低温养护条件下水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验研究

低温养护条件下水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验研究

阮波1，郑世龙1，丁茴1，聂如松1，阮晨希1，陈栋2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 深圳市高级中学，广东 深圳 518040)

摘 要：为了研究低温养护对水泥改良风积沙的影响，开展无侧限抗压强度试验研究。试验选用的水泥掺量为4%，5%和6%，压实系数0.90，0.93和0.95。研究了−20 ℃低温养护对水泥改良风积沙的应力应变曲线、无侧限抗压强度、峰值应变和刚度的影响。研究结果表明，低温养护条件下，压实系数0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%时，对应的无侧限抗压强度分别为0.27，0.36和0.54 MPa，峰值应变分别为2.46%，2.69%和2.78%，E50分别为8.26，11.10和14.32 MPa。对比标准养护条件，水泥掺量4%，压实系数0.95时，低温养护的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度、峰值应变和E50分别降低了32.5%，14.0%和18.3%。本文的研究成果对风积沙铁路路基基床的设计、施工有借鉴意义。

关键词：水泥改良风积沙；塔克拉玛干沙漠；低温养护；无侧限抗压强度；峰值应变；E50；水泥掺量

我国是多沙漠国家, 沙漠面积约7.5×105 km2，约占8%的国土面积, 主要分布在新疆、内蒙古、甘肃、宁夏、青海、陕西等省区[1]。风积沙作为一种特殊的建筑材料在沙漠地区储量相当丰富，不少学者对风积沙的物理力学性质及击实性能等方面开展了试验研究，并取得了丰硕的研究成果[2−6]。但风积沙颗粒松散、黏聚力小、天然含水率低、级配不良[7−8]，不能直接用于铁路路基基床填料，需要进行填料改良。由于沙漠地区粗粒土填料缺乏，难以进行物理改良，工程上常采用水泥作为外掺料进行化学改良。任辉明等[9−10]研究发现，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随水泥掺量、压实系数、养护龄期和水泥强度等级的增大而增大。Ates [11]研究发现，水泥稳定风积沙的最大干密度和最优含水率随着水泥掺量增大而增大。Choobbasti 等[12]研究发现，胶结沙的峰值应变随着水泥掺量的增大而减小，刚度随着水泥掺量的增大而增大。上述研究成果是在室温或标准养护条件下进行，水泥的水化受温度的影响。Fall等[13]研究了低温养护对水泥胶结尾矿无侧限抗压强度影响，研究结果表明，低温养护降低了水泥胶结尾矿无侧限抗压强度。Kim等[14]研究发现，低温养护的混凝土早期强度较低，后期强度与标准养护下的混凝土强度基本相同。根据塔克拉玛干沙漠的气象资料[15−16]，塔克拉玛干沙漠全年干燥少雨，冬季气温最低可以达到−20 ℃。秋冬季施工期间，水泥改良风积沙无侧限抗压强度易受低温影响。因此，本文开展无侧限抗压强度试验，研究低温养护对水泥改良风积沙应力应变行为、无侧限抗压强度、峰值应变和刚度的影响。

1 试验材料

试验所用风积沙来自于中国新疆塔克拉玛干沙漠中的某铁路施工现场，其主要成分为SiO2，占比达81%，其余成分包括Al2O3，CaO和MgO等。其d10，d30，d60，不均匀系数和曲率系数分别为0.09，0.13，0.18，2.0和1.0。图1为风积沙照片，粒径分布比较均匀，呈淡黄色。图2为放大50倍后的风积沙扫描电镜照片，从照片上可知，风积沙的主要粒径在0.25~0.075 mm范围内。表1为风积沙颗粒分析试验结果，表2为其物理力学指标。试验中所用的水泥为普通硅酸盐水泥，表3为其物理力学指标。试验用水为长沙市自来水。

图1 风积沙照片

Fig. 1 Photograph of aeolian sand

图2 风积沙扫描电镜照片

Fig. 2 SEM of aeolian sand

表1 风积沙的颗粒分析试验结果

Table 1 Results of particle analysis test for aeolian sand

滤筛孔径/mm小于该粒径颗粒百分比/% 1100 0.599.9 0.2598.9 0.0751.7 0.047 40.6 0.021 70.3 0.008 90.2

表2 风积沙的物理力学性质

Table 2 Physical and mechanical properties of aeolian sand

容重/(g∙cm−3)含水率/%比重黏聚力/kPa内摩擦角/(°)最大孔隙比最小孔隙比 1.580.92.70027.40.920.59

表3 水泥的物理力学性质

Table 3 Physical and mechanical properties of cement

细度/%容重/(g∙m−3)初凝/min终凝/min安定性3 d抗折强度/MPa28 d抗折强度/MPa3 d抗压强度/MPa28 d抗压强度/MPa 1.43.11160230合格4.07.018.045.0

2 试验方案

为了研究−20 ℃低温养护(以下简称低温)对水泥改良风积沙的影响，采用温度20 ℃且相对湿度95%的标准养护(以下简称标养)作为对照组。试验方案采用3种压实系数K和3种常用的水泥掺量ac，试验方案见表4。

除对申请书进行评审之外，二审专家组的另一任务是在评审结束后将各领域的相对资助率进行综合，平衡各研究领域的资助力度。

(1)

式中：ac为水泥掺量，%；mc为水泥质量，kg；ms为风积沙质量，kg。

表4 试验方案

Table 4 Mixed design in the testing program

序号养护条件压实系数水泥掺量ac/%序号养护条件压实系数水泥掺量ac/% 1标养0.90410低温0.935 2低温0.90411标养0.955 3标养0.93412低温0.955 4低温0.93413标养0.906 5标养0.95414低温0.906 6低温0.95415标养0.936 7标养0.90516低温0.936 8低温0.90517标养0.956 9标养0.93518低温0.956

3 试样制备及试验

根据《铁路工程土工试验规程》[17]开展Z3重型击实试验，确定不同水泥掺量下水泥混合风积沙的最优含水率和最大干密度，如表5所示。

肾盂旁囊肿是临床上较为常见的疾病,通常会伴随肾结石出现,容易对患者的健康状况造成严重的影响,降低患者的生活质量。输尿管软镜治疗肾盂旁囊肿合并肾结石是一种比较科学的治疗手段,对患者健康的恢复具有明显的促进作用。本研究选取2015年9月-2018年3月在我院接受输尿管软镜治疗的106例肾盂旁囊肿合并肾结石患者进行研究,分析常规护理和综合护理的应用效果。现将情况汇报如下:

根据最优含水率和压实系数称取若干烘干风积沙、水泥和水，按照规范[17]将水泥、风积沙和水按一定比例充分搅拌均匀后制成混合料，采用静力压实法制样，制作直径50 mm，高度50 mm的圆柱体试件。标准养护采用SHBY-40B型标准养护箱，低温养护采用HDDW-400型低温试验箱，养护6 d。然后将试件放入水中浸泡24 h，水面高出试件顶面2.5 cm，取出试件用抹布吸去试件表面的水分，进行无侧限抗压强度试验，加载速率控制在1 mm/min，记录试件被破坏时的最大压力。无侧限抗压强度计算公式如下：

(2)

式中：qu为无侧限抗压强度，MPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；A为试件面积，mm2。

表5 不同水泥掺量下的最大干密度和最优含水率

Table 5 Maximum dry density and optimal water content at different cement contents

水泥掺量/%最大干密度/(g∙cm−3)最优含水率/% 01.6112.5 41.7213 51.7413.2 61.7613.5

4 试验结果及分析

4.1 低温养护对水泥改良风积沙应力应变曲线的影响

低温养护条件下水泥改良风积沙的应力应变曲线如图3所示。水泥改良风积沙的应力应变曲线呈应变软化型。应力应变曲线大致可分为5个典型特征阶段，如图4所示：OA段为初始压实阶段，应力随着应变的增大近似线性增大，但应力增长速率较小；AB段为弹性变形阶段，应力随着应变的增大近似线性增大，应力增长速率较大；BC段为弹塑性变形阶段，应力增长速率逐渐减小，应力逐渐增大到峰值；CD段随着应变的增大，应力近似线性减小；DE段应力应变曲线渐趋平缓。SUN 等[18]研究的水泥改良风积沙无侧限抗压强度的应力应变曲线呈抛物线型，与本文的研究结果不尽相同。根据无侧限抗压强度试验结果，分别计算出水泥改良风积沙应力应变曲线OA段和AB段斜率，计算结果如图5和图6所示。OA段斜率和AB段斜率都随着压实系数和水泥掺量的增大而增大。与标准养护条件相比，低温养护条件下OA段与AB段斜率减小。

(a) 压实系数0.90；(b) 压实系数0.93；(c) 压实系数0.95

图3 水泥改良风积沙的应力应变曲线

Fig. 3 Stress-strain curves of cement-improved aeolian sand

图4 水泥改良风积沙的典型的应力应变曲线

Fig. 4 Typical stress-strain curve of cement-improved aeolian sand

图5 OA段斜率

Fig. 5 Slope of OA segment on the stress-strain curve of cement-improved aeolian sand

图6 AB段斜率

Fig. 6 Slope of AB segment on the stress-strain curve of cement-improved aeolian sand

4.2 低温养护对无侧限抗压强度的影响

低温养护对无侧限抗压强度影响如图7所示。低温养护下，压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的7 d饱和无侧限抗压强度分别为0.27，0.36和0.54 MPa；水泥掺量为6%时，压实系数为0.90，0.93和0.95 对应的7 d饱和无侧限抗压强度分别为0.41，0.48和0.54 MPa。水泥改良风积沙在低温养护条件下的无侧限抗压强度随着压实系数和水泥掺量的增大而增大。与标准养护条件相比，低温养护降低了水泥改良风积沙的无侧限抗压强度。低温会降低水泥水化的反应速率，在相同养护龄期下低温环境产生的水泥水化物会减少。为了进一步量化低温养护对水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响程度，定义了无侧限抗压强度损失率Lu，如式(4)所示。

与车主沟通得知，此车一直在路边修理厂进行常规保养，所以我们怀疑机油泵机滤器堵塞，拆下油底壳检查，发现机油泵机滤器确实很脏，用化油器清洗剂清洗机油泵集滤器。装复后试车，故障依旧。再仔细询问车主此故障何时出现的，车主描述该车刚换完机油后就发生了此故障，当时维修人员的解释是：该车VVT链轮有问题，所以车主把车开到4S店检查，4S店维修人员告知车主此车正时链条有问题。根据车主反映的这些情况，我们怀疑机油滤清器质量存在问题，从而导致过滤效果不好。拆下机油滤清器，发现该车机油滤清器(图2)用错了，而该车应使用图3所示的机油滤清器。

(3)

式中：qus为标准养护条件下的无侧限抗压强度，MPa；qul为低温养护条件下的无侧限抗压强度，MPa。

图7 低温和标准养护条件下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度

Fig. 7 Evolution of the average UCS of cement-improved aeolian sand under low temperature and standard curing conditions

图8为水泥改良风积沙的无侧限抗压强度损失率。当压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%时，水泥改良风积沙在低温养护下的无侧限抗压强度损失率分别为32.5%，34.5%和35.7%，无侧限抗压强度损失率随着水泥掺量的增大而增大。当水泥掺量为6%时，压实系数为0.90，0.93和0.95时，水泥改良风积沙在低温养护下的无侧限抗压强度损失率分别为28.1%，31.4%和35.7%，无侧限抗压强度损失率随着压实系数的增大而增大。低温条件下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度损失率变化范围为12.5%～36.1%。

今《全宋文》收有陈景沂文两篇，一是《全芳备祖序》，另一是《招隐寺玉蕊花记》，出《全芳备祖》前集卷六，见《全宋文》卷七九三○、第343册第292-293页，题目均为编者所加。由于所据版本的缺陷，两文与我们校点整理所得都有个别字词出入，此依其题，全文罗列如下。

图8 低温作用下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度损失率

Fig. 8 Evolution of UCS loss rate of cement-improved aeolian sand under low temperature

4.3 低温养护对峰值应变的影响

脆性是评价材料的变形性能的一个重要指标，常用峰值应变评价材料的脆性[19]，本文采用水泥改良风积沙破坏时峰值应变来衡量材料的脆性。低温养护对峰值应变的影响如图9所示。低温养护下，压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的峰值应变分别为2.46%，2.69%和2.78%，峰值应变随着水泥掺量的增大而增大；水泥掺量为6%时，压实系数为0.90，0.93和0.95 对应的峰值应变分别为2.50%，2.53%和2.78%，峰值应变随着压实系数的增大而增大。与标准养护条件相比，低温养护条件下水泥改良风积沙的峰值应变减小，脆性增大。

为了进一步量化低温养护对水泥改良风积沙的峰值应变影响程度，定义了峰值应变损失率Lε，如式(5)所示。

楼兰的目光骤然黯淡下来，像一缕极其微弱的火苗，随时可能熄灭。她的手在西双的手心里不安地颤抖起来，越来越快，越来越快……

(4)

式中：εs为标准养护条件下的峰值应变，%；εl为低温养护条件下的峰值应变，%。

图2是一个完整的脉搏波示意图。本文设定一个脉搏波中有A、B、C、D和E五个特征点，A点为起点；B点为主波峰及最大值点；C点为次波谷；D点为次波峰；E点为终点，也是下一个周期波形的起点。其中，A、E两点均为主波谷及最小值点。

图10为水泥改良风积沙的峰值应变损失率。当压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%时，水泥改良风积沙在低温养护下的峰值应变损失率分别为14.0%，14.1%和14.2%，峰值应变损失率随水泥掺量的增大而增大。当水泥掺量为6%时，压实系数为0.90，0.93和0.95时，低温养护条件下水泥改良风积沙的峰值应变损失率分别为9.1%，9.6%和14.2%。峰值应变损失率随着压实系数的增大而增大。低温条件下水泥改良风积沙的峰值应变损失率变化范围为7.0%～15.5%。

图9 低温和标准养护条件下水泥改良风积沙的峰值应变

Fig. 9 Evolution of the average failure strain of cement-improved sand under low temperature and standard curing conditions

图10 低温作用下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度损失率

Fig. 10 Evolution of failure strain loss rate of cement-improved aeolian sand under low temperature

4.4 低温养护对刚度的影响

刚度是岩土工程问题中确定变形量的设计参数之一，常用割线模量E50来评价岩土材料的刚度。E50是指峰值应力一半的应力与相应的应变之比 值[19]。低温养护对水泥改良风积沙刚度的影响如图11所示。压实系数为0.95且水泥掺量为6%时，低温养护和标准养护对应的刚度分别为14.31 MPa和21.09 MPa，与标准养护条件相比，低温养护降低了水泥改良风积沙的刚度。水泥改良风积沙刚度随着水泥掺量和压实系数的增大而增大。

图11 低温和标准养护条件下水泥改良风积沙的刚度

Fig. 11 Evolution of the average E50 of cement-improved aeolian sand under low temperature and standard curing conditions

为了进一步量化低温养护对水泥改良风积沙的刚度影响程度，定义了刚度损失率GE，如式(6)所示。

(5)

式中：Es为标准养护条件下的刚度，MPa；El为低温养护条件下的刚度，MPa。

图12为水泥改良风积沙的刚度损失率。当压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%时，水泥改良风积沙在低温养护下的刚度损失率分别为18.3%，27.5%和32.1%，刚度损失率随着水泥掺量的增大而增大。当水泥掺量为6%时，压实系数为0.90，0.93和0.95时，水泥改良风积沙在低温养护下的刚度损失率从21.1%，26.0%和32.1%。刚度损失率随着压实系数的增大而增大。低温条件下水泥改良风积沙的刚度损失率变化范围为12.6%～33.7%。

建设学习小组的主要内容由建设小组凝聚力、学习氛围及合理安排成员分工三部分组成。小组凝聚力与学习氛围的建设要靠教师长期引导，而合理安排成员分工则要靠学生自主摸索，根据组内成员特长进行安排。一般而言，需要组长监督，语言能力强的学生进行发言提问，思维活跃的学生进行质疑，还要有学生进行知识总结等，但这些角色又是动态变化的，可以一人分饰多角。例如在学习《赠汪伦》一诗时，需要有学生发言提问，需要有古文功底深厚的学生进行知识点归纳，需要学生举一反三，还需要学生帮助组内成员提高。不管如何分配角色，都要保证组内成员有互帮互助精神，保证每位组内成员都能共同进步。

图12 低温作用下水泥改良风积沙的刚度损失率

Fig. 12 Evolution of the average E50 gain rate of cement-improved aeolian sand under low temperature

5 结论

1) 水泥改良风积沙的应力应变曲线呈应变软化型，应力应变曲线大致可分为初始压实阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、应力衰减阶段和应力平缓阶段5个典型特征阶段。

2) 低温养护下，压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的7 d饱和无侧限抗压强度分别为0.27，0.36和0.54 MPa。低温养护下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着水泥掺量和压实系数的增大而增大。

3) 相比于标准养护环境，低温养护下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度会降低，强度损失率随着水泥掺量和压实系数的增大而增大。压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的强度损失率分别为32.5%，34.5%和35.7%。

4) 相比于标准养护环境，低温养护条件下水泥改良风积沙的峰值应变减小，峰值应变损失率随水泥掺量和压实系数的增大而增大。压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的峰值应变损失率分别14.0%，14.1%和14.2%。

5) 低温养护条件下水泥改良风积沙的刚度E50随着水泥掺量和压实系数的增大而增大。相比于标准养护环境，低温养护条件下水泥改良风积沙的刚度E50降低，刚度损失率随着水泥掺量的增大而增大，压实系数为0.95时，水泥掺量为4%，5%和6%对应的刚度损失率分别为18.3%，27.5%和32.1%。

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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)

Abstract: 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.

Key words:cement-stabilized aeolian sand; Taklimakan desert; low temperature; UCS; peak strain; E50; cement content

中图分类号：TU447

文献标志码：A

文章编号：1672 − 7029(2020)10 − 2540 − 09

DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200542

收稿日期：2020−05−26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51878666)

通信作者：聂如松(1980−)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，从事铁路路基及桥梁桩基础工程方面的教学、科研工作；E−mail：[e-mail]

(编辑 蒋学东)