调控级配的水泥土工程特性文献综述

 2022-10-17 10:10

文献综述(或调研报告):

1.掺砂水泥土研究

水泥土固化技术被广泛应用于软土地基处理的工程中,通过深层搅拌技术将水泥与软土在地基深处强制搅拌,经过水泥初级水化反应和粘土颗粒与水化反应产物的二级火山灰反应,形成具有强胶结性的水泥土地基,以提高地基土的强度和刚度,从而达到地基加固的目的。

国内外对水泥土加固技术进行了广泛的研究,其中主要对水泥土的强度及其影响因素展开深入的探讨,并提出了相应的用以表征或评价水泥土强度的参数。Lorenzo等人[1]在2004年通过对水泥土进行无侧限试验并拟合数据,提出用孔隙度/水泥掺量作为评价固化水泥土无侧限强度的参数,且与其呈负相关;同时试验验证了固化水泥土的最优含水率在液限或略大于液限附近。Consoli等人[2]在2011研究水泥砂时提出可用幂函数较好地拟合无侧限抗压强度和水泥掺量的关系,同时提出将孔隙率/体积水泥含量作为评价无侧限抗压强度的合理参数,对水泥土的研究具有一定的借鉴意义。此外,国内部分学者也对影响水泥土强度的因素进行了大量的试验研究,贾坚[3]在2006年针对上海软黏土地区水泥土加固工程展开研究,着重分析含水量的控制对水泥土强度的影响,提出了综合含水量GG的概念,GG=水重/(干土重 水泥重)得出当水泥土的无侧限抗压强度达到某一水泥掺量下的最大值时,综合含水量GG始终稳定在一个较小的特定范围内,受水泥掺量的影响很小。

在此基础上,国内外学者还对被加固土体的性质及颗粒成分对水泥土强度的影响进行了研究。Sasanian等人[4]在2014年针对水泥土的强度发展与矿物组成的关系进行了研究,得出水泥土的强度与土的活动度成正相关,并给出了经验系数以预测水泥土的强度。Teerawattanasuk等人[5]在2014年针对级配良好的含不同比例黏粒与粉粒的水泥土进行固结试验得到,随着粉粒含量的增加(0%-50%),水泥土的屈服强度随之增大,压缩指数和再压缩指数减小,而渗透系数随着水泥掺量的不同呈现不同的走势。

在研究天然土体的颗粒成分的后,人工调配的水泥土开始被广泛研究,其中掺砂水泥土通过物化反应生成的胶结物质将砂颗粒紧密联系和包裹,形成骨架,进一步提高了水泥土的强度,其工程特性受到了广泛的关注。赫文秀等人[6]在2011年通过室内掺砂水泥土无侧限强度试验,发现掺砂确实可以提高水泥土的强度,并得出在水泥掺量为10%时,水泥土无侧限抗压强度随掺砂量(0%—50%)成正相关,同时观察到脆性剪切破坏的剪切角逐渐增大。CHIAN等人[7]在2017年对影响掺砂水泥土强度的各个因素进行了研究,试验验证得到1)水泥土在较低的水灰比w/c下可以实现更高的强度,该规律同样适用于掺砂水泥土;2)土与水泥比s/c对掺砂水泥土的强度发展的影响存在两种不同的发展机制,使得水泥含量和含水率对强度发展产生相互抵消的作用;3)水泥土的强度发展与固化时间存在对数关系。此外CHIAN等人还提出了游离水灰比的概念,以砂土混合物的含水率与液限含水率的比值表征游离水量(w/wL),以游离水灰比(w/wL/c)反映水、水泥和砂的完整关系,建立了水泥土强度发展的扩展模型。

除对掺砂量对水泥土强度的影响之外,部分学者对掺砂级配也进行了研究。刘鑫等人[8]在2011年研究了掺砂水泥土在固结不排水条件下的最大偏应力、粘聚力和内摩擦角随掺砂量和掺砂粒径的影响,得出掺砂确实可以提高水泥土的强度,最佳掺砂量在10%左右,且单一粒径下的水泥土抗剪强度更高。随着粒径的减小,掺单一粒径砂的水泥土抗剪强度不断提高,且在掺砂后固化土的级配良好、不均匀系数趋于最大、曲率系数趋于最小时抗剪强度达到最高。但该试验中仅将掺入等量ISO标准砂与单一粒径的砂进行对比,未对其他级配的掺砂情况进行试验分析,因此掺砂级配及掺砂后砂土混合物完整的人工级配对掺砂水泥土强度的影响仍鲜有研究。

2.微观试验

近年来,多尺度分析被广泛运用在水泥基材料的研究中,使得对材料的力学特性和强度发展机理有了更加全面的认识。Constantinides等[9]在2004年参照混凝土微观结构对水泥基材料划分成了四个尺度,尺度Ⅰ包含水化硫酸钙(C-S-H)凝胶,主要由扫描电子显微镜和纳米压痕测试可定性观测;尺度II为水泥膏,包含C-S-H基质与大氢氧化钙(CH)晶体,水泥熟料和微米孔隙;尺度III为水泥砂浆,是一种三相复合材料,由水泥浆基质,砂粒夹杂物和界面过渡区组成,多用分析和数值的方法在该尺度上建模;尺度IV为均质混凝土,与III级类似,均质化方法在此规模上考虑了由嵌入砂浆基质和界面过渡区ITZ中的聚集体组成的三相材料。

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