矿物掺合料对干拌水泥碎石桩力学性能的影响.pdf

基金项目青海省交通运输科技项目()作者简介曾祥胜()男工程师主要研究方向:公路桥梁通信作者翟健梁()男硕士主要研究方向:道路建筑材料矿物掺合料对干拌水泥碎石桩力学性能的影响曾祥胜 翟健梁 陈佳煜(.青海省海西公路总段 德令哈.长安大学材料科学与工程学院 西安)摘 要:为更好地促进干拌水泥碎石桩的工程化应用选定了掺加矿物掺合料的干拌水泥碎石桩水泥种类单掺粉煤灰、火山灰、石粉于干拌水泥碎石桩中分析其掺量对干拌水泥碎石桩混凝土的力学性能影响复掺粉煤灰与石粉于干拌水泥碎石桩混凝土中分析其力学性能随矿物掺合料掺量的变化趋势 结果表明:.能更好地适用于掺加矿物掺合料的干拌水泥碎石桩随着掺量的增加干拌水泥碎石桩抗压强度呈下降趋势其中火山灰掺量对干拌水泥碎石桩混凝土的力学性能影响较大但试件破坏形貌不明显复掺条件下掺量低于 时干拌水泥碎石桩的抗压强度随掺量变化影响不大掺量超过 后抗压强度随矿物掺合料掺量增加而呈线性下降趋势但抗压强度增长率呈“形”变化趋势关键词:道路工程干拌水泥碎石桩矿物掺合料力学性能 (.):.“”.:青海交通科技 第 期 引言碎石桩是先在软土地基中成孔后将碎石挤入孔中而形成的大直径密实桩体加固技术 干拌水泥碎石桩是由水泥与级配碎石按一定比例配制而成的桩体结构可用于地基加固工程其造价低廉、施工简单且加固改善效果良好 国内使用碎石桩对软土地基进行综合处理方面的研究已较为广泛大理高速公路部分路段为软土地基张秀勇等使用加设碎石垫层的碎石桩复合地基显著改善了其地基的承受能力 陈建峰等研究了冻融后的加筋碎石桩复合地基认为地基土的融化会使桩间土的沉降显著增大 王雪艳依托湿陷性黄土地基处理工程发现碎石桩能有效加固地基消除地基土的湿陷性提高地基土的承载能力与压缩模量改善其沉降效应 陈忠宇等提出了适用于青海地区高速公路的路基加固水泥桩设计方法并应用于牙同高速公路 张金保使用有限元研究了桩长、桩间距等对干拌水泥碎石桩的加固效果影响周亚东等也使用模型预测了碎石桩复合地基的固结时间对地基沉降量的影响 谭鑫等使用离散元方法验证了软土地基中的碎石桩桩土相互作用机理并对单桩的变形至破坏全过程进行了模拟邹辰皓等使用离散元分析了加筋长度对土工布格栅包裹碎石桩的承载性能影响 邵韦弦使用 二维有限元程序结合施工实践研究了碎石桩加固软土地基后路堤的变形与稳定性目前国内对碎石桩的力学行为研究以及工程应用方面的分析较多但对碎石桩中掺加矿物掺合料进行性能改性的研究鲜有而干拌水泥碎石桩吸水量受路基含水的率影响较大因此研究干拌水泥碎石桩强度受水灰比的影响也有较大工程意义 宋少民等认为石灰石石粉掺量超过 后混凝土的耐久性能劣化且石粉掺量为 时混凝土强度变化不显著 黄晓燕认为花岗岩石粉在管桩混凝土中的最佳掺量为 姜天华等认为矿物掺合料的增塑效应、微集料效应、形态效应等可以提升混凝土的工作性、力学性与耐久性且掺合料细度越小火山灰活性越大 本文选定了适用于矿物掺合料改性干拌水泥碎石桩的水泥种类将矿物掺合料以内掺的方式掺加于干拌水泥碎石桩混凝土中研究掺量、掺加方式对干拌水泥碎石桩混凝土力学性能的影响以期为干拌水泥碎石桩性能的改性研究提供参考 试验.原材料试验用.、.水泥产于安徽海螺水泥有限公司参照青海省地方标准干拌水泥碎石桩施工技术规范(/)测试 技术指标如表 所示表 .水泥的技术指标比表面积/烧失量/初凝时间/终凝时间/含量/.试验用 级粉煤灰平均粒径.产自陕西圣鑫粉煤灰有限公司主要化学成分见表 火山灰 主 要 化 学 成 分 见 表 石 粉 比 表 面 积 为/主要化学成分见表 表 粉煤灰主要化学成分成分含量/.表 火山灰主要化学成分成分含量/.第 期青海交通科技表 石粉主要化学成分成分含量/.试验用集料为石灰岩粒径为 和.试验设计首先选用.、.水泥按照不同水灰比配制干拌水泥碎石桩混凝土进行抗压强度力学试验以便选定水泥种类后使用内掺法将矿物掺合料单掺或复掺于混凝土中进行力学性能分析以评价不同矿物掺合料及其掺量变化对干拌水泥碎石桩混凝土力学性能的影响设计技术路线如图 水泥种类的试验方案如表 选用.水泥水灰比.使用内掺法掺加矿物掺合料配制干拌水泥碎石桩混凝土的试验方案及配比见表 和表表 水泥种类的试验方案分组水泥水灰比.图 试验技术路线图表 单掺矿物掺合料的试验配比及方案分组粉煤灰掺量/分组火山灰掺量/分组石粉掺量/注:为内掺法掺加矿物掺合料于水泥混凝土中青海交通科技 第 期表 复掺矿物掺合料的试验配比及方案分组复合掺量/粉煤灰掺量/火山灰掺量/石粉掺量/注:为内掺法掺加矿物掺合料于水泥混凝土中.性能测试依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程()测试不同水灰比、掺加不同矿物掺合料时混凝土的/抗压强度并对其力学性能进行对比分析后对压碎时混凝土的宏观形貌进行评价分析计算混凝土强度增长率 如式()()式中:其中 为混凝土 抗压强度为混凝土 抗压强度 结果与讨论.水灰比对干拌水泥碎石桩的抗压强度影响经过前期调研发现工程上应用较多的水泥为.因此设置一组干拌水泥碎石桩 抗压强度随.水泥水灰比变化的方案趋势如图 随着水泥水灰比的增大干拌水泥碎石桩抗压强度逐渐降低且降低趋势渐缓符合式()相关系数 为.函数拟合良好.()理论上水泥充分水化所需水灰比约为.但此时混凝土几乎没有流动性 水灰比增大在提高混凝土流动性的同时也增加了其含水量硬化后残留水分在混凝土中形成水泡水分蒸发后留下气孔致使受压后混凝土在气泡周围产生应力集中从而降低混凝土强度 当水灰比为.时干拌水泥碎石桩混凝土的 强度已降至.强度较低使用.水泥配制干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度如图 由图 可知 配制的混凝土强度稳定性更好 与 相似随水灰比增加干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度降低当水灰比为.时干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度值仍在 以上 与.相比.配制的干拌水泥碎石桩混凝土能更好地适用于含水率差异较大的路基工况图 干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度变化趋势图 干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度变化图 第 期青海交通科技.矿物掺合料对干拌水泥碎石桩的抗压强度影响 掺加粉煤灰等矿物掺合料除了能改善干拌水泥碎石桩的性能外还能改善其经济效益 单掺粉煤灰时掺量对干拌水泥碎石桩混凝土的力学性能影响如图 由图 可知随着粉煤灰掺量增加混凝土的抗压强度(/)均在下降但抗压强度增长率(除 粉煤灰掺量)保持稳定均在 左右粉煤灰掺量下的干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度增长率为.图 掺入粉煤灰对干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度影响 粉煤灰体积大比表面积小前期基本不参与体系反应但因其形态效应可以释放水化反应中被包裹着的水提高水泥分散性从而优化水泥石结构提高混凝土的体积稳定性 随着养护时间增长粉煤灰的二次反应会使其表现出胶凝活性促使混凝土后期强度大幅提升掺入粉煤灰、火山灰、石粉等矿物掺合料对干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度影响如图 三种矿物掺合料掺量下干拌水泥碎石桩混凝土的/抗压强度变化趋势近似相同均随掺量增加而呈下降趋势且同掺量下干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度按粉煤灰、火山灰、石粉的顺序递减 其中火山灰的掺量变化对干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度降幅最大石粉次之粉煤灰最小水化反应初期粉煤灰同火山灰的填充作用占优但火山灰棱角多、比表面积大、碱含量高这种特殊的效应能加速其水化反应初期的化学反应使得掺加火山灰的干拌水泥碎石桩早期强度较好 随着火山灰掺量的增加棱角效应随之增加混凝土的流动性降低且容易泌水离析 由此认为火山灰掺量对混凝土的力学性能有较大影响图 掺入矿物掺合料对干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度影响.复掺矿物掺合料对干拌水泥碎石桩抗压强度的影响 复掺粉煤灰与石粉对干拌水泥碎石桩混凝土抗压强度的影响如图 在矿物掺合料低掺量阶段干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度随掺量的增加变化幅度较低当矿物掺合料掺量超过后干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度随掺量增加而呈线性下降趋势符合式()且线性趋势良好()抗压强度的增长率则呈先下降后上升的“型”趋势在矿物掺合料掺量时达到最小值.图 复掺矿物掺合料对干拌水泥碎石桩混凝土抗压强度的影响青海交通科技 第 期.()内掺法使用矿物掺合料代替水泥掺入干拌水泥碎石桩混凝土可以减少水泥用量致使混凝土抗压强度下降 矿物掺合料的火山灰反应较为缓慢当掺量较少时矿物掺合料的形态效应占优能优化混凝土结构提升混凝土强度当掺量进一步增加后水泥含量的减少是干拌水泥碎石桩混凝土抗压强度及强度增长率下降的最主要原因 水泥含量少导致混凝土的强度下降与矿物掺合料的长期火山灰效应导致的混凝土初期强度较低共同影响着干拌水泥碎石桩的力学性能.矿物掺合料对水泥混凝土的宏观影响矿物掺合料掺量下的干拌水泥碎石桩混凝土在养护 后的压碎情况如图 由图 可知当发生强度破坏时掺加 火山灰的干拌水泥碎石桩混凝土破坏效果不明显而掺加其余矿物掺合料后的干拌水泥碎石桩混凝土破坏形貌变化较为显著 可能由于火山灰的活性较强棱角性较好水泥水化后的反应产物易于附着致使混凝土的整体稳定性较好图 后 矿物掺合料掺量下干拌水泥碎石桩混凝土的压碎后形貌对比 结论()掺加矿物掺合料会降低混凝土的初期抗压强度且.配制干拌水泥碎石桩混凝土的 抗压强度较低难以满足设计要求 因此本文选用试验水泥为.水灰比增大混凝土的抗压强度下降.配制干拌水泥碎石桩混凝土强度较高能更好地适用于冻土地区干拌水泥桩设计()干拌水泥碎石桩混凝土的/抗压强度随粉煤灰掺量的增加而下降但抗压强度增长率基本保持稳定除 粉煤灰掺量外干拌水泥碎石桩混凝土的抗压强度增长率均在 附近波动随着粉煤灰、火山灰、石粉掺量的增加干拌水泥碎石桩混凝土的/抗压强度呈下降趋势且火山灰掺量对混凝土的力学性能有较大不利影响 火山灰掺量时试件破坏形貌不明显()复掺粉煤灰与石粉掺量低于 时干拌水泥碎石桩混凝土抗压强度随掺量的变化不大掺量超过 后抗压强度随掺量增加而呈线性下降趋势但抗压强度增长率呈“形”趋势当 矿物掺合料掺量时增长率达到最小值.参 考 文 献 张奕泽王婧俞演名等.振动沉管碎石桩在堤防软土地基中的应用.水利规划与设计():.陈忠宇张金保李永清等.干拌水泥碎石桩设计方法与工程应用研究.公路():.刘梦捷常光磊.碎石桩与包裹碎石桩复合地基现场静载试验对比研究.公路():.汤罗圣岳敏王云安等.某民用机场跑道软基碎石桩 堆载预压综合处理方法研究.中外公路():.张秀勇王海龙李杰.碎石桩复合地基在大丽高速公路软土地基处理中的应用.河海大学学报(自然科学版)():.陈建峰顾子昂王兴涛等.冻融条件下加筋碎石桩复合地基路堤性状研究.岩土工程学报():.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 黄佑芬吴道勇吴诗雨.冻融循环条件下重塑硫酸盐渍土变形试验研究.冰川冻土():.王策沐方元刘东浩.硫酸盐渍土盐胀结晶试验研究进展.低温建筑技术():.王金山.粗粒盐渍土盐胀及力学特性研究.新疆大学.刘晶磊张国朋张楠.冻融循环条件下固化剂改良盐渍土盐胀特性试验研究.河北建筑工程学院学报():.张傲宁.水泥固化硫酸盐渍土盐胀机理和性能调控研究.南京:东南大学.张佳兴裴向军韦璐.硫酸盐渍土水泥加固盐胀抑制剂研究.岩土工程学报():.崔伟.钢渣石灰改良盐渍土的试验研究.山西建筑():.杨家顺柴志军.工业废渣改良盐渍土性能试验研究.山东交通学院学报():.付阳.石灰改良硫酸盐盐渍土盐胀特性试验研究.北京:北京交通大学.马君泽.长期冻融干湿循环条件下宁夏地区硫酸盐渍土性能劣化研究.宁夏:宁夏大学.青海交通科技 第 期