化规律通过测定盐胀量的相关数据绘制了冻融循环周期与盐胀量关系曲线(见图)该曲线反映了在钢渣微粉、水泥不同掺加方式、不同掺量下土样盐胀量的变化随着冻融周期的增加其盐胀量的变化越来越小趋于稳定图 冻融循环周期与盐胀量关系曲线由图 可知随着冻胀周期的开始试样的盐胀累积变化量呈现逐渐增大的趋势当冻胀周期结束进入融化周期时盐胀累积变化量开始呈现下降趋势当开始下一个冻胀周期时试样的盐胀累积变化量开始增长进入融化周期盐胀累积变化量开始下降 经过反复冻融试样最终的盐胀累积量趋向于一个定值 整体分析发现每一次冻胀周期的盐胀累积变化量的峰值小于下一个冻胀周期的盐胀累计变化量的峰值相较于融化周期融化周期的最低点低于下一融化周期的盐胀累计变化量的最低点 最终冻胀周期盐胀累积变化量的最高点以及冻融周期盐胀累积变化量的最低点都会趋向于一定值产生上述变化的主要原因:首先在冻胀周期初期时在降温过程中硫酸盐渍土中的盐分开始大量结晶析出导致试样的体积急剧增加盐胀量增大 然而当温度下降到中期时土体颗粒孔隙间未参与结晶的自由水也开始冻结体积持续增大温度继续下降到后期此时土体中的自由水完全冻结成冰体积增大 因此此时土体增大由两部分组成即:土体中盐分的结晶和土体中自由水的结晶 而融化周期时随着温度的升高冻结成冰的水以及硫酸盐的结晶体开始溶解土体的体积开始下降但是由于土体中的冰温度升高转变为自由水而硫酸盐的结晶体并不能全部溶解因此体积并不会下降至原始高度.多次冻融周期下累积盐胀率变化规律.未掺加固化材料土样的累积盐胀率变化关系未掺加固化材料土样的累积盐胀率变化曲线如 第 期青海交通科技图 分析了在不同冻融周期下累积盐胀率的变化趋势 从图 中可知随着冻融周期的增加其试样的累积盐胀率呈现增长趋势但是趋势逐渐变缓前 个冻融周期其累积盐胀率增加相对较大超过第 个冻融周期后累积盐胀率变化不大 同时经历 个冻融周期后其盐胀累积率达到了 图 未掺加固化材料土样的累积盐胀率变化曲线.单掺钢渣微粉的固化土样的累积盐胀率变化关系曲线 钢渣微粉固化土样的累积盐胀率变化曲线如图可以看出随着冻融周期的增加其累积盐胀率逐渐增大 在不同钢渣微粉掺量下呈现出不同的累积盐胀率图 单掺钢渣微粉固化土样的累积盐胀率变化关系曲线虽然随着冻融周期的增加其累积盐胀率的变化呈现增长趋势但不同掺量的土样表现形式并不一样 前 个冻融周期土样的累积盐胀率增速明显 周后累积盐胀率增加量变化不大 其中掺量为 时累积盐胀率为最小掺量为 时累积盐胀率为最大达到.相较于未掺加土样仍有明显的下降 究其原因在冻融循环过程中由于盐渍土中的硫酸盐反复吸水结晶、失水溶解导致土样体积膨胀增大钢渣微粉加入后前期由于钢渣微粉铝酸三钙、硅酸三钙较少导致累积盐胀率较大 对比不同钢渣微粉掺量 掺量最佳能够使钢渣微粉中的铝酸三钙、硅酸三钙水化得以充分当掺量为时发现由于水化反应不充分反而使土样的盐胀率增大.单掺水泥的固化土样的累积盐胀率变化关系 水泥固化土样的累积盐胀率变化曲线见图 分析不同冻融周期下累积盐胀率的变化趋势水泥的掺量与土样累积盐胀率密切相关同时不同冻融周期下均呈现稳定趋势图 单掺水泥固化土样的累积盐胀率变化关系曲线在同一冻融周期内随着水泥掺量的增加土样的累积盐胀率逐渐降低 前 个冻融周期累积盐胀率增长较快后 个周期趋于平缓状态 水泥掺量为 时土样的累积盐胀率最大但仍远低于未掺加任何固化材料土样的累积盐胀率 主要是水泥中早期水化反应的铝酸三钙、硅酸三钙较多在前期冻青海交通科技 第 期融周期内使土样的盐胀率降低 但由于水泥对温度比较敏感所以在后面的周期内盐胀率的增加不是特别明显.复掺钢渣微粉 水泥固化土样的累积盐胀率变化关系 复掺钢渣微粉 水泥固化土样的累积盐胀率变化曲线如图 可以发现复掺钢渣微粉和水泥后土样的累积盐胀率在前 个周期内迅速增长此后趋于稳定状态图 复掺钢渣微粉 水泥固化土样的累积盐胀率变化曲线从图 发现钢渣微粉 水泥 时累积盐胀率最大钢渣微粉 水泥 时累积盐胀率为最小 钢渣微粉 水泥、钢渣微粉 水泥 处于中间 主要原因是当两种物质掺入硫酸盐渍土时含有的硅酸三钙、铝酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙等与硫酸盐渍土中的盐分混合后在自由水作用下水化反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙等物质从而发生硬化形成较硬的骨架使盐胀率降低 但是由于水泥受温度变动较大在冻融的第 周期内开始出现盐胀率增长现象此时钢渣微粉、水泥的双重作用累积盐胀率增长几乎可以忽略到了冻融的第 周期后开始出现较稳定的趋势 总体而言两种材料复掺能够很好地抑制硫酸盐渍土的盐胀 结语本文研究了土体在钢渣微粉、水泥不同掺加方式、掺量下单次降温过程中的变化规律以及不同冻融周期循环下土体的盐胀率变化情况并对单掺钢渣微粉、水泥以及两种材料复掺下进行了试验分析得到主要结论如下:()通过单次冻融循环分析得出未掺土样的盐胀量最大且明显高于掺加固化材料的土样以复掺钢渣微粉和水泥土样的盐胀量最小()盐胀率随钢渣微粉掺入比例的增加而减小但掺量超过 后盐胀率减小的趋势不明显然而单掺水泥时随掺量的增加盐胀率呈现降低趋势 当复掺钢渣微粉和水泥时发现从 到 其土样的盐胀率由.下降为.此掺量下的盐胀率下降幅度达到了 而后发现有轻微回升趋势()冻结周期内土样的累积盐胀量处于增加阶段且增加幅度不尽相同 其中未掺加土样的累积盐胀变化量是最大的在第 个冻融周期达到了单掺钢渣微粉、的土样在第 个 冻 融 周 期 分 别 达 到 了、单掺水泥、的土样在第 个冻融周期分别达到了、复掺钢渣微粉和水泥 、的 土 样 在 第 个 冻 融 周 期 分 别 达 到 了、即对比在多次冻融周期下复掺钢渣微粉和水泥土样的累积盐胀变化量最小()对比分析不同冻融循环周期下的累积盐胀率变化关系得出钢渣微粉掺量为时第 冻融周期其累积盐胀率开始趋于平稳此时累积盐胀率为.水泥掺量为 时第 冻融周期其累积盐胀率开始趋于平稳此时累积盐胀率为.钢渣微粉和水泥掺量为 时第 冻融周期其累积盐胀率开始趋于平稳此时累积盐胀率为.(下转第 页)第 期青海交通科技 王雪艳.碎石桩加固深厚湿陷性黄土地基的试验研究.地下空间与工程学报():.张金保.干拌水泥碎石桩加固软弱路基的数值模拟.公路():.周亚东翟鑫东李顺群等.碎石桩复合地基大变形非线性固结模型.岩土力学():.谭鑫胡政博冯龙健等.软土中碎石桩模型试验的三维离散 连续介质耦合数值模拟.岩土工程学报():.邹辰皓王家全唐滢等.双层加筋长度对 承载性能影响的研究.广西科技大学学报():.邵韦弦.碎石桩加固软土地基路堤变形与稳定性分析.公路():.宋少民黄京胜.石灰石粉对低熟料混凝土强度和耐久性能的影响研究.混凝土():.黄晓燕.掺花岗岩石粉的管桩高强混凝土微结构和力学性能研究.硅酸盐通报():.姜天华管建成张秀成.超高性能混凝土掺合料应用综述.科学技术与工程():.董刚任雪红张文生等.火山渣的活性研究.新型建筑材料():.():.(上接第 页)参 考 文 献 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