陶 亮
(广西翔路建设有限责任公司,广西 南宁 530029)
聚苯乙烯(Expanded Polystyrene,简称EPS)是一种轻型的高分子有机聚合物,EPS凭借其质量小、耐久性好、易加工和稳定性好等诸多优良特性,在工程中得到广泛应用。EPS颗粒与土、水泥、水经搅拌混合后得到混合轻质土,既可以起到降低混合土重度的作用,又可以充分利用水泥水化作用产生的胶结固化作用,从而提高混合轻质土的抗压、抗剪切变化的能力,当前被广泛用于高等级公路、地铁等工程建设中。而日本更是在2000年就已经开始使用聚苯乙烯泡沫颗粒混合轻质土[1-2]。
目前,国内外已有很多关于混合轻质土的研究,但几乎都是EPS与淤泥、黏土、砂土等混合而得到的。例如,刘汉龙等[3]、董金梅等[4]、朱伟等[5]等通过实验分析了聚苯乙烯轻质混合土(与淤泥粉质黏土混合)的渗透、压缩与强度特性;刘汉龙等[6]研究了聚苯乙烯轻质混合土(与淤泥粉质黏土混合)的单轴与三轴应力—应变曲线的形态特征;侯天顺等[7-9]研究了轻量砂及其轻量土(与海相沉积淤泥混合、与关山黏土混合)的变形及强度特性;Bathurst R J等[10]通过试验研究认为动荷载的影响作用能够被轻质土工材料显著地削弱,其可以有效降低震动而引起的破坏;Trandair A C等[11]研究了轻质土工合成材料在只有单轴循环加载条件下的动变形特征。
但是研究与黄土混合的聚苯乙烯泡沫颗粒混合轻质土的文献还几乎没有,因此本文研究黄土EPS颗粒混合轻质土的抗剪强度性质,以期为今后的工程建设提供参考。
试验所用的黄土均为取自陕西扶风县太白乡长命寺村的Q3黄土,为浅黄色马兰黄土,土质较均匀,含有部分植物根系留下的空洞。其基本物理性质如表1所示。将其摊开自然风干并碾碎,再用筛孔为0.5 mm的筛子进行筛分。EPS颗粒的粒径为0.5~1 mm,堆积密度为0.020 g/cm3。固化剂为陕西满意水泥有限责任公司制造的复合硅酸盐水泥,型号为P·C32.5。水为自来水。
表1 Q3原状黄土物理性质指标表
首先,将自然风干碾碎的黄土放在烘箱中烘干,称取其重量;接着,往其里面加入水泥,搅拌大致5~8 min,使其均匀分布;再加入水,搅拌大概5~10 min,形成均匀的浆体;最后,加入EPS颗粒,搅拌大约10~15 min的时间,形成均匀的可塑性混合轻质土,将其装入直径为3.91 cm、高为8.00 cm的三瓣模模具中(在装入浆体前先在模具内侧壁均匀涂抹上一层凡士林,以便于除去模具),接着放入YH-40B型标准恒温恒湿养护箱中进行养护,养护温度设为20±1 ℃,养护湿度为95%,1 d后拆模(这1 d的时间也计入养护龄期),再次放入养护箱中养护到规定龄期。
在达到28 d的养护龄期后,对试样进行不固结不排水三轴剪切试验(即UU试验),应变速率设为1 mm/min,每隔30 s采集一次数据,围压取为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa,应变达到20%则自动停止。试验设备为长安大学土工实验楼的南京土壤仪器厂生产的TFB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪,试验方案如表2所示,表中的掺入比均为各种材料与黄土干质量之比。
表2 试验方案表
根据电脑终端输出的Excel表格可以得到各配合比破坏时的p、q值的大小,如下页表3所示,其中,p=(σ1+σ3)/2,为摩尔应力圆的圆心横坐标;q=(σ1-σ3)/2,为摩尔应力圆的半径,σ1、σ3分别为大、小主应力。
表3 各配合比的实验结果对比表
本文选用p~q直角坐标系统来表示各配合比的应力路径。由表3中的数据通过Excel表格就可以拟合得到各配合比的应力路径Kf线(见图1),设纵坐标截距为b,斜率为k,即q=pk+b(Kf线),拟合得到k、b及相关系数的平方R2(见表4)。b、k与粘聚力c、摩擦角φ之间存在关系式(1)[12-13]:
图1 不同配合比的应力路径图
sinφ=k;c=b/cosφ
(1)
由此可以得到各配合比的抗剪强度指标c、φ值的大小(见表4),由表4可以得到图2~3。
3.2.1 水泥掺入比对抗剪强度c、φ的影响
从图2中可以看出,摩擦角随着水泥掺入比的增大,先减小后增大,但介于14.781 ~17.406 之间,且上下波动幅度很小,仅为2.625,由此可得,水泥对摩擦角的影响很小。
表4 不同配合比的应力路径Kf与抗剪强度指标表
图2 水泥掺入比对抗剪强度指标的影响曲线图
图3 EPS颗粒掺入比对抗剪强度指标的影响曲线图
粘聚力c先是随着水泥掺入比的增大而急剧增大,但当水泥掺入比增大到20%后,c几乎保持不变,甚至有下降趋势。上述现象产生的原因可能是:混合轻质土中的粘聚力主要来源于水泥的水化反应,随着水泥掺入量的增加,水化反应越强烈,所形成的水化作用产物越多,进而所形成的胶结结构越稳定,即结构强度越大,抵抗剪切破坏变形的能力就越大,进而抗剪强度越大,所以粘聚力越大;由于轻质土中的EPS颗粒的掺入量相同,水泥水化作用产物所能占有的体积相对比较固定,所以当水泥掺入量达到一定程度时,已没有多余的空间,甚至有可能反过来影响水泥的水化作用,导致其水化作用不彻底,抗剪强度反而有可能下降。由此可知在水泥掺入比<20%时,c随水泥用量的增大而增大;当达到20%时,水泥掺入量的变化几乎对c没有影响。
3.2.2 EPS颗粒掺入比对抗剪强度c、φ的影响
从图3中可以看出,摩擦角随着EPS颗粒掺入比的增大,先减小后增大,介于14.781 ~22.097 之间,上下波动幅度为7.316,但是随EPS颗粒的增加没有明显的变化规律。
粘聚力c先是随着EPS颗粒掺入比的增大而增大,但当EPS颗粒掺入比增大到3%后,c值急剧下降。上述现象产生的原因可能是:当EPS颗粒含量很小时,由于掺水量相对较多,混合轻质土在拌制的过程中极易发生离析现象,可能导致部分水化作用产物未装入到三瓣模模具,因此,抗剪强度不大;当EPS颗粒掺入比增大到3%后,基本不会出现离析现象,又由于粘聚力主要来源于水泥的水化反应,当水泥掺入量一定,而EPS颗粒掺入量增大时,固体颗粒之间的水化作用产物就会相对减少变薄,故形成的胶结结构就会不稳定,即抵抗剪切破坏变形的能力就越小,所以粘聚力越小。由此可得,随EPS颗粒掺入比的增大,粘聚力c先增大后减小。
(1)黄土EPS颗粒混合轻质土的强度主要取决于水泥水化作用,水化作用产物填充于固体颗粒之间,提高了固体颗粒之间的粘聚力,从而提高了黄土EPS颗粒混合轻质土的抗剪强度。
(2)黄土EPS颗粒混合轻质土的内摩擦角介于14.781~22.097 之间,受水泥、EPS颗粒掺入量变化的影响很小。
(3)黄土EPS颗粒混合轻质土的粘聚力,随水泥掺入量的增加而增大,当水泥掺入量到达20%后,粘聚力c几乎不受水泥掺入量变化的影响;随EPS颗粒掺入比的增大,粘聚力c先增大后减小。