低溫養護條件下水泥改良風積沙無側限抗壓強度試驗研究

阮波，鄭世龍，丁茴，聶如松，阮晨希，陳棟

低溫養護條件下水泥改良風積沙無側限抗壓強度試驗研究

阮波1，鄭世龍1，丁茴1，聶如松1，阮晨希1，陳棟2

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 深圳市高級中學，廣東 深圳 518040)

為了研究低溫養護對水泥改良風積沙的影響，開展無側限抗壓強度試驗研究。試驗選用的水泥摻量為4%，5%和6%，壓實系數0.90，0.93和0.95。研究了?20 ℃低溫養護對水泥改良風積沙的應力應變曲線、無側限抗壓強度、峰值應變和剛度的影響。研究結果表明，低溫養護條件下，壓實系數0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%時，對應的無側限抗壓強度分別為0.27，0.36和0.54 MPa，峰值應變分別為2.46%，2.69%和2.78%，50分別為8.26，11.10和14.32 MPa。對比標準養護條件，水泥摻量4%，壓實系數0.95時，低溫養護的水泥改良風積沙的無側限抗壓強度、峰值應變和50分別降低了32.5%，14.0%和18.3%。本文的研究成果對風積沙鐵路路基基床的設計、施工有借鑒意義。

水泥改良風積沙；塔克拉瑪干沙漠；低溫養護；無側限抗壓強度；峰值應變；50；水泥摻量

我國是多沙漠國家, 沙漠面積約7.5×105km2，約占8%的國土面積, 主要分布在新疆、內蒙古、甘肅、寧夏、青海、陜西等省區[1]。風積沙作為一種特殊的建筑材料在沙漠地區儲量相當豐富，不少學者對風積沙的物理力學性質及擊實性能等方面開展了試驗研究，并取得了豐碩的研究成果[2?6]。但風積沙顆粒松散、黏聚力小、天然含水率低、級配不良[7?8]，不能直接用于鐵路路基基床填料，需要進行填料改良。由于沙漠地區粗粒土填料缺乏，難以進行物理改良，工程上常采用水泥作為外摻料進行化學改良。任輝明等[9?10]研究發現，水泥改良風積沙的無側限抗壓強度隨水泥摻量、壓實系數、養護齡期和水泥強度等級的增大而增大。Ates[11]研究發現，水泥穩定風積沙的最大干密度和最優含水率隨著水泥摻量增大而增大。Choobbasti 等[12]研究發現，膠結沙的峰值應變隨著水泥摻量的增大而減小，剛度隨著水泥摻量的增大而增大。上述研究成果是在室溫或標準養護條件下進行，水泥的水化受溫度的影響。Fall等[13]研究了低溫養護對水泥膠結尾礦無側限抗壓強度影響，研究結果表明，低溫養護降低了水泥膠結尾礦無側限抗壓強度。Kim等[14]研究發現，低溫養護的混凝土早期強度較低，后期強度與標準養護下的混凝土強度基本相同。根據塔克拉瑪干沙漠的氣象資料[15?16]，塔克拉瑪干沙漠全年干燥少雨，冬季氣溫最低可以達到?20 ℃。秋冬季施工期間，水泥改良風積沙無側限抗壓強度易受低溫影響。因此，本文開展無側限抗壓強度試驗，研究低溫養護對水泥改良風積沙應力應變行為、無側限抗壓強度、峰值應變和剛度的影響。

1 試驗材料

試驗所用風積沙來自于中國新疆塔克拉瑪干沙漠中的某鐵路施工現場，其主要成分為SiO2，占比達81%，其余成分包括Al2O3，CaO和MgO等。其10，30，60，不均勻系數和曲率系數分別為0.09，0.13，0.18，2.0和1.0。圖1為風積沙照片，粒徑分布比較均勻，呈淡黃色。圖2為放大50倍后的風積沙掃描電鏡照片，從照片上可知，風積沙的主要粒徑在0.25~0.075 mm范圍內。表1為風積沙顆粒分析試驗結果，表2為其物理力學指標。試驗中所用的水泥為普通硅酸鹽水泥，表3為其物理力學指標。試驗用水為長沙市自來水。

圖1 風積沙照片

圖2 風積沙掃描電鏡照片

表1 風積沙的顆粒分析試驗結果

表2 風積沙的物理力學性質

表3 水泥的物理力學性質

2 試驗方案

為了研究?20 ℃低溫養護(以下簡稱低溫)對水泥改良風積沙的影響，采用溫度20 ℃且相對濕度95%的標準養護(以下簡稱標養)作為對照組。試驗方案采用3種壓實系數和3種常用的水泥摻量c，試驗方案見表4。

式中：c為水泥摻量，%；c為水泥質量，kg；s為風積沙質量，kg。

表4 試驗方案

3 試樣制備及試驗

根據《鐵路工程土工試驗規程》[17]開展Z3重型擊實試驗，確定不同水泥摻量下水泥混合風積沙的最優含水率和最大干密度，如表5所示。

根據最優含水率和壓實系數稱取若干烘干風積沙、水泥和水，按照規范[17]將水泥、風積沙和水按一定比例充分攪拌均勻后制成混合料，采用靜力壓實法制樣，制作直徑50 mm，高度50 mm的圓柱體試件。標準養護采用SHBY-40B型標準養護箱，低溫養護采用HDDW-400型低溫試驗箱，養護6 d。然后將試件放入水中浸泡24 h，水面高出試件頂面2.5 cm，取出試件用抹布吸去試件表面的水分，進行無側限抗壓強度試驗，加載速率控制在1 mm/min，記錄試件被破壞時的最大壓力。無側限抗壓強度計算公式如下：

式中：u為無側限抗壓強度，MPa；為試件破壞時的最大荷載，N；為試件面積，mm2。

表5 不同水泥摻量下的最大干密度和最優含水率

4 試驗結果及分析

4.1 低溫養護對水泥改良風積沙應力應變曲線的影響

低溫養護條件下水泥改良風積沙的應力應變曲線如圖3所示。水泥改良風積沙的應力應變曲線呈應變軟化型。應力應變曲線大致可分為5個典型特征階段，如圖4所示：段為初始壓實階段，應力隨著應變的增大近似線性增大，但應力增長速率較??；段為彈性變形階段，應力隨著應變的增大近似線性增大，應力增長速率較大；段為彈塑性變形階段，應力增長速率逐漸減小，應力逐漸增大到峰值；段隨著應變的增大，應力近似線性減??；段應力應變曲線漸趨平緩。SUN 等[18]研究的水泥改良風積沙無側限抗壓強度的應力應變曲線呈拋物線型，與本文的研究結果不盡相同。根據無側限抗壓強度試驗結果，分別計算出水泥改良風積沙應力應變曲線段和段斜率，計算結果如圖5和圖6所示。段斜率和段斜率都隨著壓實系數和水泥摻量的增大而增大。與標準養護條件相比，低溫養護條件下段與段斜率減小。

(a) 壓實系數0.90；(b) 壓實系數0.93；(c) 壓實系數0.95

圖4 水泥改良風積沙的典型的應力應變曲線

圖5 OA段斜率

圖6 AB段斜率

4.2 低溫養護對無側限抗壓強度的影響

低溫養護對無側限抗壓強度影響如圖7所示。低溫養護下，壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的7 d飽和無側限抗壓強度分別為0.27，0.36和0.54 MPa；水泥摻量為6%時，壓實系數為0.90，0.93和0.95 對應的7 d飽和無側限抗壓強度分別為0.41，0.48和0.54 MPa。水泥改良風積沙在低溫養護條件下的無側限抗壓強度隨著壓實系數和水泥摻量的增大而增大。與標準養護條件相比，低溫養護降低了水泥改良風積沙的無側限抗壓強度。低溫會降低水泥水化的反應速率，在相同養護齡期下低溫環境產生的水泥水化物會減少。為了進一步量化低溫養護對水泥改良風積沙無側限抗壓強度影響程度，定義了無側限抗壓強度損失率L，如式(4)所示。

式中：qus為標準養護條件下的無側限抗壓強度，MPa；qul為低溫養護條件下的無側限抗壓強度，MPa。

圖8為水泥改良風積沙的無側限抗壓強度損失率。當壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%時，水泥改良風積沙在低溫養護下的無側限抗壓強度損失率分別為32.5%，34.5%和35.7%，無側限抗壓強度損失率隨著水泥摻量的增大而增大。當水泥摻量為6%時，壓實系數為0.90，0.93和0.95時，水泥改良風積沙在低溫養護下的無側限抗壓強度損失率分別為28.1%，31.4%和35.7%，無側限抗壓強度損失率隨著壓實系數的增大而增大。低溫條件下水泥改良風積沙的無側限抗壓強度損失率變化范圍為12.5%～36.1%。

圖8 低溫作用下水泥改良風積沙的無側限抗壓強度損失率

4.3 低溫養護對峰值應變的影響

脆性是評價材料的變形性能的一個重要指標，常用峰值應變評價材料的脆性[19]，本文采用水泥改良風積沙破壞時峰值應變來衡量材料的脆性。低溫養護對峰值應變的影響如圖9所示。低溫養護下，壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的峰值應變分別為2.46%，2.69%和2.78%，峰值應變隨著水泥摻量的增大而增大；水泥摻量為6%時，壓實系數為0.90，0.93和0.95 對應的峰值應變分別為2.50%，2.53%和2.78%，峰值應變隨著壓實系數的增大而增大。與標準養護條件相比，低溫養護條件下水泥改良風積沙的峰值應變減小，脆性增大。

為了進一步量化低溫養護對水泥改良風積沙的峰值應變影響程度，定義了峰值應變損失率L，如式(5)所示。

式中：ε為標準養護條件下的峰值應變，%；為低溫養護條件下的峰值應變，%。

圖10為水泥改良風積沙的峰值應變損失率。當壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%時，水泥改良風積沙在低溫養護下的峰值應變損失率分別為14.0%，14.1%和14.2%，峰值應變損失率隨水泥摻量的增大而增大。當水泥摻量為6%時，壓實系數為0.90，0.93和0.95時，低溫養護條件下水泥改良風積沙的峰值應變損失率分別為9.1%，9.6%和14.2%。峰值應變損失率隨著壓實系數的增大而增大。低溫條件下水泥改良風積沙的峰值應變損失率變化范圍為7.0%～15.5%。

圖9 低溫和標準養護條件下水泥改良風積沙的峰值應變

圖10 低溫作用下水泥改良風積沙的無側限抗壓強度損失率

4.4 低溫養護對剛度的影響

剛度是巖土工程問題中確定變形量的設計參數之一，常用割線模量50來評價巖土材料的剛度。50是指峰值應力一半的應力與相應的應變之比 值[19]。低溫養護對水泥改良風積沙剛度的影響如圖11所示。壓實系數為0.95且水泥摻量為6%時，低溫養護和標準養護對應的剛度分別為14.31 MPa和21.09 MPa，與標準養護條件相比，低溫養護降低了水泥改良風積沙的剛度。水泥改良風積沙剛度隨著水泥摻量和壓實系數的增大而增大。

圖11 低溫和標準養護條件下水泥改良風積沙的剛度

為了進一步量化低溫養護對水泥改良風積沙的剛度影響程度，定義了剛度損失率G，如式(6)所示。

式中：s為標準養護條件下的剛度，MPa；為低溫養護條件下的剛度，MPa。

圖12為水泥改良風積沙的剛度損失率。當壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%時，水泥改良風積沙在低溫養護下的剛度損失率分別為18.3%，27.5%和32.1%，剛度損失率隨著水泥摻量的增大而增大。當水泥摻量為6%時，壓實系數為0.90，0.93和0.95時，水泥改良風積沙在低溫養護下的剛度損失率從21.1%，26.0%和32.1%。剛度損失率隨著壓實系數的增大而增大。低溫條件下水泥改良風積沙的剛度損失率變化范圍為12.6%～33.7%。

圖12 低溫作用下水泥改良風積沙的剛度損失率

5 結論

1) 水泥改良風積沙的應力應變曲線呈應變軟化型，應力應變曲線大致可分為初始壓實階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、應力衰減階段和應力平緩階段5個典型特征階段。

2) 低溫養護下，壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的7 d飽和無側限抗壓強度分別為0.27，0.36和0.54 MPa。低溫養護下水泥改良風積沙的無側限抗壓強度隨著水泥摻量和壓實系數的增大而增大。

3) 相比于標準養護環境，低溫養護下水泥改良風積沙的無側限抗壓強度會降低，強度損失率隨著水泥摻量和壓實系數的增大而增大。壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的強度損失率分別為32.5%，34.5%和35.7%。

4) 相比于標準養護環境，低溫養護條件下水泥改良風積沙的峰值應變減小，峰值應變損失率隨水泥摻量和壓實系數的增大而增大。壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的峰值應變損失率分別14.0%，14.1%和14.2%。

5) 低溫養護條件下水泥改良風積沙的剛度50隨著水泥摻量和壓實系數的增大而增大。相比于標準養護環境，低溫養護條件下水泥改良風積沙的剛度50降低，剛度損失率隨著水泥摻量的增大而增大，壓實系數為0.95時，水泥摻量為4%，5%和6%對應的剛度損失率分別為18.3%，27.5%和32.1%。

[1] 吳正. 風沙地貌與治沙工程學[M]. 北京: 科學出版社, 2003: 2?238.WU Zheng. Aeolian landforms and engineering of sand control[M]. Beijing: Science Press, 2003: 2?238.

[2] 劉大鵬, 楊曉華, 王永威. 風積沙在循環荷載作用下的變形特性試驗研究[J]. 武漢理工大學學報, 2014, 36(6): 103?108. LIU Dapeng, YANG Xiaohua, WANG Yongwei. Experimental study on deformation characteristics of aeolian sand under cyclic loading[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 36(6): 103?108.

[3] 張浩, 劉江, 胡江洋. 陜北地區毛烏素沙漠公路風積沙工程特性研究[J]. 合肥工業大學學報, 2015, 38(8): 1103?1108. ZHANG Hao, LIU Jiang, HU Jiangyang. Engineering characteristics of aeolian sand in Maowusu desert highway in northern Shanxi[J]. Journal of Hefei University of Technology, 2015, 38(8): 1103?1108.

[4] 張生輝, 李志勇, 彭帝, 等. 風積沙作為路基填料的靜力特性研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(12): 2511?2516. ZHANG Shenghui, LI Zhiyong, PENG Di, et al. Study on static characteristics of aeolian sand as subgrade filler[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(12): 2511?2516.

[5] 宋焱勛, 彭建兵, 王治軍, 等. 毛烏素沙漠風積砂力學特性室內試驗研究[J]. 工程地質學報, 2010, 18(6): 894?899. SONG Yanxun, PENG Jianbing, WANG Zhijun, et al. Laboratory test study on mechanical properties of aeolian sand in the Maowusu desert[J]. Journal of Engineering Geology, 2010, 18(6): 894?899.

[6] 張景燾. 風積沙的壓實特性研究[J]. 水利與建筑工程學報, 2014, 12(1): 77?82. ZHANG Jingtao. Study on compaction characteristics of aeolian sand[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering, 2014, 12(1): 77?82.

[7] 張宏, 王智遠, 劉潤星. 科爾沁沙漠區風積沙動力壓實特性研究[J]. 巖土力學, 2013, 34(2): 100?104.ZHANG Hong, WANG Zhiyuan, LIU Runxing. Study on dynamic compaction characteristics of aeolian sand in Horqin desert area[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(2): 100?104.

[8] 陳忠達, 李萬鵬. 風積沙振動參數及振動壓實機理[J]. 長安大學學報(自然科學版), 2007, 27(1): 1?6. CHEN Zhongda, LI Wanpeng. Aeolian sand vibration parameters and vibration compaction mechanism[J]. Journal of Changan University (Natural Science Edition), 2007, 27(1): 1?6.

[9] 任輝明, 曾新迪, 師高鵬, 等. 水泥改良風積沙無側限抗壓強度試驗研究[J]. 蘭州交通大學學報, 2017, 36(4): 67?72. REN Huiming, ZENG Xindi, SHI Gaopeng, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of cement-modified aeolian sand[J] .Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2017, 36(4): 67?72.

[10] 魏杰. 水泥改良風積沙強度及重載鐵路路基風積沙填料變形特性研究[D]. 蘭州: 蘭州交通大學, 2017. WEI Jie. Research on strength of cement-improved aeolian sand and deformation characteristics of heavy- duty railway subgrade aeolian sand filler[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2017.

[11] Ates A. Mechanical properties of sandy soils reinforced with cement and randomly distributed glass fibers (GRC) [J]. Composites Part B-engineering, 2016(6): 295? 304.

[12] Choobbasti A J, Kutanaei S S. Effect of fiber reinforcement on deformability properties of cemented sand[J]. Journal of Adhesion Science and Technology, 2017, 31(14): 1576?1590.

[13] Fall M, Celestin J C, Pokharel M, et al. A contribution to understanding the effects of curing temperature on the mechanical properties of mine cemented tailings backfill [J]. Engineering Geology, 2010, 114(3): 397?413.

[14] Kim J K, Moon Y H, Eo S H. Compressive strength development of concrete with different curing time and temperature[J]. Cement and Concrete Research, 1998, 28(12): 1761?1773.

[15] 張志高, 苗運玲, 邱雙娟, 等. 1951~2016年新疆哈密極端氣溫變化研究[J]. 新疆大學學報(自然科學版), 2019, 36(1): 89?97. ZHANG Zhigao, MIAO Yunling, QIU Shuangjuan, et al. Study on the extreme temperature change of Hami in Xinjiang from 1951 to 2016[J]. Journal of Xinjiang University (Natural Science Edition), 2019, 36(1): 89?97.

[16] 丁之勇, 葛擁曉, 吉力力?阿不都外力. 北疆地區近53年極端氣溫事件及其影響因素分析[J]. 地球環境學報, 2018, 9(2): 159?171. DING Zhiyong, GE Yongxiao, JILILI Abdulduwaili. Analysis of extreme temperature events in northern Xinjiang in recent 53 years and their influencing factors [J]. Journal of Earth Environment, 2018, 9(2): 159?171.

[17] TB 10102—2010, 鐵路工程土工試驗規程[S]. TB 10102—2010, Code for soil test of railway engineering[S].

[18] SUN Q, ZHANG J, ZHOU N. Early-age strength of Aeolian sand-based cemented backfilling materials: Experimental results[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2018, 43(4): 1697?1708.

[19] 范曉秋, 洪寶寧, 胡昕, 等. 水泥砂漿固化土物理力學特性試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2008, 30(4): 605?610. FAN Xiaoqiu, HONG Baoning, HU Xin, et al. Physico-mechanical properties of soils stabilized by cement mortar[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(4): 605?610.

[20] 張亭亭, 李江山, 王平, 等. 磷酸鎂水泥固化鉛污染土的應力?應變特性研究[J]. 巖土力學, 2016, 37(1): 215? 225. ZHANG Tingting, LI Jiangshan, WANG Ping, et al. Stress-strain characteristics of lead-contaminated soil cured by magnesium phosphate cement[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(1): 215?225.

Experimental study on unconfined compressive strength of cement-stabilized aeolian sand cured at low temperature

RUAN Bo1, ZHENG Shilong1, DING Hui1, NIE Rusong1, RUAN Chenxi1, CHEN Dong2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Shenzhen Senior High School, Shanzhen 518040, China)

In order to study the effect of low temperature on cement-stabilized aeolian sand, a series of unconfined compressive strength tests were carried out. The three different cement content levels of the specimens were 4%, 5% and 6%, and the degree of compaction levels were 0.90, 0.93 and 0.95, respectively. The effect of ?20 ℃ low temperature on the stress-strain curve, unconfined compressive strength (UCS), peak strain and stiffness of cement-stabilized aeolian sand was studied. The results show that when the degree of compaction is 0.95 and the cement content is 4%, 5%, and 6%, the UCS is 0.27, 0.36, and 0.54 MPa, the peak strain is 2.46%, 2.69% and 2.78%, and the E50 is 8.26, 11.10 and 14.32 MPa, respectively. Compared with standard curing conditions (20 ℃ and 95%HR), the UCS, peak strain and E50 of the cement-stabilized aeolian sand cured at low temperature are reduced by 32.5%, 14.0%, and 18.3%, respectively, when the cement content is 4% and the degree of compaction is 0.95. The research results provide reference for the design and construction of railway subgrade layers using aeolian sand.

cement-stabilized aeolian sand; Taklimakan desert; low temperature; UCS; peak strain;50; cement content

TU447

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2540 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200542

2020?05?26

國家自然科學基金資助項目(51878666)

聶如松(1980?)，男，湖南衡陽人，副教授，博士，從事鐵路路基及橋梁樁基礎工程方面的教學、科研工作；E?mail：nierusong97@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)