冲击荷载作用下改良水泥-粉煤灰试样力学特性研究

周盛全，张勇飞，徐 颖，李栋伟

(1. 安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001； 2. 东华理工大学 土木与建筑工程学院，南昌 330013)

堆积粉煤灰是一种软弱地层，具有含水量高，压缩性大的特点[1-3]。作为建筑物地基，现有工程案例表明在堆积粉煤灰地层中掺入水泥，可以有效的提高地基承载力，减小沉降量[4-5]。诸多学者通过多种手段探究如何提高水泥土的强度，例如掺入纤维[6-7]，掺入不同固化剂[8-9]等方法。而堆积粉煤灰作为一种特殊地层，其中粉煤灰具有火山灰性质，即在碱性环境中，酸性氧化物发生水化反应[10-11]。石膏与石灰作为常用的固化剂，被广泛运用于水泥土工程中，同时石膏与石灰可以激发粉煤灰的活性[12-14]，相应的研究成果表明石膏和石灰等都是提高水泥-粉煤灰强度的有效材料。

Pradip等[15]通过了SEM(Scanning Electron Microscope)和XRD(X-Ray Diffraction)等手段，分析了粉煤灰水泥试样，得到了活化的粉煤灰与水泥共同作用产生水化产物的结论。Mahdi等[16]探究了水泥粉煤灰试样的强度变化规律，结果表明水泥粉煤灰试样早期强度增长速率低，后期强度增长速率快的规律。Zhou等[17]对比分析了石灰含量为0%，5%的石灰粉煤灰改良膨胀土试验，得到了掺入石灰后，试样强度明显提升的结论，并从微观角度解释了由于石灰的掺入，使得体系中的水化产物增多，造成试样强度的提升；掺入石灰可以有效提高水泥粉煤灰试样的强度，但试样前期强度增长较低[18]。Poon等[19]分析了在水泥粉煤灰试样中掺入石膏对试样强度的影响，得出了石膏仅在固化后期才作为活化剂的作用。上述研究表明掺入石灰和石膏后，水泥-粉煤灰体系的性能有显著改变的结论。

上述工作为水泥-粉煤灰静态力学特性的研究积累了丰富的经验。但水泥-粉煤灰复合地基不仅承受静态荷载的作用，有时也承受动态荷载的作用。例如，工程实际中施工振动，车辆冲击和地震都会对水泥-粉煤灰复合地基产生冲击作用[20-21]。国内外学者对冲击荷载作用下材料的力学特性开展了大量研究，他们的成果表明：材料受到冲击荷载作用时所表现的动态力学特性与静态荷载作用下的静态特性存在明显的差异，表现为随着应变率的提高，材料的屈服极限提高，强度极限提高，延伸率降低，以及屈服滞后和断裂滞后等现象变得明显起来[22-23]。Chen等[24]通过使用分离式霍普金森压杆，研究了不同粉煤灰掺量下的水泥复合材料的动态力学性能，得到了粉煤灰水泥复合材料在冲击过程中表现出应变率依赖性和塑性流动的结果。Mohamed等[25]采用了SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar)等试验手段，探究了应变速率在30.12～101.42 s-1的高掺量粉煤灰下的混凝土的力学性能，结果表明粉煤灰水泥试样的抗冲击性较纯水泥试样得到了显著提升。迄今为止，国内外学者对于粉煤灰在混凝土中的应用作了大量研究，并取得了丰硕成果。然而对于以粉煤灰为主的粉煤灰-水泥体系在受到冲击荷载作用下的研究较少，且目前关于改良后的水泥粉煤灰试样在冲击和在冲击荷载下的动态力学特性鲜有研究。

基于此，本文通过采用SHPB试验装置研究石灰和石膏改良水泥粉煤灰在冲击荷载作用下的力学特性，通过探究DCS(Dynamic Compressive Strength)随养护时间的变化规律，找出掺量的最优值。本文的研究，旨在为水泥土(水泥-粉煤灰)加固堆积粉煤灰地层的设计和施工提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用粉煤灰取自位于淮南上窑原贮灰场内的建筑工地，水泥采用32.5强度等级的复合硅酸盐水泥。堆积粉煤灰粒径分布见表1，化学成分如表2所示，图1给出了粉煤灰的XRD图谱。可以看出粉煤灰颗粒主要集中在0.1～0.25 mm，颗粒较细，SiO2与Al2O3的含量累计占87.68%，XRD图谱显示堆积粉煤灰主要是由莫来石相和石英相组成。石灰选用Ca(OH)2含量为98.2%的熟石灰，石膏选用CaSO4粉末。

表1 粉煤灰的粒径组成

表2 粉煤灰化学成分

图1 粉煤灰XRD图谱Fig.1 The XRD spectrum of fly ash

1.2 试样制备

将粉煤灰过5 mm孔径筛，筛除大颗粒结核物和杂质，放入105 ℃的烘箱进行烘干，得到干燥状态下的粉煤灰。表3给出了改良剂配比，含水率和养护龄期的参数，选用水泥掺量为12%(水泥与粉煤灰的质量比)，将石膏与石灰按0%，3%，6%，9%，12%的掺入比(石膏与石灰和粉煤灰的质量比)，分别掺入到水泥粉煤灰混合料中，制备含水率为35%的试样。将干燥的粉煤灰，水泥，石膏与石灰按照配合比，依次放入搅拌机中，搅拌均匀后，装入直径50 mm，高度25 mm的圆柱体模具(模具内均匀涂抹脱模剂)内并放置到振动台上，振动密实，刮平表面，覆盖保鲜膜。脱模后将试样放入到饱和Ca(OH)2溶液中进行养护，直至到达龄期(30 d和90 d)，为提高实验精度，减小端部摩擦效应对试验结果的影响，将试样两端面的平行度控制在±0.05 mm以内，表面平面度在±0.02 mm以内。

1.3 试验仪器

如图2所示，试验装置采用φ50 mm变截面SHPB试验系统进行试验，主要包括加载系统，子弹，入射杆，透射杆，信号采集系统和能量吸收装置。其中撞击杆长度为0.6 m，入射杆和透射杆长度分别为2.4 m，1.2 m,压杆材质均为合金钢。密度，弹性模量和纵波波速分别为7.8 g/cm3，210 GPa和5 190 m/s。试验气压均采用0.20 MPa，由于水泥粉煤灰材料波阻抗相对较低，透射波信号较弱，在透射杆上粘贴半导体应变片。

表3 试样制备的相关参数

图2 SHPB试验系统Fig.2 The device of SHPB

为确保试验满足应力、应变均匀性假设，以及降低端部摩擦与惯性效应等因素对试验效果的影响。试验时在试样两端面涂抹凡士林，保证试样两端面与弹性杆充分接触，消除端部摩擦效应的影响[26]。此外，使用波形整形器不仅有效减小了波形震荡，消除了弥散效应，而且有效增大了入射脉冲的上升延时间，这对于冲击过程中试样两端达到应力平衡及实现近似恒应变率加载是十分必要的，保证入射杆、试样和透射杆共轴线[27-28]。

2 试验结果及分析

图3给出典型SHPB试验结果波形曲线，包含有入射波，反射波和透射波。

图3 典型SHPB试验结果波形曲线Fig.3 The typical waveforms of the samples

采用简化三波法处理试验数据[29-30]，其中数据处理按照式(1)～式(3)

(1)

(2)

(3)

2.1 水泥-粉煤灰体系DCS变化规律

图4给出了水泥-粉煤灰(C12)试样在养护龄期为30 d和90 d下，试样动态应力-应变关系曲线图。在30 d养护龄期下，应力随着应变先增长后保持稳定，具有明显的屈服平台，直到试样破坏后应力降低，呈现出典型塑性破坏特征。当养护龄期为90 d时，试样呈现出典型脆性破坏特征，即首先应力随着应变呈近似直线式增长，到达应力峰值后，应力快速减小，试样破坏。在0.2 MPa的冲击气压下，C12试样30 d的DCS为1.99 MPa，90 d DCS为5.13 MPa，表明试样的DCS随着养护龄期的增加而显著增加。

图4 水泥-粉煤灰试样动态应力-应变曲线Fig.4 The dynamic stress-strain curves of cement-fly ash samples

2.2 石膏改良水泥-粉煤灰动态力学特性

图5给出了不同石膏掺量下水泥-粉煤灰试样30 d和90 d的动态应力-应变关系曲线。可以看出在不同石膏掺量以及养护龄期因素影响下，应力-应变曲线呈现出不同的变化规律。在图5(a)中，养护龄期为30 d时，石膏掺量为3%的试样呈现明显的塑性破坏特征，即应力达到峰值后，出现屈服平台；石膏掺量为6%和9%时，σ-ε曲线峰前，应力出现阶段性增长，前期增长速率大于后期，即随着应变的增大，应力到达拐点后继续上升直至到达峰值，同时应力峰值下的应变高于掺量为3%的试样，表明试样破坏应变继续增强；当石膏掺量为12%时，应力随着应变缓慢增长，到达峰值后缓慢降低，同时其峰值强度最小。从图5(b)可以看出，养护龄期为90 d，石膏掺量为3%，6%和9%时，σ-ε曲线变化规律相似，即首先为弹性阶段，随后进入塑性阶段，最后随着应变的继续增加，应力逐渐减小，掺量为3%和6%时，σ-ε曲线弹性阶段长度明显大于塑性变形阶段，而9%掺量下，其线弹性阶段与塑性变形阶段长度相近，这一现象说明试样随石膏掺量的增加，延性逐渐增强[31]；掺量为12%时，试样呈现明显的塑性破坏特征。同种石膏掺量、不同养护龄期时，石膏-水泥-粉煤灰试样σ-ε曲线形态具有较大差异，但后期(90 d)试样σ-ε曲线较前期(30 d)有明显左移现象，且应力峰值的ε较小，说明随着养护龄期的增加，试样的脆性不断增长。

图5 不同龄期、不同配合比的石膏-水泥-粉煤灰动态应力-应变曲线Fig.5 The dynamic stress-strain curves of gypsum-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同养护龄期下，改良水泥-粉煤灰试样DCS随石膏掺量变化情况，如图6所示。从图6可以看出，试样的DCS随养护龄期的增长而增长，在养护龄期从30 d增长至90 d以及石膏掺量相同下，试样的DCS增幅分别为219.80%，147.96%，141.72%和37.36%，表明在水泥-粉煤灰体系中掺入石膏，存在最优配比。在养护龄期为30 d时，当石膏掺量从3%增加到12%时，试样的DCS呈现出先增长后减小的变化趋势。其中掺量为3%时，其DCS为2.0 MPa与纯水泥-粉煤灰试样基本一致，石膏掺量为6%时，DCS到达2.69 MPa的峰值强度，相对于纯水泥-粉煤灰试样强度增长了35.18%；随后随着石膏掺量的逐渐增加，DCS逐渐下降，在掺量为9%和12%时，DCS分别为2.37 MPa和1.74 MPa。养护龄期为90 d时，石膏改良水泥-粉煤灰试样的强度随着石膏含量的增长先上升后减小，在石膏掺量为6%时，改良试样的DCS达到最大值6.67 MPa，相对于纯粉煤灰试样5.13 MPa增长了30.01%，而改良试样在12%的石膏掺量下，DCS达到最小值2.39 MPa，小于纯水泥-粉煤灰试样，这是由于在水泥-粉煤灰体系中掺入适量石膏，石膏与水泥和粉煤灰的水化产物反应生成钙矾石(AFt)，AFt填充孔隙，同时部分石膏析出晶体构成受力骨架，在宏观表现为强度增长；掺入过量的石膏，使得体系中存在大量的CaSO4·2H2O的晶体，造成体积膨胀[32]，胶凝体系受力结构破坏，表现为DCS下降。表明石膏掺量为6%时，可以明显提高水泥-粉煤灰体系动态抗压强度。

图6 不同养护龄期、不同石膏掺量改良水泥-粉煤灰DCS变化规律Fig.6 The DCS change laws of gypsum-cement-fly ash under the condition of different curing time and mix proportion

2.3 石灰改良水泥-粉煤灰动态力学特性

图7给出了石灰改良水泥-粉煤灰试样，在养护龄期为30 d和90 d下的动态应力-应变关系曲线。从图7(a)中可以看出，养护龄期为30 d时，石灰掺量为3%的σ-ε曲线弹性变形阶段曲线长度大于塑性变形阶段；石灰掺量为6%时，σ-ε曲线在弹性变形阶段后出现明显塑性变形平台段，石膏掺量从6%增长至12%的过程中，σ-ε曲线峰前逐渐平缓，峰值应力逐渐降低。这种现象说明早期改良水泥-粉煤灰试样的延性随石灰掺量的增加而逐渐增强。图7(b)给出了90 d的石灰改良水泥-粉煤灰试样的动态应力-应变关系曲线，石灰掺量为3%时，σ-ε曲线呈现出明显脆性破坏特征，应力随应变线性增长，达到峰值应力后，应力快速下降，试样破坏；石灰掺量从6%增加至12%过程中，σ-ε曲线出现明显塑性变形阶段，σ-ε曲线相比于30 d的曲线无明显向左偏移，同时不同配合比σ-ε曲线出现向右平移的趋势，这一现象说明：石灰改良试样与石膏改良试样的延性具有明显区别，石膏改良下，延性随养护龄期的增加而减小，脆性增强；石灰改良试样的延性随龄期的增长变化不大，总体偏延性。

图7 不同龄期、不同配合比的石灰-水泥-粉煤灰动态应力-应变曲线Fig.7 The dynamic stress-strain curves of lime-cement-fly ash with different curing time and mix proportion

不同养护龄期、不同石灰掺量下的改良水泥-粉煤灰试样DCS变化规律，如图8所示。随着养护龄期的增长，石灰改良水泥-粉煤灰试样的强度增幅不断增加，石灰掺量3%的试样，其90 d的DCS相对于30 d提高了98.60%，而石灰掺量从6%增加至12%，试样90 d的DCS相对于30 d的增幅分别为105.75%，484.69%，829.03%，这一现象说明随着石灰掺量逐渐增加，改良水泥-粉煤灰试样后期DCS增长幅度越大。在不同养护龄期下，改良水泥-粉煤灰试样的强度随石灰掺量的增加表现出不同的规律，在30 d的养护龄期下，改良试样的强度呈现出先增长后减小的趋势，掺量为3%和6%试样DCS分别为3.60 MPa和4.00 MPa，高于纯水泥-粉煤灰试样；掺量为9%和12%的试样，其DCS小于纯水泥-粉煤灰的试样，分别为1.75 MPa和1.74 MPa。养护龄期为90 d时，改良试样的DCS随着石灰掺量的增加而增加，其DCS从7.14 MPa增长至14.36 MPa，强度增长明显。这是由于体系中掺入石灰Ca(OH)2后，给体系带来大量的Ca2+，OH-离子，碱性环境激发了粉煤灰的火山灰活性，使得粉煤灰中游离的酸性氧化物发生二次水化反应，在宏观表现为体系强度不断增强，早期体系中掺入过量的Ca(OH)2，抑制水化反应速度，导致体系强度降低[33]。以上结果表明石灰掺量超过6%，改良水泥-粉煤灰试样前期强度变低，而后期由于碱激发的作用使得后期强度明显增加；石灰掺量为0%～6%时，改良试样的早期以及后期强度相对于纯水泥-粉煤灰试样都有明显的提升。

图8 不同养护龄期和不同石灰掺量改良水泥-粉煤灰DCS变化规律Fig.8 Variation laws of lime-cement-fly ash DCS with different curing time and mix proportion

2.4 不同改良剂下试样的DCS变化特性

不同改良剂、不同配合比下改良水泥-粉煤灰的动态峰值抗压强度如图9所示。可以看出，石膏-水泥-粉煤灰试样强度随着石膏掺量增加，先增加后减小；石灰-水泥-粉煤灰试样强度在不同养护龄期下随石灰掺量的增加而呈现出不同的增长变化规律，前期石灰掺量为3%和6%时，改良试样的DCS明显高于石膏改良试样，随着掺量的增加，石灰改良水泥-粉煤灰的强度明显小于石膏改良试样的强度，这是由于过量的石灰削弱了胶结体间的搭接，造成强度降低[34]；而石膏由于前期填充作用，使得强度略微增长。石灰改良试样的后期强度明显高于石膏改良的强度。这是由于粉煤灰本身的火山灰性质，在碱性环境中被激活，得到水化产物，从而提高了体系强度。以上分析表明，改良剂掺量为3%～6%时，石膏石灰改良水泥-粉煤灰的强度高于纯水泥-粉煤灰，但石灰改良强度提升明显；同时改良水泥-粉煤灰随着改良剂掺量的增加，前期都呈现出下降的趋势，而后期石灰改良试样的强度大幅度的提升。

图9 改良水泥-粉煤灰DCS变化图Fig.9 The DCS change laws of stabilized cement-fly ash

2.5 DCS强度拟合

表4给出了养护龄期30 d和90 d下，不同石灰石膏掺量的改良水泥-粉煤灰试样的动态抗压试验结果，表明养护龄期和石灰石膏掺量与改良水泥-粉煤灰试样的DCS有明显的相关性。

表4 动态抗压试验结果

采用Matlab软件对动态抗压强度，养护龄期(d)和改良剂膏掺量(m)，进行多元非线性拟合，拟合结果如图10所示。

图10(a)与图10(b)分别给出了石膏和石灰拟合后的三维曲面图，分别给出了石膏与石灰改良水泥-粉煤灰的动态抗压强度DCS关于d和m表达式。结果表明，改良水泥-粉煤灰试样的动态抗压强度，在养护龄期为30～90 d和改良剂掺量为0%～12%内存在关联性。分析图10(a)，石膏拟合后的三维曲线图，呈现出拱形特征，即在石膏掺量位于3%～9%内，试样的DCS值较大，增幅明显；从图10(b)可以看出，石灰改良试样DCS的变化规律与石膏改良有明显区别，在掺量为6%时，出现小段拱形，但在养护后期，掺量为6%～12%内，DCS增长幅度明显，出现DCS的峰值。

图10 改良水泥-粉煤灰三维拟合曲面Fig.10 The fitting surface of cement-fly ash stabilized by gypsum and lime

(4)

式中：GσDCS为石膏改良水泥-粉煤灰试验的动态抗压强度；d为试样的养护龄期；mg为石膏掺量(质量比)。

(5)

式中：LσDCS为石灰改良水泥-粉煤灰试验的动态抗压强度；d为试样的养护龄期；mL为石灰掺量(质量比)。

3 结 论

试验采用SHPB试验系统，在不同养护龄期下，研究了不同改良剂不同配合比的改良水泥-粉煤灰动态力学特性，分析了动态应力应变关系曲线，以及DCS随养护龄期和不同配比的变化规律，通过Matlab软件分析DCS与d和m的关系，得出以下结论：

(1) 石膏改良水泥-粉煤灰的DCS随石膏掺量的增加，在不同养护龄期下呈现出相同的规律，即改良水

泥-粉煤灰强度先增长后减小，且石膏掺量为12%时其强度小于纯水泥-粉煤灰试样；6%的石膏掺量为最佳配比，相对于纯水泥-粉煤灰试样30 d和90 d的强度分别提升了35.18%和30.01%；随着养护龄期的增加，试样的破坏应变不断减小，脆性不断增长。

(2) 掺入石灰后改良水泥-粉煤灰试样的DCS明显改变，在30 d养护龄期下，试样DCS随石灰掺量的增加，呈现出先增加后减小的趋势，DCS在石灰掺量为6%时最大，为4 MPa，在养护龄期为90 d时，DCS随石灰掺量的增加而增加，最大值为14.36 MPa；试样总体偏延性，且随养护龄期的增加，延性无明显变化。

(3) 基于SHPB试验数据和Matlab分析结果，可以得出，在改良剂掺量为3%～6%内，石灰改良水泥-粉煤灰试样的DCS明显高于石膏改良试样的DCS；随着改良剂掺量的继续增加，石灰改良试样的DCS在早期表现为逐渐减小，而后期有明显提升，其中，较纯水泥-粉煤灰的DCS最大提升了179.92%，石膏改良水泥-粉煤灰的DCS随掺量的增加而逐渐降低。