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EPS颗粒混合轻量土配方公式试验研究
发布时间:2017-07-26 11:18:26      来源:未知
EPS颗粒混合轻量土配方公式试验研究
 
苏州市建设工程质量检测中心有限公司   刘鑫
 
摘要:EPS颗粒混合轻量土具备轻质、高强等良好的物理力学性能,国内外对其进行的研究与应用也日益深入。而EPS颗粒混合轻量土性质主要受水泥含量、EPS颗粒含量以及含水量等因素的影响,实际工程中需要根据具体情况获得各组分掺入量以达到不同项目的设计以及施工标准,这就需要具体配方公式的引导。本文通过室内试验方式探讨各因素对EPS颗粒混合轻量土的物理力学性质影响,并在此基础上提出单因素及多因素影响下的配方公式,为实际工程应用提供理论依据。
关键词:EPS颗粒混合轻量土;物理力学性能;单因素;多因素;配方公式
Experimental Study on the Formula of EPS Particle Mixed Light Weight Soil
Abstract: EPS particle mixed light weight soil has good physical and mechanical properties, such as light weight, high strength and so on, which mainly influenced by cement content, EPS particle content and water content and other factors. The actual engineering needs to base on the specific circumstances of the different components to achieve different project design and construction standards, which requires the guidance of specific formula. In this paper, the influence of various factors on the physical and mechanical properties of EPS particle mixed light weight is discussed. The formula of single factor and multiple factors is put forward, which provides theoretical basis for practical engineering application.
Keywords: EPS particle mixed light weight soil, physical and mechanical properties, single factor, multi factor, formula
0 前言
我国河道湖泊星云密布,大量的水域能够提供用水以及灌溉等生活便利的同时,因为洪涝灾害、水力搬运及人类工程等形成的大量疏浚淤泥却成为了目前亟待解决的问题。国内外相关专家学者也通过各种室内以及施工现场的研究,对河道湖泊疏浚淤泥的解决与应用问题提出了合理化建议。如采用疏浚淤泥进行填海造陆、城市低洼道路回填[1],采用高温烧结技术将淤泥转化为建筑用砖[2]以及经固化处理后形成施工用土作为桥背回填与道路加宽材料等[3]
目前,在河道湖泊淤泥应用中,轻量化处理已经发展成为主体趋势,这种方式能够利用淤泥高流动性,低渗透性等特点制成质量轻,强度高且物理力学特性可调节的新型建筑材料,能够在环境保护,促进废物利用和节省建设成本等方面发挥巨大作用。采用EPS颗粒对固化土进行轻量化处理属于轻量化处理方式的一种,主要是在经固化处理后的混合土体中加入EPS颗粒取代部分土体,以取得混合土重度降低,强度达标的材料。这种新型材料在自立性、抗渗、耐热及耐久等方面都具有良好表现,且性质稳定,主要受到水泥含量、EPS颗粒含量以及含水量等因素影响。本文主要通过室内物理和强度试验探讨三种因素对EPS颗粒混合轻量土密度和强度的影响,提炼出单因素和多因素不同影响条件下的混合土配方公式,为促进其工程应用奠定一定的理论基础。
1 试验制备及试验方法
1.1原料土及试样制备
原料土为取自苏州某河道的疏浚淤泥,试样制作前先将淤泥过5mm筛以去除土体内大颗粒杂质,然后通过环刀法、比重瓶法、高温分解法分别测量出淤泥的密度、比重、有机质含量等基本物理特性,见表1.1。由表看出,原料土具有很高的含水量,IL=3.36,处于流塑状态;IP=20.51,属于淤泥质粉质黏土。Cu=5.1,Cc=1.35,级配较好,淤泥中有机质含量很高。
表1.1  淤泥土的物理力学性质指标
ρ/g·cm-3 ω/% e ds ωP/% ωL/% IP IL Cu Cc 有机质/%
1.465 99.25 2.72 2.71 30.20 50.71 20.51 3.36 5.1 1.35 ﹥6
固化剂采用32.5#复合硅酸盐水泥;轻量化材料选用EPS(聚苯乙烯)球粒并过3mm筛,粒径在1~3mm,形状基本成球状,堆积密度0.024g·cm-3,纯颗粒密度为0.035g·cm-3;水为普通饮用自来水。根据表1.2配合方案,按照解泥、含水量调整、固化剂添加、EPS颗粒添加顺序调制混合土,然后分三层装入底径3.91cm,高8.00cm的圆筒型模具中,养护24h后脱模,最后养护至试验龄期28天后进行密度和强度试验。
表1.2  试验配比方案表
水泥掺入比Ac/% EPS掺入比Ae/% 含水量Aω/% 养护龄期t/d
10 2,3,4,5,6 70,80,90,100 28
15 2,3,4,5,6 70,80,90,100 28
20 2,3,4,5,6 70,80,90,100 28
25 2,3,4,5,6 70,80,90,100 28
注:各成分的掺入比为各成分与原料土干土的质量比值。水泥掺入比Ac(%):水泥质量/原料土干土;气泡掺入比Ae(%):气泡质量/原料土干土;含水量Aω(%):水的质量/原料土干土。
1.2试验方法
密度采用量积法测量:对养护28天之后的试样用游标卡尺测量尺寸,精确到0.01mm,并用天平称重,精确到0.01g,最后计算得到密度;强度选用无侧限抗压法测量:采用YSH-2型石灰土无侧限压力仪,轴向百分表位移计量程10mm,分度值为0.01mm,以每产生0.1mm的变形测量一次数据。
2 试验结果分析
2.1密度变化
EPS颗粒混合轻量土密度影响主要考虑因素有水泥含量、EPS颗粒含量和含水量。因此试验过程中采取固定一种因素改变其余两种因素的试验条件进行,最后采用公式(1)计算密度,试验数据见图2.1。
                  (1)
式中:m为试样质量,单位g;d1d2d3分别为上中下三个位置的试样直径,单位mm;h1h2h3,分别为三个不同方向的高度值,单位mm。
 
(a)水泥掺入比对密度的影响                  (b)EPS颗粒掺入比对密度的影响
 
       (c)含水量对密度的影响
图2.1 水泥掺入比、EPS颗粒掺入比与含水量对密度的影响
如上图所示,可以看出:①EPS颗粒混合轻量土密度与水泥掺入比、含水量呈正相关关系、且接近于线性增长趋势,当EPS颗粒含量逐渐增加过程中,水泥含量对混合土的密度影响呈现降低趋势,即密度变化范围减小。如Ae=2%时,密度随水泥含量变化为0.46g·cm-3,当Ae=6%时,密度增长量为0.35g·cm-3。②在水泥掺入比Ac从10%增长到25%过程中,混合土密度变化范围维持在0.42g·cm-3左右,密度降低程度达38%,即可以看出EPS加入后能够有效降低混合土密度,这是因为在加入EPS颗粒后,能够对土体内部土体颗粒产生置换作用,取代了更具重量的土颗粒。③淤泥土中加入水后可以和水泥发生水化反应,在一定范围含水量之类,含水量越高,土体内部生成的水化物越多,因此密度会随含水量增加,但增加程度并不明显,如图所示,固定气泡含量一定时,随着水泥与含水量共同作用时,混合土密度变化量也只维持在10-2g·cm-3数量级范围内。④三个密度影响因素中,EPS颗粒掺入比对EPS颗粒混合轻量土密度的影响最大,而其余两者影响均较小,并且由图中模拟的趋势可以看出,水泥掺入比与含水量主要以线性增长关系影响混合土的密度,但EPS颗粒掺入比与混合土密度呈负相关关系,且呈非线性降低趋势。
2.2强度变化
EPS强度通过单轴抗压强度试验获得,即在不受到周围压力条件下,通过施加轴向荷载使得试样达到破坏应变时候的最大应力,因单轴抗压强度操作简单,流程简单,能够快速反应土体的强度特性,因此现在应用最为广泛。通过单轴抗压强度试验获得在水泥掺入比、EPS掺入比和含水量影响下其变化规律,如图2.2所示。
 
 
(a)水泥掺入比对强度的影响                  (b)EPS颗粒掺入比对强度的影响
 
      (c)含水量对强度的影响
图2.2 水泥掺入比、EPS颗粒掺入比与含水量对单轴抗压强度的影响
由试验结果可以看出,与密度变化规律类似,EPS颗粒混合轻量土单轴抗压强度主要受到水泥掺入比、EPS颗粒掺入比与含水量的影响,具体表现为强度随水泥掺入比的增大而增加,随EPS颗粒掺入比、含水量的增大而减小。由于混合土在固化剂作用下,土体内部水化结合产物能够形成致密骨架,同时没有反应的非活性物质的填充作用,两者结合使得水泥含量增加时能够有效提高土体抵抗荷载的能力。而EPS颗粒加入后能够起到置换土体部分骨架,形成架空效应,而EPS颗粒本身强度远低于水泥混合土强度,因此,混入EPS颗粒后,土体强度也会降低,且随着水泥含量越高,EPS对强度削弱的程度越明显,如Ac=10%,EPS掺入量从2%增长到6%时,强度降低65.5MPa,而Ac=25%时,削弱值为224.8MPa,为前者3倍多。在混合土调制时,增加含水量能够促进水泥的水解水化反应,同时增加土体的和易性与流动性,虽然混合土体密度可以随着含水量的增加而增加,但是含水量增加之后土体内部自由水分子也会增多,而土内水对土体的强度存在较大不利影响,因此,含水量增加时,土体强度反而降低。从不同因素对单轴抗压强度影响的拟合趋势来看,强度与水泥掺入比主要呈线性增长关系,而与其余两种因素呈非线性降低关系。
3 EPS颗粒混合土配方公式研究
3.1单因素影响下配方公式分析
当采用密度控制时,由前述分析结果可以看出密度-水泥掺入比、密度-含水量主要呈线性增长关系,这与国内其他研究人员结论一致;而密度-EPS颗粒掺入比主要呈非线性降低趋势。当采用强度控制时,强度-水泥掺入比呈显性增长关系,而强度-含水量、强度-EPS颗粒掺入比主要呈非线性降低关系。在考虑单因素作用下需要通过不同模型进行拟合,确定适合的配方公式,文中主要采用线性函数、指数函数、幂函数和三次函数拟合,通过拟合优度R2检验模型的好坏。以下为拟合结果。
密度-水泥掺入比拟合模型:,式中ρ为密度,单位g·cm-3bk为拟合系数,单位g·cm-3Ac(%)为水泥掺入比。以下各符号解释相同,在此不再赘述。
表3.1  密度(强度)-水泥掺入比关系拟合表
密度控制 拟合模型:
影响因素Ae/% 2 3 4 5 6
拟合系数b 1.016 0.911 0.813 0.710 0.657
拟合系数k 0.003 0.003 0.002 0.003 0.002
拟合优度R2 0.993 0.997 0.991 0.985 0.980
强度控制 拟合模型:
影响因素Ae/% 2 3 4 5 6
拟合系数b -89.14 -72.33 -65.57 -56.18 -48.45
拟合系数k 19.39 15.13 12.59 10.47 8.72
拟合优度R2 0.998 0.999 0.999 0.998 0.998
表3.2  密度(强度)-含水量关系拟合表
密度控制 拟合模型:
影响因素Ac/% 10 15 20 25
 拟合系数b 7.1×10-4 6.4×10-4 5.7×10-4 5.1×10-4
拟合系数k 0.771 0.791 0.812 0.833
  拟合优度R2 0.996 0.995 0.998 0.997
强度控制 拟合模型:
影响因素Ac/% 10 15 20 25
 拟合系数a 1.65×106 1.26×105 1.97×104 8.23×104
拟合系数b -2.31 -1.59 -1.07 -1.32
  拟合优度R2 0.991 0.987 0.965 0.993
 
表3.3  密度(强度)-EPS颗粒掺入比关系拟合表
密度控制
影响因素Ac/% 10 15 20 25
拟合系数a -0.001 -0.001 -0.001 -0.001
拟合系数b 0.018 0.026 0.017 0.030
拟合系数c -0.23 -0.251 -0.226 -0.272
拟合系数d 1.481 1.512 1.505 1.573
拟合优度R2 0.999 0.999 0.999 0.999
强度控制
影响因素Ac/% 10 15 20 25
拟合系数a 171.68 314.52 459.57 598.37
拟合系数b -0.25 -0.23 -0.22 -0.21
拟合优度R2 0.997 0.994 0.992 0.994
在考察单因素影响时,主要采用的拟合模型有线性函数、指数函数、幂函数和三次多项式,配方公式模型简单,易于操作,当具体到某一数值时可以选择线性差值方法确定,但是密度控制条件与强度控制条件在模型上选取并不完全一致,这也增加了配比确定的难度,并且在只考虑单因素变化时研究EPS颗粒混合轻量土配方公式时,考察范围小,每改变一个因素就需单独考虑,没有考虑多因素交叉影响,同时模型建立部分需要依靠经验和感觉,存在较大人为误差。
3.2双因素影响下配方公式分析
综合考虑单因素分析存在的欠缺,现引入双因素响应面分析模型,即在考虑两个因素影响作用下(包括交叉作用)分析混合土密度配方公式,如考虑影响因素AcAe时,采用模型:,式中ρ(Ac,Ae)为AcAe共同作用下密度值,单位g·cm-3;其余符号解释与上述相同,拟合结果见表3.4与3.5。
表3.4 密度(强度)-水泥掺入比、EPS颗粒掺入比关系拟合表
拟合参数 a1 a2 b c1 c2 d
密度控制 拟合参数值 -1.20×10-5 1.30×10-2 -1.30×10-4 3.80×10-3 -2.05×10-1 1.41×100
拟合优度R2 0.999
强度控制 拟合参数值 0.039 5.689 -2.599 22.306 -35.754 16.901
拟合优度R2 0.997
表3.5 密度(强度)-水泥掺入比、含水量关系拟合表
拟合参数 a1 a2 b c1 c2 d
密度控制 拟合参数值 -4.00×10-6 -2.50×10-6 -1.30×10-6 4.25×10-3 1.27×10-3 7.11×
10-1
拟合优度R2 0.999
强度控制 拟合参数值 0.165 0.039 -0.128 16.879 -6.735 273.464
拟合优度R2 0.994
如上拟合结果显示,在考虑双因素共同作用时EPS颗粒混合轻量土配方公式时,无论是密度控制或是强度控制,拟合模型均可以采用相同的公式,操作起来简单,同时由于模型具有曲面连续性,在考虑某一因素具体值下混合土的密度或强度时可以直接由公式计算得到。但是其也存在着缺点,因为模型公式中具体拟合系数较多,计算时比单因素分析复杂,同时样本数量对模型拟合程度具有重要影响。
4 结论
(1)通过室内试验主要考察了EPS颗粒混合轻量土物理力学性质的影响因素,主要包括水泥含量、EPS颗粒含量和含水量,其中EPS颗粒含量对混合土密度及单轴抗压强度影响最为显著,水泥含量和含水量对混合土密度影响不明显,但对单轴抗压强度的影响具有显著性。
(2)在分析各因素对EPS颗粒混合轻量土影响规律的基础上,采用单因素和双因素分析两种方式对混合土的配方公式进行了深入分析:单因素分析在前期数据处理时工作简单易于操作,但存在较大人为误差,模型简单且连续性不强;双因素分析时,能够充分考虑两种因素的共同作用下混合土的密度和强度的变化,连续性强,但数据前期处理量大,且模型拟合优度更依赖于样本数量。
(3)本次主要是通过室内试验探讨EPS颗粒混合轻量土配方公式,为具体施工时各组分的添加量提供理论依据。在实际使用时还需要结合实际需求具体确定已验证模型的准确性。
 
 
 
参考文献
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