干湿—冻融影响下石灰—偏高岭土改性粉砂土力学特性试验研究

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现存土遗址在其赋存区域受气象环境和地质环境的影响会产生不同程度的病害,甚至会导致土遗址坍塌。因此需合理制定针对土遗址的保护加固工作,经过多年实践表明,修复材料的合理选用是土遗址保护工程中的关键。由此,开展土遗址保护修复材料的相关研究具有重要意义。笔者前期开展了偏高岭土协同石灰改良遗址粉砂土力学性能的研究,发现石灰偏高岭土(L-MK)具备替代水硬性石灰(NHL)的可能性,但其耐久特性如何不得而知。以L-MK改良土为主要研究对象进行室内冻融/干湿循环试验,结合0/5/15/30次冻融循环和0/5/10/15次干湿循环次数下试样的力学强度、质量损失和微观机理,与NHL做对比分析。主要研究内容及结论如下:(1)L-MK和NHL试样的质量在经过冻融循环和干湿循环后均呈降低趋势。L-MK和NHL试样质量在前5次冻融循环的质量损失接近线性降低,在经过5次循环后,质量损失幅度愈发平缓,这是在初期冻结融化过程中造成的土体水分散失,在经过30次冻融循环后,质量整体降低幅度处于12.19%~13.37%;L-MK相比NHL对土体经历干湿循环后孔隙结构保持完整性具有稍弱作用。(2)经过30次冻融循环后,L-MK抗压强度降低幅度处于74.96%~77.88%,略优于NHL(95%左右),且L-MK抗压强度值约是NHL的5-8倍;15次干湿循环后L-MK抗压强度衰减幅度处于22.62%~41.34%之间,约是NHL强度的2-3倍。多次的水土相互作用损伤土体的原生结构和颗粒间固有胶结,致使土体抗压强度减小。但偏高岭土掺量的增加改善了土体的耐冻融能力同时改善了土体的水稳性。(3)L-MK和NHL的抗拉强度受干湿和冻融循环效应的影响出现不同程度的降低,且土体强度衰减主要集中在前5次冻融循环,其后土体强度损失明显变小。(4)L-MK应力-应变曲线在未经历冻融和干湿循环时存在明显峰值强度属于应变软化型,随冻融和干湿循环次数的增加峰值应变εf呈降低趋势。在干湿循环作用下L-MK应力-应变曲线软化性并无明显变化,但在冻融循环作用下曲线的软化性减弱,且试样破坏形式由脆性破坏逐渐接近于塑性破坏,这是偏高岭土掺量的增加使试样的脆性增强,颗粒性(塑性)减弱。由于土体脆性越强,受力时发生突然脆性破坏的概率越大,因此在土遗址修复工作中需要合理确定MK的掺量,即在满足受力和变形要求的基础上,选择较低的掺量。(5)L-MK反应生成的水化产物Ca(OH)2、CSH和C4AH13填充于结构孔隙为L-MK改良土的主要骨架;在经过冻融循环和干湿循环后,CSH和C4AH13含量降低,但冻融过程中产生少许Ca(OH)2,但在干湿循环前后Ca(OH)2并没有变化。(6)将指数衰减函数与线性回归方法相结合,得出改良粉砂土试样强度随冻融循环次数的变化基本遵循函数qu=abn+c衰减,以此建立冻融和干湿条件下L-MK和NHL改良粉砂土强度衰减模型bn=(qu-quln)/(qo-quln),且拟合优度R~2均在0.99以上,相关性较高。(7)结合试样质量损失、力学强度及微观机理方面,从耐久性角度考虑采用6%L+4%MK可有效取代8%以及10%的NHL用于土遗址保护工作。
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