水泥土攪拌法的室內(nèi)試驗研究

徐立勝,陳 忠,張 研

(1.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江杭州 310008;2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

水泥土攪拌法是一種利用水泥作為固化劑,就地將原位土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌,使原位土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土的軟土地基處理方法.由于該方法可以最大限度地利用原位土,攪拌時無振動、無噪音和無污染,并且具有對環(huán)境影響小、加固形式靈活和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點[1],因而它在各類工程中得到了廣泛的應(yīng)用.為了提高水泥攪拌法的使用效果,Bahar等[2]研究了水泥土中不同含水率對水泥強(qiáng)度的影響,周麗萍等[3]探討了內(nèi)蒙古河套地區(qū)粉質(zhì)黏土的水泥土力學(xué)性能,宮必寧等[4]對水泥土攪拌樁及其復(fù)合地基的承載力[5-8]、變形以及工程設(shè)計和應(yīng)用進(jìn)行了研究[9-13].

筆者針對長江三角洲地區(qū)粉質(zhì)黏土,進(jìn)行了室內(nèi)多因素影響下水泥土的配比試驗,對不同養(yǎng)護(hù)時間、不同水泥種類以及不同水泥摻入比的水泥土試件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

原土取自上海黃浦江沿岸1km處地表下約5m深處的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.該層土在天然狀態(tài)下呈塑狀并具高壓縮性,工程物理力學(xué)性質(zhì)差,是工程建設(shè)中需加固處理的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土.土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)如下:含水率42.3%,密度1.62g/cm3,孔隙比1.2,塑限39.2%,液限23.6%,塑性指數(shù)15.4,液性指數(shù)1.1,壓縮模量3.4MPa.土樣從現(xiàn)場采集后,為保持含水率,密封保存并盡快進(jìn)行室內(nèi)試驗.試驗采用的水泥分別為膨脹水泥、P.S.32.5礦渣硅酸鹽水泥、P.O.42.5普通硅酸鹽水泥和P.O.52.5普通硅酸鹽水泥.

1.2 試驗方法

由于目前沒有水泥土的試驗規(guī)程或方法,不同研究人員采用了不同的試驗方法[5-6],筆者根據(jù)水泥土力學(xué)性能,參考SL352《水工混凝土試驗規(guī)程》和GB/T50123—2002《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行水泥土試驗.水泥土試塊的制作采用人工攪拌、人工振搗方式,將攪拌好的水泥土裝入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試模中制成試塊,成型1 d后放入混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù).為了研究水泥摻入量對水泥土力學(xué)性能的影響,試驗采用了4組摻入比,分別為0.10,0.15,0.20和0.25.試件在養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗,取3個試樣的平均值作為該小組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值.試樣的測得值與平均值之差超過平均值的±15%時,則該試樣的測得值無效,按余下試樣的測得值計算平均值.如1組試樣的樣品不足2個,則該組試樣結(jié)果無效,重做直至滿足要求.試驗采用應(yīng)變控制方法,加載速率為上升時段0.2mm/min,下降時段逐步增至1mm/min.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水泥摻入比對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

選取工程中最常用的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥進(jìn)行室內(nèi)試驗研究,水泥摻入比對水泥土抗壓強(qiáng)度影響的試驗結(jié)果見圖1.由圖1可以看出,水泥土的強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而增大,當(dāng)水泥摻入比大于0.10時,強(qiáng)度增長速率增加,當(dāng)水泥摻入比大于0.20時,水泥土的抗壓強(qiáng)度仍持續(xù)增加.因為實際工程需綜合考慮技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能,所以選用0.20的水泥摻入比進(jìn)行后續(xù)研究.

圖1 水泥摻入比對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響曲線Fig.1 Curves of in fluences of m ixing ratio of cement on com pressive strength of cement soil

2.2 水泥種類對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 4種水泥土抗壓強(qiáng)度曲線Fig.2 Curves of compressive strength of four types of cement soil

選取標(biāo)準(zhǔn)水泥摻入比0.20來研究不同水泥種類對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響.水泥土試件的抗壓強(qiáng)度見圖2.從圖2可以看出,由于各種水泥的礦物成分不同,水泥土的抗壓強(qiáng)度也不同,所以水泥的種類對水泥土的力學(xué)性能影響很大.從圖2可以看出:4種水泥土中P.O.52.5普通硅酸鹽水泥土強(qiáng)度最大,膨脹水泥土各時期強(qiáng)度均較小,其他2種水泥土性能相當(dāng).P.S.32.5礦渣硅酸鹽水泥與P.O.42.5普通硅酸鹽水泥相比,雖然水泥強(qiáng)度較低,但兩者水泥土的抗壓強(qiáng)度相當(dāng),說明同樣條件下礦渣水泥土比硅酸鹽水泥土的強(qiáng)度高,水泥的礦物成分對水泥土的力學(xué)性能影響很大.普通硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度比其他3種早期抗壓強(qiáng)度基本上處于同一水平上的水泥土抗壓強(qiáng)度大1倍左右,這說明普通硅酸鹽水泥土早期強(qiáng)度增長較快;礦渣硅酸鹽水泥后期強(qiáng)度增長明顯較其他水泥土快,抗硫酸鹽水泥土與普通硅酸鹽水泥土后期強(qiáng)度增長都是比較慢的.本文結(jié)論與文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果一致.

2.3 養(yǎng)護(hù)齡期與水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

一般認(rèn)為,研究齡期對水泥土力學(xué)性能的影響需考慮90 d的抗壓強(qiáng)度,因為JGJ79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,水泥土的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度取齡期為90 d的強(qiáng)度.水泥土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律是隨著齡期的增長而增大的,體現(xiàn)為隨齡期的非線性增長過程.為了真實反映水泥土材料的實際工程環(huán)境,進(jìn)行了齡期最多達(dá)180d的強(qiáng)度試驗.從圖3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)水泥摻入比增加時,對水泥土早期強(qiáng)度的增加影響較小,而對后期強(qiáng)度的增加產(chǎn)生較大的作用.從圖2可以看出:4種水泥土的抗壓強(qiáng)度增加速度經(jīng)歷了慢—快—慢的過程,7d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度增加不多,7～28d齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度增加明顯,而90d齡期后抗壓強(qiáng)度增加速度較為緩慢;齡期14d的抗壓強(qiáng)度大約為齡期28d抗壓強(qiáng)度的1/2,齡期90d抗壓強(qiáng)度的1/3;齡期180d與90 d時的抗壓強(qiáng)度相差不大.

從圖2和圖3還可以看出:(a)不考慮水泥種類和水泥摻入比的情況下,水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長而增加,水泥土前期抗壓強(qiáng)度增加速度較慢,中期抗壓強(qiáng)度增加速度較快,而后期抗壓強(qiáng)度增加速度較緩慢;(b)對于不同的水泥種類,水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期增加速度不同,但達(dá)到相對較高抗壓強(qiáng)度的齡期基本相同,需要90 d齡期,因此現(xiàn)行水泥土抗壓強(qiáng)度均采用90d的抗壓強(qiáng)度是合理的;(c)對于水泥土早期抗壓強(qiáng)度,水泥摻入比的調(diào)整對于抗壓強(qiáng)度的提高效果最優(yōu),本文選用的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥在0.10和0.20水泥摻入比情況下14d齡期時抗壓強(qiáng)度最大相差1倍,比變動水泥種類更為有效.

圖3 P.O.42.5普通硅酸鹽水泥在不同水泥摻入比時的抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Curves of compressive strength of ordinary portland cement P.O.42.5 with different m ixing ratios of cement

3 結(jié) 論

a.水泥土的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而提高,并且具有較好的相關(guān)性,可以用早期強(qiáng)度預(yù)測最終強(qiáng)度.

b.水泥土力學(xué)性能的影響因素很多,水泥種類、水泥摻入比以及養(yǎng)護(hù)齡期是影響水泥土抗壓強(qiáng)度的主要因素.筆者通過試驗建立的不同水泥標(biāo)號、不同水泥摻入比和不同齡期水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,對工程應(yīng)用具有重要參考價值.

c.如果不考慮鹽類腐蝕、體積安定性等方面的情況以及一些特殊要求,礦渣硅酸鹽水泥最適合用來成型水泥土加固軟土地基,因為用礦渣硅酸鹽水泥不僅強(qiáng)度高,而且符合經(jīng)濟(jì)性要求.選擇水泥摻入比、水泥標(biāo)號并非越高越好,必須考慮經(jīng)濟(jì)因素,要以最小代價得到最理想工程效果為目標(biāo).

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