1绪论
1.1研究背景
内蒙古河套灌区位于巴彦掉尔市南部,东至乌梁素海,南临黄河,西临乌兰擦布和沙漠,北抵狼山。地势由西南向东北略倾斜,地势平坦,土地肥沃,其主要分布有第四纪沉积层厚达千米以上。由于这一地区地形条件优越,土壤肥沃,使得它成为亚洲最大的自流灌区之一。但是,由于地理位置和气候条件的影响,使得这一地区的年平均降雨量较少,节水灌溉就成为这一地区发展的重点内容之一。
近些年来,由于内蒙古植被遭到破坏,土地沙漠化日益严重,使得这一地区的水资源日益短缺。为了改变水资源短缺的现状,从1999年开始实行节水改造工程建设。目前,已进行的渠道防渗衬砲工程中,主要釆取以混凝土板为保护层,聚乙稀膜为防渗层的结构型式,这种型式的渠道经过近几年来的实际运行,其节水和防渗效果较为理想,但由于这种防渗形式会消耗大量的水泥和砂石材料,既不经济也不环保。因此发展新型的环保建筑材料,选择资源节约、环保高效的新型建筑材料是现代和未来我国水利工程发展的必由之路。
水泥土是以土为主要原材料,掺入适量的水泥和少量的外掺剂,加水搅拌均匀而形成的一种价格低廉、节约能源、绿色环保、施工方便的建筑材料⑴,水泥土作为一种新型环保的建筑材料,以自身存在的各方面优点,而被广泛的应用于水利工程的大现地基加固、防渗堵漏、渠道防渗衬砌和及软土地基加固中,并取得了较好的经济效益和环境效益。由此可知,水泥土在现代建筑业的发展中存在着的巨大应用前景。
由于水泥土具有巨大的经济效益和环保效益,使得近年来人们幵始加强了对这种新型环保材料的研究,并取得了不少成果,但就其改性效果来看,与其他一些发达国家还存在着一定的差距。这主要是由于外掺剂的作用。夕卜掺剂是水泥土中不可缺少的成分之一,它是改善水泥土力学性能的一种十分普遍的方法。在水泥土中掺入少量的外掺剂就可以显著的提高水泥土的强度,改善水泥土的各方面性能,同时还可以大量的节约水泥、砂石等建筑材料,从而大幅度地降低工程的成本。但因为我国地域辽阔,对于不同地区的土质、施工条件等都存在着很大的差异,寻求一种适合当地土质要求的外掺剂将是今后水泥土探索的重要内容之一。
目前,针对内蒙古河套灌区广泛分布的粉质粘土具有的工程特性,在水泥土中掺入适量的工业废料粉煤灰和玻璃纤维来改善水泥土工程特性的相关研究较少。所以有必要从室内试验的角度出发,配制出适合这一地区土质特点的配合比,分析玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的强度变化发展规律,探讨玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的加固机理,从而为内蒙古河套灌区的渠道防渗工程提供一个科学的理论依据。
1.2水泥复合土的研究现状
1.2.1国外对水泥复合土研究的现状
国外自上世纪初就开始了对水泥土的研究,并把它应用到实际工程当中。1945年美国首次将水泥土用于一座大现防渗堵漏工程中,且经过长期的检验未发现有渗漏问题,这给水泥土在水利工程方面的应用提供了一定的宝贵经验。在1961年修建的迈瑞特大现与切尼大现的工程建设中,以水泥土替换毛石减少了约一半的费用,经济效益相当明显。在1982年美国釆用水泥土作为材料衬砲齡泥处理场,经过多年的实践应用,这种材料的防渗效果较好。
对于水泥复合土的研究除了一些发达国家研究和应用较早以外,近几十年来一些发展中的国家也幵始进行大量的研究和应用。在印度水泥复合土不仅应用于渠道防渗、路基加固等工程中,还大量的应用于民用的房屋建筑上。在一些非洲国家像安哥拉、赞比亚、肯尼亚等国也使用水泥土来修建路基等工程,并且取得了良好的效果。
1.2.2国内对水泥复合土研究的现状
水泥土在我国始于上世纪70年代,主要是在水利工程建设中使用这种混合材料,并取得了很好的k用效果。此后,由于加大了对水泥土的研究力度,使其迅速的被应用于护坡加固、软土地基加固等工程建设中,并取得了很好的效果。
梁仁旺等通过室内的抗压强度试验,探讨了在不同的水泥掺量条件下,水泥土的力学性能的变化规律,并获得了相应的水泥土应力应变曲线。
张雷等针对上海地区的齡泥质粘土的特性,通过室内抗渗试验,.研究了随着水泥掺入量的增加,水泥土渗透系数的变化规律,并得到龄期对水泥土的渗透系数影响较小。
宁宝宽,陈四利等通过水泥土的无侧限抗压强度试验,得到了不同的土质、水泥掺量、龄期以及冻融循环次数对水泥土力学性能的影响。试验结果表明水泥掺量为15%时,水泥土的抗冻性最好,冻融循环对水泥土力学性能的劣化十分明显。
黄雨,周子舟等从微观结构特征角度出发,对自然软土和冲填土进行了 X射线衍射试验和扫描电镜试验,试验结果表明,微观结构特征的变化对冲填土软土地基加固的影响很大。并得到了水泥土搅拌法加固冲填土与自然软土的物理微结构特征有着很大的差别,最终导致加固土体的强度存在很大的差别。
陈四利,宁宝宽等在水泥土理论分析的基础上,应用相关的知识,建立了细观孔隙损伤变量和损伤本构模型,并通过单轴压缩试验验证了损伤变量和损伤模型的正确性。
2试验材料及实验内容
2. 1试验材料
试验采用内蒙古河套灌区广泛分布的粉质粘土作为试验的土料,水泥采用冀东牌普通桂酸盐水泥,以工业废料粉煤灰和玻璃纤维为掺合料。
2.1.1 土样试验
土样采用内蒙古河套灌区临河某工地的土,将现场取回的土进行风干、碾碎、过2mm蹄后备用,其物理、化学指标见表1-3,粒径分布如图2所示。
3玻璃纤维粉煤灰水泥复合土无侧限抗压强度试验研究...........14
3.1正交试验设计简介...........14
3.2玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的正交试验设计...........14
3.3试验结果...........15
3.4试验结果分析...........15
3.5应力应变曲线分析...........20
3.6 本章小结...........21
4玻璃纤维粉煤灰水泥复合土三轴试验研究...........23
4.1三轴压缩试验...........23
4.2三轴抗剪强度...........28
4.3本章小结...........35
5玻璃纤维粉煤灰水泥土微观结构特征和固化机理...........35
5.1玻璃纤维粉煤灰水泥土微观结构特征...........36
5.2玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的固化机理...........40
5.3本章小结...........46
结论
本文针对内蒙古河套灌区广泛分布的粉质粘土的工程特点,通过室内的力学性能试验,研究了玻璃纤维粉煤灰水泥复合土在无侧限抗压试验和三轴压缩试验条件下强度的发展规律。同时结合扫描电子显微镜(SEM)试验,探讨了土颗粒、水泥、粉煤灰和玻璃纤维之间的一系列的物理、化学作用,得出玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的固化机理。主要得到以下几点结论:
1、结合正交试验的优点,从其中优选出16组具有典型代表性的试验方案进行无侧限抗压强度试验。运用统计学的原理,对试验结果进行计算分析可以看出:龄期和水泥掺量两个因素对玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的无侧限抗压强度影响较大,其次为粉煤灰掺量、玻璃纤维掺量的影响最小,即主次顺序为D(龄期)>A(水泥掺量)>B(粉煤灰掺量)>C(玻璃纤维掺量)。
2、在实际工程应用中水泥掺量在7%~15%之间,所以试验考虑工程实用性. 和经济可行性的要求,对试验进一步做了验证试验得到:水泥掺量15°/。、粉煤灰掺量8%、玻璃纤维掺量0.07%、龄期90d时,玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的无侧限抗压强度达到8.32MPa,在渠道衬砌中试验的结果远远的超出了工程实际需要的强度。并通过实测的应力应变曲线得到了,玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的应力应变曲线大致可以分为:水泥复合土初始受压区、弹性变形区、塑性变形发展区和水泥复合土软化区四个发展阶段。
3、通过对实测试验数据的分析,建立了在不同围压作用下,水泥掺量、粉煤灰掺量、玻璃纤维掺量和龄期与强度之间的关系。即在本次试验条件下,得到水泥掺量(A)和龄期(D)与强度之间符合线性关系式;粉煤灰掺量(B)和玻璃纤维f参量(C)与强度之间符合三次抛物线的关式。
4、通过对三轴围压作用下实测的应力应变曲线分析得到:玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的应力应变曲线属于软化型,可以将曲线分为:弹性变形区、塑性变形发展区、强度衰减区和残余强度区四个发展阶段。并在应力应变曲线的基础上,建立了玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的非线性本构方程。与此同时,分析得到了玻璃纤维粉煤灰水泥复合土的破坏特征为脆性剪切破坏和胀裂破坏两种形式。
5、由SEM试验可以看出,玻璃纤维粉煤灰水泥复合土内部会产生大量的针状和片状的水化物,这些水化产物包裹在颗粒的周围,形成一定的网状结构,填充了内部的空隙,使水泥土内部颗粒能够充分的紧密连接,形成具有一定强度的整体结构,从而明显地改善了水泥复合土的力学性能和变形特性。与此同时,玻璃纤维与土颗粒之间的联结部位被大量的水化物所包裹,这些水化物増加了玻璃纤维与土颗粒之间的粘结力和摩擦力,减缓裂缝的进一步扩展,使试件破坏后还存在着一部分残余强度,这对工程实际应用具有十分重要的意义。
6、水泥对强度增长的贡献主要是由于水泥的水解和水化反应、土颗粒与水泥水化产物之间的物化反应共同作用的结果,其中水泥的水解和水化反应是改善水泥土力学性能的主要因素。土颗粒与水泥水化产物之间的相互作用表现为:离子吸附交换作用、硬凝反应和碳酸化作用三个方面。
7、粉煤灰对改善玻璃纤维粉煤灰水泥复合土力学性能的贡献主要体现在粉煤灰的填充效应、水化效应和形态效应三个方面,其中起主要作用的是粉煤灰中的活性物质二氧化硅与水化产物氢氧化钙发生的水化作用。但由于粉煤灰的玻璃微珠结构比较稳定不易发生水解和水化反应,使得水化作用比较缓慢,对水泥土早期强度的提高影响不大。
8、玻璃纤维是一种聚合物,化学性质相对稳定,它的加固机理与加筋土的十分相似,属于物理加筋作用。其原理是在水泥土中掺入玻璃纤维后,通过改变纤维与水泥土界面间的摩擦力合粘结力、减小试件变形来改善水泥土的力学性能。玻璃纤维加固水泥土表现为:摩擦加筋作用和等效围压作用两方面。
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