稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的研究_丑亚玲.pdf
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1、 文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 1 2 7-0 9稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的研究丑亚玲*,韩航天(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:在西北季节冻土区广泛分布着盐渍土,其在空间分布上连续性差,工程性质极其不稳定;且浅层盐渍土受冻融作用的反复影响,其力学性质长期处于动态的变化之中,给工程设计与建设带来了极大的挑战.鉴于此,通过压缩试验及无侧限抗压强度试验,研究稻壳灰对盐渍土的改良效果.结果表明,稻壳灰可以显著地改善盐渍土的压缩特性,并提高其无侧限抗压强度,且改良土的压缩系数与抗压强度之间呈现出负相关的线性关系.随着
2、掺灰量和养护龄期的增加,改良土的压缩系数不断减小,无侧限抗压强度呈现出不断增加的趋势,最大可增加4倍左右.以抗压强度损失率为指标对改良土的抗冻性进行了评价,发现改良土的抗冻性随着掺灰量的增加呈现出先增强后减弱的趋势,且在1 5%的掺灰量时,其抗冻性效果最显著;相对而言,养护龄期对于改良土的抗冻性影响较小.关键词:盐渍土;稻壳灰;压缩试验;无侧限抗压强度试验;抗冻性中图分类号:TU 4 1 1 文献标志码:AE x p e r i m e n t a l s t u d yo nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n df r e e z i n g
3、r e s i s t a n c eo f r i c eh u s ka s hi m p r o v e ds a l i n e s o i lCHOUY a-l i n g,HAN H a n g-t i a n(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:S a l i n es o i l i sw i d e l yd i s t r i b u t e d i
4、nt h es e a s o n a l f r o z e ns o i l a r e ao fN o r t h w e s tC h i n a,w h i c hh a sp o o rc o n t i n u i t y i ns p a t i a ld i s t r i b u t i o na n de x t r e m e l yu n s t a b l ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s.M o r e o v e r,t h em e-c h a n i c a l p r o p e r t i e so f
5、s h a l l o ws a l i n es o i l a r e i nd y n a m i cc h a n g e s f o ra l o n gt i m ed u et ot h er e p e a t e d i n f l u-e n c eo f f r e e z i n ga n d t h a w i n g,w h i c hb r i n g sg r e a t c h a l l e n g e s t oe n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n.I nv i e wo
6、f t h i s,t h r o u g ht h ec o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nt e s t a n dt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t,t h e i m-p r o v e m e n t e f f e c to f r i c eh u s ka s ho nc h l o r i d es a l i n es o i lw a ss t u d i e d.T h er e s u l t ss h o wt h
7、 a t r i c eh u s ka s hc a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ec o m p r e s s i v ep r o p e r t i e so f s a l i n es o i l a n di n c r e a s e i t su n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t h,a n dt h e r e i san e g a t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n
8、t h ec o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n ta n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f i m p r o v e ds o i l.W i t ht h e i n c r e a s eo f r i c eh u s ka s ha n dc u r i n ga g e,t h e c o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t o ft h e i m p r o v e ds a l i n es o i l c o n t i n u e s t
9、od e c r e a s e,a n dt h eu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t hs h o w sa n i n c r e a s-i n gt r e n d,w h i c hc a nb ei n c r e a s e db ya b o u t4t i m e s.B yu s i n gt h el o s sr a t eo fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ha se v a l u a t i o nc r i t
10、e r i a,t h ef r o s tr e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds o i lw a se v a l u a t e d.I tw a sf o u n dt h a tt h e f r o s t r e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds o i l i n c r e a s e f i r s t a n dt h e nd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f t h ea m o u n to fa s h,a
11、n dt h ef r o s tr e s i s t a n c ee f f e c t i st h em o s ts i g n i f i c a n tw h e nt h ea m o u n to fa s hw a s1 5%.R e l a t i v e l ys p e a k i n g,t h ec u r i n ga g eh a s l i t t l ee f f e c to nt h e f r o s t r e s i s t a n c eo f t h e i m p r o v e ds a l i n es o i l.K e yw o
12、r d s:s a l i n es o i l;r i c eh u s ka s h;c o n s o l i d a t i o nc o m p r e s s i o nt e s t;u n c o n f i n e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t;f r o s t r e s i s t a n c e 盐渍土是自然地质形成过程中产生的一种具有 收稿日期:2 0 2 0-0 5-1 8 基金项目:国家自然科学基金(5 1 7 6 9 0 1 3)通讯作者:丑亚玲(1 9 7 6-),女,甘肃合水人,博士,教授,博导.
13、E m a i l:c h o u y a l i n g l z b.a c.c n盐胀、溶陷、腐蚀等不良工程性质的地质体,是一种非连续性和不确定性的复杂结构体,其特殊的物理性质和力学行为一直是困扰岩土工程界的重大工程问题,对各类浅表层轻型结构(如工业民用建筑、水利、铁道、公路等工程)建设和工程运营起到了极大第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3的破坏作用.盐渍土的研究
14、最早服务于农业,主要偏向于盐渍土的农耕改良.本世纪以来,国内外学者对盐渍土的研究更加多元化,高科技技术手段开始广泛应用于盐渍土的研究中.近些年来,岩土工程界在盐渍土物理力学行为1、冻融过程及基本性质2-3、病害机理4、改良治理5等方面均取得了丰硕的成果.由于盐渍土的特殊性和对气候变化的敏感性,导致其在自然条件下对工程建设会产生较大的危害.目前研究的主要方向是在盐渍土特殊性研究的复杂、繁乱的体系中达到统一化、系统化、标准化,试图使其形成一个统一的认识,这是一个非常重要、但又非常复杂的难题.盐渍土作为一种特殊土,抵抗冻融破坏作用的能力较弱,经过反复的冻融作用以后,其物理力学指标下降较为明显,对实际
15、工程不利.文献6-7 对国内外有关盐渍土形成机理、盐渍化评价、分布分类、力学性质、工程特性、处理技术及对气候环境变化的响应等方面做了全面而详细的综述,其中也涵盖了盐渍土的研究历史、研究方法、研究内容、最新进展等.基于以上论述,本文以改良后的盐渍土为研究对象,从物理力学性质以及抗冻性两个方面对相关研究成果进行补充综述.张宝行等8以水泥和石灰二者为外掺剂,以抗压强度与融陷系数作为评价指标,研究其对于氯盐渍土的改良效果.杨晓松等9也以氯盐渍土为研究对象,通过添加粉煤灰来研究其对于氯盐渍土的强度和变形特性方面的影响.除了使用水泥和石灰等传统的加固材料以外,学者们也在积极寻求新型加固材料来进行盐渍土的加
16、固改良.吕擎峰等1 0以水玻璃、石灰和粉煤灰三者为添加剂,采用核磁共振技术,以抗压强度为评价指标来研究其对盐渍土的改良效果.廖晓兰等1 1利用丙烯酰胺作为土体添加剂,分别探讨加热温度、加热时间、添加剂用量和龄期对于固化盐渍土抗折和抗压强度的影响,发现在适当条件下,土样的抗折强度和抗压强度提高了四到五倍,并且试样的耐水性能也得到了显著提高.王博1 2采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术对盐渍土的改良效果进行研究,发现其具有良好的效果.周琦等1 3和史颜照1 4发现在滨海盐渍土中加入石灰以及S H固化剂等,一方面可以提高盐渍土的工程力学性质,另一方面也可以显著地改善盐渍土的抗冻性,从而满足工程建设需要.但
17、是以上外掺剂作为化工产品,价格昂贵,不利于在实际工程中的大范围应用.而稻壳作为农业产物,其燃烧生成的稻壳灰产量大、价格低,其在实际工程中具有广泛的应用前景.M u h a mm a d1 5的研究指出,稻壳灰作为一种火山灰材料,如果与石灰或者水泥混合,能够有效地提高路基土的承载性能.G h o r b a n i等1 6以部分稻壳灰代替水泥加入到土体中,以无侧限抗压强度为评价指标,发现当水泥掺量较高时,以一半的稻壳灰代替水泥能得到更高的无侧限抗压强度.李丽华等1 7将稻壳灰分别与土工织物和土工格栅混合,研究两种不同情况下土体的应力应变曲线和抗剪强度的变化特征,得出在稻壳灰掺量为1 0%1 5%
18、的情况下,以土工格栅作为辅助,此时对土体的加固效果较优.综上所述,关于稻壳灰作为土体加固材料可查阅的文献并不少见,但是有关其对盐渍土改良的相关研究则几乎是空白的.稻壳灰作为土体加固材料,主要是因为其中含有大量的活性S i O2,其在碱性环境下与C a2+等结合生成水化硅酸钙,从而起到加固土体的作用1 7.因此本文在进行稻壳灰对于盐渍土的改良研究时,掺入一定比例的石灰,并以养护龄期和掺灰量为影响因素,探究这两者对改良盐渍土的压缩变形特性及无侧限抗压强度的影响.同时,以冻融作用后抗压强度损失率作为评价指标,研究养护龄期和掺灰量对于改良盐渍土的抗冻性能影响.1 试验材料与试验方案1.1 试验材料本文
19、通过在室内人工配制盐渍土来研究稻壳灰对于盐渍土的改良加固效果.试验用土取自兰州理工大学某施工场地.在试验中,考虑到配制弱盐渍土进行试验无法体现稻壳灰对于盐渍土的改良效果,而强盐渍土和超盐渍土在实际工程中并不常见,对其进行研究意义不大.因此,以室内人工配制的中盐渍土为研究对象,研究稻壳灰对于盐渍土的改良效果.在室内进行盐渍土的配制时,由于洗盐会破坏土体本身的多孔架结构,加之洗盐会使土颗粒细化,从而影响土体的结构和级配1 8.因此,在室内配制盐渍土时,采取直接在土体中加入氯化钠的方法来配制含盐量为3%的中盐渍土,而不再对土体进行洗盐.试验用石灰产自兰州市永登县,属于二级灰.试验所用稻壳灰由河南郑州
20、某电厂生产,具体成分见表1所示.表1 稻壳灰成分T a b.1 C o m p o s i t i o no f r i c eh u l l a s h成份S i O2F e2O3A l2O3C a OM g O烧失量含量/%8 0.6 13.5 63.1 65.3 40.4 95.4 6821 兰州理工大学学报 第4 9卷1.2 试验方法在进行稻壳灰改良盐渍土的研究时,主要是研究稻壳灰对于盐渍土的改良,而石灰只是作为碱性激发剂存在的.因此,固定石灰含量为1 0%,在此掺量下,控制稻壳灰的掺量分别为5%、1 0%、1 5%、2 0%,并对每种稻壳灰掺量下的改良土分别进行为期3、7、1 4、2
21、 8d的养护,养护采用恒温恒湿的方式,温度为2 0,湿度为9 0%1 9.由击实试验结果确定试验所用改良盐渍土的干密度为1.5g/c m3,含水量为1 6%.无侧限抗压强度试验的试样尺寸为:直径6 1.8mm,高度1 2 5mm;压缩固结试验的试样尺寸为:直径6 1.8mm,高度2 5mm.研究稻壳灰改良土的抗冻性能时,以无侧限抗压强度损失率为评价指标,控制试样在-2 0 下冻结1 2h,在室温(1 71 9)下融化1 2h,以此为一个冻融循环周期,进行0、1、3、5、1 0次的冻融循环试验,从而研究稻壳灰掺量和养护龄期对于改良土抗冻性能的影响.2 试验结果分析2.1 击实试验结果分析击实试验
22、作为路基回填施工过程中的重要试验项目,主要是研究土体的干密度随含水量的变化趋势.本文通过研究二者的变化规律,确定土体的最优含水量与最大干密度,从而对施工过程进行质量控制.图1和图2为不同稻壳灰掺量下改良土的最优含水量和最大干密度随掺灰量的变化曲线图.可以看出,随着稻壳灰掺量的增加,改良土的最优含水量不断增加,最大干密度不断减小.具体来看,当稻壳灰掺量从5%增加到2 0%时,其最大干密度减少了1 3.1 5%,而最优含水量增大了9.8 8%.分析上述现象产生的原因,大致可以归结为以下两方面:一方面是因为在盐渍土中加入了稻壳灰与石灰,发生了一系列的物理化学反应,生成的胶凝物会形成团聚结图1 改良土
23、的最优含水量随掺灰量的变化规律F i g.1 E f f e c to fa s hc o n t e n to nt h eo p t i m a lm o i s t u r ec o n t e n to f i m p r o v e ds o i l图2 改良土的最大干密度随掺灰量的变化规律F i g.2 E f f e c to fa s hc o n t e n to nt h em a x i m u md r yd e n s i t yo f i m p r o v e ds o i l构,使得土体吸收的水分变多,因此其最优含水量增大;另一方面是因为稻壳灰具有较大的比表面积
24、,其相对土颗粒来说能吸附更多的水分,且其密度较小.因此,当稻壳灰添加到土体中时,其取代了部分原本属于土颗粒的位置,从而导致其最大干密度减小,最优含水量增加2 0-2 1.2.2 压缩特性分析在实际工程中,由于上部结构的荷载作用而使地基土发生压缩,从而导致建筑物发生不同程度的沉降,在进行地基设计时,必须控制建筑物的沉降量,使其在某一允许范围之内.因此,必须研究地基土的压缩特性进而控制建筑物的沉降.在本试验中,通过分析土体的压缩系数从而来研究稻壳灰对于土体压缩特性的影响.图3和图4为掺加稻壳灰前后盐渍土的压缩系数随掺灰量和养护龄期的变化特征.图3为未改良土以及不同掺灰量下改良土压缩系数随养护龄期的
25、变化情况.整体上可以看出,改良土的压缩系数要远小于未改良土,且龄期越长,这种差距越明显.具体来看,对于改良土来说,其压缩系数随着养护龄期的增加而减小,这种减小趋势大致可以分为两个阶段:第一阶段为龄期小于1 4d时,此图3 改良土的压缩系数随养护龄期的变化情况 F i g.3 E f f e c t o f c u r i n ga g eo nc o m p r e s s i o nc o e f f i c i e n t o fi m p r o v e ds o i l921第1期 丑亚玲等:稻壳灰改良盐渍土力学特性及抗冻性的试验 图4 改良土的压缩系数随掺灰量的变化情况F i g.4
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