公路路基高砂高泡固結體的強度與演化特征

吳 瑞

(安徽水利水電職業技術學院 建筑工程學院,安徽 合肥 231603)

0 引言

水泥基填充材料作為公路路基最重要的組成部分,其綜合性能、使用壽命等將直接決定公路路基的使用壽命,并在很大程度上直接影響后期的維護成本[1],因此,在西部地表廣泛賦存天然砂土的公路路基鋪設過程中,為了確保公路能夠在承載作用下安全使用,需要高泡水泥基填充材料固結體具有足夠的強度,以滿足其力學穩定性的要求。為了在控制成本的前提下盡可能保障公路路基的強度和力學穩定性等[2],高砂高泡水泥基填充材料固結體的開發與應用是關鍵,而高砂高泡水泥基填充材料固結體中水膠比、砂膠比等對最終公路路基的強度會產生重要的影響[3],但是這方面的研究報道一直處于空白[4]。本文從水膠比和砂膠比角度出發,研究了水膠比和砂膠比對公路路基高砂高泡水泥基填充材料固結體單軸抗壓強度和氣孔孔徑分布的影響,結果將有助于高強、高力學穩定性的公路路基填充材料固結體的開發與應用。

1 材料與方法

試驗原料包括廣州華潤水泥廠生產的PO42.5普通硅酸鹽水泥(密度3 050 kg/m3,3 d和28 d抗壓強度分別為28.8 MPa和52.2 MPa)、甘肅利鑫源微硅粉有限公司生產的NX2型微硅粉(二氧化硅含量91.6%)、鄂爾多斯市烏審旗門克慶煤礦的細砂Ⅱ作為集料(0.1～0.25 mm粒徑比例約95.46%)、河北縱橫科技公司生產的BYBY-2型復合發泡劑、南陽復星水泥廠生產的C117增稠劑和自來水。高砂高泡水泥基填充材料的配比方案如表1,測試項目包括水膠比和砂膠比,其中,水膠比設計為0.5,0.6,0.7和0.8,砂膠比設計為3.0,3.5,4.0和4.5;膠凝材料中水泥和微硅粉比例分別為90% 和10%,細集料類型為細砂Ⅱ。試樣按照表1所示方案配置后澆注到100 mm×100 mm×100 mm的三聯方模中,脫模后置于YB-38N型標準恒溫恒濕養護箱中進行7～90 d的養護處理(濕度大于96%、溫度為20℃)[5]。

表1 高砂高泡水泥基填充材料的配比方案Tab.1 Proportioning scheme of high sand and high foam cement-based filling materials

室溫抗壓強度測試采用美國MTS-810型微機伺服萬能拉伸試驗機進行,加載速率為0.15 mm/min,最終結果取6組試樣的平均值;氣孔孔徑分析參照國標GB/T 15445.2-2006《粒度分析結果的表述》[6]并采用電子掃描成像法進行。

2 試驗結果與分析

2.1 水膠比

圖1為水膠比對水泥基填充材料基體單軸抗壓強的影響?？梢园l現,隨著水膠比從0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度呈現先增加后減小的特征,在水膠比為0.7時取得最大值,約13.2 MPa,水泥基填充材料基體的抗壓強度變化主要與不同水膠比下填充材料基體的含水率不同有關。當水膠比為0.7時,基體的含水率約為27.2%,此時已經達到飽和狀態,而過低或者過高的水膠比則會使基體處于欠飽和或者過飽和狀態,由顆粒間內聚力和摩擦力提供的強度會有所降低[7-9]。

圖1 水膠比對水泥基填充材料基體單軸抗壓強度的影響Fig.1 Influence of water-binder ratio on uniaxial compressive strength of cement-based filling materials

圖2為水膠比對氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響。從圖2(a)的氣孔孔徑分布圖中可見,不同水膠比下試樣的氣孔孔徑與分布頻率的變化趨勢基本相同,即隨著氣孔孔徑增加,氣孔分布頻率逐漸減小,不同水膠比下試樣的氣孔孔徑主要集中在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm,而其它孔徑則相對較少,且通過對比分析可知,水膠比為0.7時孔徑0.25～0.35 mm的頻率最高。從圖2(b)的等效平均孔徑和方差值的變化趨勢可知,隨著水膠比從0.5增加至0.8,等效平均孔徑呈現先減小后增大,方差值呈現先減小后增大然后又減小的趨勢,整體而言,水膠比為0.6時,等效孔徑較小且集中度較高,這主要與此時顆粒間摩擦力較大,更容易造成氣孔破碎并形成通孔有關[10]。

(a) 氣孔孔徑分布

(b) 等效平均孔徑和方差值

圖3為氧化時間和水膠比對高砂高泡固結體單軸抗壓強度的影響,其中,分別列出了水膠比分別為0.5,0.6,0.7和0.8時標準養護7～90 d的固結體單軸抗壓強度測試值。通過對比分析可知,隨著標準氧化時間從7 d增加至90 d,不同水膠比下固結體單軸抗壓強度都表現為逐漸增大的特征,且相對而言,在相同標準氧化時間下,水膠比為0.6的固結體可以獲得最大的單軸抗壓強度,而水膠比為0.5的固結體單軸抗壓強度最小。從水膠比對固結體單軸抗壓強度的影響來看,不同標準養護時間下,固結體試樣的單軸抗壓強度都呈現先增加后減小的特征,在水膠比為0.6時取得最大值。此外,當標準養護時間從7 d增加至28 d時,固結體單軸抗壓強度增長較快,而標準養護時間從28 d增加至90 d時,固結體單軸抗壓強度增長相對較慢。這主要是因為開始養護時間下,水泥的水化反應會消耗膠結體中的水分并降低孔隙水壓力,且水化產物會填充顆粒間孔隙而增強膠結體強度,而隨著養護時間的延長,水化反應所需的膠結體中水分減少,膠結體強度增加幅度會相對較緩[11-12]。

圖3 氧化時間(.)和水膠比(.)對高砂高泡固結體單軸抗壓強度的影響Fig.3 Effect of oxidation time (.) and water-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

2.2 砂膠比

圖4為砂膠比對水泥基填充材料基體單軸抗壓強和膠凝材料含量的影響?？梢园l現,隨著砂膠比從3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度和膠凝材料含量都呈現逐漸減小的特征。當砂膠比為3.0時,水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度約為13.2 MPa、膠凝材料含量約為25.1%,而當砂膠比增加至4.5時,水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度約為8.3 MPa、膠凝材料含量約為18.2%?？梢?當砂膠比從3.0增加至4.5時,水泥基填充材料基體單軸抗壓強和膠凝材料含量的下降幅度分別為37.1% 和27.5%。

圖4 砂膠比對水泥基填充材料基體單軸抗壓強度和膠凝材料含量的影響Fig.4 Effect of sand-binder ratio on cement-based uniaxial compressive strength and material content of cementitious filler

圖5為砂膠比對氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響。從圖5(a)的氣孔孔徑分布圖中可見,不同砂膠比下試樣的氣孔孔徑與分布頻率的變化趨勢基本相同,即隨著氣孔孔徑增加,氣孔分布頻率逐漸減小,不同砂膠比下試樣的氣孔孔徑主要集中在0.25～0.35 mm，0.35～0.45 mm和0.45～0.55 mm,而其它孔徑則相對較少,且通過對比分析可知,不同砂膠比下,試樣中氣孔孔徑在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的頻率高達50%以上。從圖5(b)的等效平均孔徑和方差值的變化趨勢可知,隨著砂膠比從3.0增加至4.5,等效平均孔徑和方差值都呈現逐漸增大特征。這主要是因為當砂膠比處于較低值時,試樣中的凝結材料含量相對較大,孔壁硬化速度也相應較高,氣孔孔徑較小,而在高砂膠比的試樣中,顆粒間的摩擦阻力會增加氣孔破碎和通孔的幾率[13],氣孔孔徑也會相對分散。

圖5 砂膠比對氣孔孔徑分布、等效平均孔徑和方差值的影響Fig.5 Effect of sand-binder ratio on pore size distribution, equivalent mean pore size and variance

圖6為氧化時間和砂膠比對高砂高泡固結體單軸抗壓強度的影響,其中,分別列出了砂膠比為3.0,3.5,4.0和4.5時標準養護7～90 d的固結體單軸抗壓強度測試值。通過對比分析可知,隨著標準氧化時間從7 d增加至90 d,不同砂膠比下固結體單軸抗壓強度都表現為逐漸增大的特征,且相對而言,在相同標準氧化時間下,砂膠比為3.0的固結體可以獲得最大的單軸抗壓強度,而砂膠比為4.5的固結體的單軸抗壓強度最小。從砂膠比對固結體單軸抗壓強度的影響上來看,不同標準養護時間下固結體試樣的單軸抗壓強度都隨著砂膠比的增大而減小。此外,當標準養護時間從7 d增加至28 d時,固結體單軸抗壓強度增長較快,而標準養護時間從28 d增加至90 d時,固結體單軸抗壓強度增長相對較慢。在相同砂膠比下,氧化時間越長則固結體的單軸抗壓強度越大。這主要是因為高砂高泡固結體的氣孔等效平均孔徑和分散度都會隨著膠砂比的增加而增大,孔壁均勻性惡化造成固結體承載能力降低,而氧化時間越長則氣孔等效平均孔徑和分散度會相對減小,固結體的強化變化主要是基體與氣孔二者協同作用的結果[14]。

圖6 氧化時間(.)和砂膠比(.)對高砂高泡固結體單軸抗壓強度的影響Fig.6 Effect of oxidation time (.) and sand-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

3 結論

1)隨著水膠比從0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度呈現先增加后減小的特征,在水膠比為0.7時取得最大值,約13.2 MPa。隨著標準氧化時間從7 d增加至90 d,不同水膠比下固結體單軸抗壓強度都表現為逐漸增大的特征,且相對而言,在相同標準氧化時間下,水膠比為0.6的固結體可以獲得最大的單軸抗壓強度。

2)隨著砂膠比從3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基體的單軸抗壓強度和膠凝材料含量都呈現逐漸減小的特征。當砂膠比從3.0增加至4.5時,水泥基填充材料基體單軸抗壓強和膠凝材料含量的下降幅度分別為37.1% 和27.5%。

3)不同砂膠比下試樣中氣孔孔徑在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的頻率高達50%以上。隨著砂膠比從3.0增加至4.5,等效平均孔徑和方差值都呈現逐漸增大的特征。隨著標準氧化時間從7 d增加至90 d,不同砂膠比下固結體單軸抗壓強度都表現為逐漸增大的特征,且相對而言,在相同標準氧化時間下,砂膠比為3.0的固結體可以獲得最大的單軸抗壓強度,而砂膠比為4.5的固結體的單軸抗壓強度最小。在相同砂膠比下,氧化時間越長則固結體的單軸抗壓強度越大。