水泥土在地基处理中具有少扰动、施工周期短、高强度及低造价等特点, 适合作为加固上海软土地基的有效方式之一.粉煤灰是燃煤电厂和供热锅炉所排放的主要固体废弃物, 随着我国电力工业的迅速发展, 粉煤灰已成为排放量最大的工业废渣之一.粉煤灰水泥土应用于地基处理, 减少了粉煤灰的排放量, 利于环保, 同时部分替代水泥, 降低工程成本.Sawa等^[1]将粉煤灰作为固化材料加固淤泥, 并进行了强度试验, 得出了CaO和SO₃含量高的粉煤灰对固化土强度提高效果最好, 其中, 火山灰质水化生成的钙矾石和水化硅酸钙混合物对固化土强度提高起主要作用.Kolias等^[2]采用粉煤灰和水泥对细粒黏土进行固化, 研究表明, 随着粉煤灰掺量的增加, 固化土塑性降低, 抗压强度提高.Jongpradist等^[3]通过无侧限抗压强度试验分析了粉煤灰对高含水量水泥土的强度、弹性模量等力学参数的影响, 提出了粉煤灰是水泥的等效胶凝材料, 并且建立了关于水灰比的强度预测公式.尹利影^[4]将粉煤灰添加到水泥浆中进行软土的固化试验研究, 随着粉煤灰掺量的增加, 水泥土干缩变形显著减小.本文探讨了粉煤灰水泥土的固化机理, 通过无侧限抗压强度试验, 研究了粉煤灰水泥土应力应变规律、粉煤灰掺量和龄期对强度的影响, 并提出强度预测方法.

1 试验方案 1.1 试验材料

土样取自上海苏州河区域, 取土深度约10 m.软土的物理性质指标如表 1所示.水泥采用强度等级为425号的普通硅酸盐水泥.粉煤灰采用Ⅰ级高钙型, 基本化学成分如表 2所示.

1.2 试验方案

试验方案如表 3所示.

1.3 试验方法

将烘干的土过2 mm标准筛, 根据试验方案将土、水泥、粉煤灰和水按设计配比放入搅拌器内搅拌至均匀, 分3层人工捣实, 将混合土体装入试模(试模内壁涂刷一层凡士林), 放到振动台上振动到没有气泡排出为止, 用土工刀刮平表面.试块尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm, 成型后放入标准养护箱养护^[5-7].养护箱温度为20±3 ℃, 相对湿度大于等于90%.达到设计龄期后, 每组取3个试样进行无侧限抗压强度试验, 取算术平均值作为该组试样的无侧限抗压强度值^[8-9].试样压试速率为1 mm/min.

2 粉煤灰水泥土固化机理

粉煤灰主要化学成分有二氧化硅、氧化钙和氧化铝等, 其三者含量达到70%以上.在水泥土固化过程中, 粉煤灰主要表现出3种效应^[10]:形态效应、微集料效应、活性效应.粉煤灰和水泥都含有大量火山灰质, 其水化产物主要是CAH系和CSH系凝胶.下面是粉煤灰水泥土的化学反应过程^[11].

水泥矿物熟料发生水解和水化反应, 释放出游离态Ca²⁺和OH^-.

在强碱环境下, 粉煤灰中的火山灰质与Ca(OH)₂发生水化反应, 生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等结晶物.

粉煤灰对水泥土的固化过程:首先, 粉煤灰以形态效应和微集料效应利用其圆滑、细小等物理特点不断地扩散到水泥土结构中, 在孔隙位置不断地挤压累积, 细化孔隙; 水泥与水接触后, 矿物熟料很快与水发生水解和水化反应, 形成高浓度的碱性环境, 提高粉煤灰玻璃体的解聚能力, 促使其Si-O, Al-O键的断裂, 同时在OH^-的作用下, Si-O-A1网络聚合体的聚合度降低, 形成游离的不饱和活性键, 与Ca²⁺反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物, 提高水泥土前期强度.水泥和粉煤灰的水化物一部分继续硬化, 形成水泥石骨料, 另一部分通过离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团体, 逐渐硬凝成不溶于水的结晶物, 从而提高固化土强度.

3 试验结果与分析 3.1 粉煤灰水泥土的应力应变关系

固化土的应力应变关系如图 1所示.在开始受力阶段, 应力应变可近似为线性增长关系; 当外荷载超过极限荷载的80%~90%之后, 表现为缓慢增长.从应力应变曲线变化可知, 随着龄期的增长, 固化土由塑性破坏逐渐发展为脆性破坏, 破坏应力也随之增长.在7~90 d过程中, 破坏应变约减少1.5%, 这是由于火山灰质的不断反应, 生成硅酸钙和铝酸钙等水化胶凝物, 在离子交换和团粒化作用下与土颗粒形成土团体, 提高了固化土强度, 降低了破坏应变.

3.2 粉煤灰掺量对强度的影响

由图 2可知, 固化土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加而增加, 在14~60 d过程中, 强度随着粉煤灰、水泥掺量起伏变化明显, 这是由于水泥和粉煤灰处于半完全水化反应的状态, 即水泥水化反应提高了土体碱性, 提高了粉煤灰中火山灰质的水化反应; 部分未水化的粉煤灰在水溶作用下形成大团粒结构, 包裹水泥矿物颗粒, 短暂阻碍了水泥的完全水化, 随着团粒消散, 水泥熟料进一步水化, 则出现了强度起伏波动的情况.水泥掺量为10%和14%时, 28 d以后的固化土强度基本上不随着粉煤灰掺量的增加而变化.60 d和90 d时, 强度稳定所对应的粉煤灰掺量为18%和14%, 说明粉煤灰属于“惰性材料”, 过量掺加粉煤灰对强度提高影响不大, 当水泥掺量较低时, 过量的粉煤灰反而会使强度下降^[10].

3.3 龄期对强度的影响

由图 3 可知, 强度随着龄期的增长而增长, 最终趋于稳定, 60 d前, 强度增长幅度较大, 这是水泥和粉煤灰共同反应的阶段, 粉煤灰表现为弱碱性, 使得土体局部碱性提高, 促进粉煤灰水化反应.在未掺加粉煤灰时, 水泥土强度始终低于其他掺有粉煤灰的强度, 这说明了粉煤灰的胶凝固化作用.当水泥掺量为14%、粉煤灰掺量为14%时, 强度在60 d以后一直处于最大值.

3.4 强度预测方法

在相同条件下, 无侧限抗压强度与龄期存在一定的线性关系^[11].通过无量纲分析对粉煤灰水泥土强度与龄期进行拟合^[12], 建立预测公式:

(1)

式中:q_{u, t}表示龄期为t的待预测的无侧限抗压强度; q_{u, T}表示龄期为T的已知的无侧限抗压强度; A_T为预测系数.

实测得到的不同龄期的强度值作为q_{u, T}, 分析该龄期强度与其他龄期强度的关系.同组龄期的强度值取其加权平均值作为强度数值.图 4显示了28 d强度与其他龄期间的线性关系, 对应的斜率为预测系数A_T.

同时, 对T=7, 14, 60, 90 d龄期的强度也进行了同样的分析, 得到的回归拟合结果如表 4所示.R²为拟合相关系数.

由表 4可知, 同一龄期T的强度预测系数A_T随着t的增大而增大.通过Matlab软件将不同t下的A_T值进行散点描图、回归拟合, 得到预测系数A_T与龄期t的关系图, 如图 5所示.

由图 5可知, A_T随着t的增大而增大, 随着T的增大而减小.通过对比不同的拟合方法, 得到A_T与t的关系近似于幂函数, 即两者间的变化规律可以通过式(2)来表达.

(2)

式中, a, b分别为拟合参数, 如表 5所示.

由表 5可知, 随着龄期T的增大, 拟合参数b值变化不大, 即不同龄期T时,

(3)

同时, 拟合参数a与T的关系如图 6所示, 得出a与T的幂函数关系式为

(4)

将式(3)和式(4)代入式(2), 得到预测系数与龄期的表达式为

(5)

将式(5)代入式(1), 得到强度预测公式为

(6)

将T=7, 14, 28, 60, 90 d龄期下的实测强度值作为已知强度值, 通过式(6)所预测的其他龄期强度值作为预测值, 得到已知强度和预测强度的关系如图 7所示.其中, q_{u, r}为实测强度值, q_{u, p}为预测强度值.

由图 7可知, 强度预测值接近实测值.因此, 在与本文研究条件相同的情况下, 可以通过经验公式(6), 由某一龄期的强度预测其他任一龄期下的强度.

4 结论

a. 粉煤灰水泥土强度大幅增长主要集中在60 d以前, 90 d以后强度仍缓慢增长; 无侧限受压破坏类型随着龄期的增长由塑性破坏变为脆性破坏, 且提高粉煤灰掺量可以使水泥土提前表现出脆性破坏.

b. 通过预测公式q_{u, t}=1.002 5T^{-0.309 5}t^0.309·q_{u, T}, 可由任一龄期的已知强度值预测相同条件下的其他龄期强度值.

c. 粉煤灰属于“惰性材料”, 大掺量粉煤灰在水泥土中易发生耦合反应; 同时, 粉煤灰具有调和作用, 避免了固化土干缩开裂问题.

d. 当水泥以4%掺入量递增时, 强度约以30%的速率递增; 当水泥掺量过低时, 对固化土强度提高作用不明显; 当水泥掺量在10%~22%的范围内, 水泥和粉煤灰的最优掺量比例为1:1;且随着龄期的增长, 强度稳定所对应的粉煤灰掺量由18%降为14%.