公路路基高砂高泡固结体的强度与演化特征

吴 瑞

(安徽水利水电职业技术学院 建筑工程学院,安徽 合肥 231603)

0 引言

水泥基填充材料作为公路路基最重要的组成部分,其综合性能、使用寿命等将直接决定公路路基的使用寿命,并在很大程度上直接影响后期的维护成本[1],因此,在西部地表广泛赋存天然砂土的公路路基铺设过程中,为了确保公路能够在承载作用下安全使用,需要高泡水泥基填充材料固结体具有足够的强度,以满足其力学稳定性的要求。为了在控制成本的前提下尽可能保障公路路基的强度和力学稳定性等[2],高砂高泡水泥基填充材料固结体的开发与应用是关键,而高砂高泡水泥基填充材料固结体中水胶比、砂胶比等对最终公路路基的强度会产生重要的影响[3],但是这方面的研究报道一直处于空白[4]。本文从水胶比和砂胶比角度出发,研究了水胶比和砂胶比对公路路基高砂高泡水泥基填充材料固结体单轴抗压强度和气孔孔径分布的影响,结果将有助于高强、高力学稳定性的公路路基填充材料固结体的开发与应用。

1 材料与方法

试验原料包括广州华润水泥厂生产的PO42.5普通硅酸盐水泥(密度3 050 kg/m3,3 d和28 d抗压强度分别为28.8 MPa和52.2 MPa)、甘肃利鑫源微硅粉有限公司生产的NX2型微硅粉(二氧化硅含量91.6%)、鄂尔多斯市乌审旗门克庆煤矿的细砂Ⅱ作为集料(0.1～0.25 mm粒径比例约95.46%)、河北纵横科技公司生产的BYBY-2型复合发泡剂、南阳复星水泥厂生产的C117增稠剂和自来水。高砂高泡水泥基填充材料的配比方案如表1,测试项目包括水胶比和砂胶比,其中,水胶比设计为0.5,0.6,0.7和0.8,砂胶比设计为3.0,3.5,4.0和4.5;胶凝材料中水泥和微硅粉比例分别为90% 和10%,细集料类型为细砂Ⅱ。试样按照表1所示方案配置后浇注到100 mm×100 mm×100 mm的三联方模中,脱模后置于YB-38N型标准恒温恒湿养护箱中进行7～90 d的养护处理(湿度大于96%、温度为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

室温抗压强度测试采用美国MTS-810型微机伺服万能拉伸试验机进行,加载速率为0.15 mm/min,最终结果取6组试样的平均值;气孔孔径分析参照国标GB/T 15445.2-2006《粒度分析结果的表述》[6]并采用电子扫描成像法进行。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比

图1为水胶比对水泥基填充材料基体单轴抗压强的影响。可以发现,随着水胶比从0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度呈现先增加后减小的特征,在水胶比为0.7时取得最大值,约13.2 MPa,水泥基填充材料基体的抗压强度变化主要与不同水胶比下填充材料基体的含水率不同有关。当水胶比为0.7时,基体的含水率约为27.2%,此时已经达到饱和状态,而过低或者过高的水胶比则会使基体处于欠饱和或者过饱和状态,由颗粒间内聚力和摩擦力提供的强度会有所降低[7-9]。

图1 水胶比对水泥基填充材料基体单轴抗压强度的影响Fig.1 Influence of water-binder ratio on uniaxial compressive strength of cement-based filling materials

图2为水胶比对气孔孔径分布、等效平均孔径和方差值的影响。从图2(a)的气孔孔径分布图中可见,不同水胶比下试样的气孔孔径与分布频率的变化趋势基本相同,即随着气孔孔径增加,气孔分布频率逐渐减小,不同水胶比下试样的气孔孔径主要集中在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm,而其它孔径则相对较少,且通过对比分析可知,水胶比为0.7时孔径0.25～0.35 mm的频率最高。从图2(b)的等效平均孔径和方差值的变化趋势可知,随着水胶比从0.5增加至0.8,等效平均孔径呈现先减小后增大,方差值呈现先减小后增大然后又减小的趋势,整体而言,水胶比为0.6时,等效孔径较小且集中度较高,这主要与此时颗粒间摩擦力较大,更容易造成气孔破碎并形成通孔有关[10]。

(a) 气孔孔径分布

(b) 等效平均孔径和方差值

图3为氧化时间和水胶比对高砂高泡固结体单轴抗压强度的影响,其中,分别列出了水胶比分别为0.5,0.6,0.7和0.8时标准养护7～90 d的固结体单轴抗压强度测试值。通过对比分析可知,随着标准氧化时间从7 d增加至90 d,不同水胶比下固结体单轴抗压强度都表现为逐渐增大的特征,且相对而言,在相同标准氧化时间下,水胶比为0.6的固结体可以获得最大的单轴抗压强度,而水胶比为0.5的固结体单轴抗压强度最小。从水胶比对固结体单轴抗压强度的影响来看,不同标准养护时间下,固结体试样的单轴抗压强度都呈现先增加后减小的特征,在水胶比为0.6时取得最大值。此外,当标准养护时间从7 d增加至28 d时,固结体单轴抗压强度增长较快,而标准养护时间从28 d增加至90 d时,固结体单轴抗压强度增长相对较慢。这主要是因为开始养护时间下,水泥的水化反应会消耗胶结体中的水分并降低孔隙水压力,且水化产物会填充颗粒间孔隙而增强胶结体强度,而随着养护时间的延长,水化反应所需的胶结体中水分减少,胶结体强度增加幅度会相对较缓[11-12]。

图3 氧化时间(.)和水胶比(.)对高砂高泡固结体单轴抗压强度的影响Fig.3 Effect of oxidation time (.) and water-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

2.2 砂胶比

图4为砂胶比对水泥基填充材料基体单轴抗压强和胶凝材料含量的影响。可以发现,随着砂胶比从3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度和胶凝材料含量都呈现逐渐减小的特征。当砂胶比为3.0时,水泥基填充材料基体的单轴抗压强度约为13.2 MPa、胶凝材料含量约为25.1%,而当砂胶比增加至4.5时,水泥基填充材料基体的单轴抗压强度约为8.3 MPa、胶凝材料含量约为18.2%。可见,当砂胶比从3.0增加至4.5时,水泥基填充材料基体单轴抗压强和胶凝材料含量的下降幅度分别为37.1% 和27.5%。

图4 砂胶比对水泥基填充材料基体单轴抗压强度和胶凝材料含量的影响Fig.4 Effect of sand-binder ratio on cement-based uniaxial compressive strength and material content of cementitious filler

图5为砂胶比对气孔孔径分布、等效平均孔径和方差值的影响。从图5(a)的气孔孔径分布图中可见,不同砂胶比下试样的气孔孔径与分布频率的变化趋势基本相同,即随着气孔孔径增加,气孔分布频率逐渐减小,不同砂胶比下试样的气孔孔径主要集中在0.25～0.35 mm，0.35～0.45 mm和0.45～0.55 mm,而其它孔径则相对较少,且通过对比分析可知,不同砂胶比下,试样中气孔孔径在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的频率高达50%以上。从图5(b)的等效平均孔径和方差值的变化趋势可知,随着砂胶比从3.0增加至4.5,等效平均孔径和方差值都呈现逐渐增大特征。这主要是因为当砂胶比处于较低值时,试样中的凝结材料含量相对较大,孔壁硬化速度也相应较高,气孔孔径较小,而在高砂胶比的试样中,颗粒间的摩擦阻力会增加气孔破碎和通孔的几率[13],气孔孔径也会相对分散。

图5 砂胶比对气孔孔径分布、等效平均孔径和方差值的影响Fig.5 Effect of sand-binder ratio on pore size distribution, equivalent mean pore size and variance

图6为氧化时间和砂胶比对高砂高泡固结体单轴抗压强度的影响,其中,分别列出了砂胶比为3.0,3.5,4.0和4.5时标准养护7～90 d的固结体单轴抗压强度测试值。通过对比分析可知,随着标准氧化时间从7 d增加至90 d,不同砂胶比下固结体单轴抗压强度都表现为逐渐增大的特征,且相对而言,在相同标准氧化时间下,砂胶比为3.0的固结体可以获得最大的单轴抗压强度,而砂胶比为4.5的固结体的单轴抗压强度最小。从砂胶比对固结体单轴抗压强度的影响上来看,不同标准养护时间下固结体试样的单轴抗压强度都随着砂胶比的增大而减小。此外,当标准养护时间从7 d增加至28 d时,固结体单轴抗压强度增长较快,而标准养护时间从28 d增加至90 d时,固结体单轴抗压强度增长相对较慢。在相同砂胶比下,氧化时间越长则固结体的单轴抗压强度越大。这主要是因为高砂高泡固结体的气孔等效平均孔径和分散度都会随着胶砂比的增加而增大,孔壁均匀性恶化造成固结体承载能力降低,而氧化时间越长则气孔等效平均孔径和分散度会相对减小,固结体的强化变化主要是基体与气孔二者协同作用的结果[14]。

图6 氧化时间(.)和砂胶比(.)对高砂高泡固结体单轴抗压强度的影响Fig.6 Effect of oxidation time (.) and sand-binder ratio (.) on uniaxial compressive strength of high sand and high foam consolidated body

3 结论

1)随着水胶比从0.5增加至0.8,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度呈现先增加后减小的特征,在水胶比为0.7时取得最大值,约13.2 MPa。随着标准氧化时间从7 d增加至90 d,不同水胶比下固结体单轴抗压强度都表现为逐渐增大的特征,且相对而言,在相同标准氧化时间下,水胶比为0.6的固结体可以获得最大的单轴抗压强度。

2)随着砂胶比从3.0增加至4.5,高砂高泡水泥基填充材料基体的单轴抗压强度和胶凝材料含量都呈现逐渐减小的特征。当砂胶比从3.0增加至4.5时,水泥基填充材料基体单轴抗压强和胶凝材料含量的下降幅度分别为37.1% 和27.5%。

3)不同砂胶比下试样中气孔孔径在0.25～0.35 mm和0.35～0.45 mm的频率高达50%以上。随着砂胶比从3.0增加至4.5,等效平均孔径和方差值都呈现逐渐增大的特征。随着标准氧化时间从7 d增加至90 d,不同砂胶比下固结体单轴抗压强度都表现为逐渐增大的特征,且相对而言,在相同标准氧化时间下,砂胶比为3.0的固结体可以获得最大的单轴抗压强度,而砂胶比为4.5的固结体的单轴抗压强度最小。在相同砂胶比下,氧化时间越长则固结体的单轴抗压强度越大。