水泥土強(qiáng)度特性的室內(nèi)試驗研究

廣東省建筑科學(xué)研究院 陳 燃

水泥土強(qiáng)度特性的室內(nèi)試驗研究

廣東省建筑科學(xué)研究院 陳 燃

采用室內(nèi)配比和超聲波測試試驗對廣州南沙區(qū)軟土進(jìn)行了水泥土強(qiáng)度試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果，分析了多種因素對水泥土強(qiáng)度的影響以及超聲波聲速與水泥土強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，可為該地區(qū)應(yīng)用水泥土攪拌樁提供參考和建議。

水泥土 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 水泥摻入比 超聲波聲速

水泥土攪拌法是加固軟土地基的一種常用而有效的方法，其形成的水泥土攪拌樁常用作加固樁、水泥土墻和止水帷幕等。但在實際工程中，水泥土攪拌法形成的水泥土強(qiáng)度受土體性質(zhì)的影響，在不同地區(qū)的樁體強(qiáng)度特性有所不同。廣州南沙區(qū)的深厚軟土層具有有機(jī)物含量高、含水率高、壓縮性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，針對此類土體開展水泥土強(qiáng)度特性的室內(nèi)試驗研究，對在該地區(qū)采用水泥土攪拌法具有重要意義。

一、試驗方案

試驗用土呈灰－灰黑色，飽和、流塑，含有機(jī)質(zhì)，有臭味；局部夾少量粉砂及薄層，夾小貝殼。其物理力學(xué)性能指標(biāo)：含水率為70%，天然重度15.6kN/m2，比重2.63，孔隙比為1.890。

本試驗方案見表1，每組做6個平行試樣，養(yǎng)護(hù)齡期為7d、15d、28d、90d及180d，測定各試件在各齡期內(nèi)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的超聲波聲速。

表1 室內(nèi)試驗方案

二、試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

1.試驗結(jié)果

水泥土試塊達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期（7d、15d、28d、90d及180d）后，用試驗機(jī)測得其抗壓強(qiáng)度，剔除偏差較大的數(shù)值，取6個試件的測定值的平均值作為該組試件的試驗結(jié)果。其試驗結(jié)果如表2所示。

表2 水泥土試塊抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)（單位：MPa）

2.試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，將從水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期、摻細(xì)砂和摻石膏等四個方面對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

（1）水泥摻入比對強(qiáng)度的影響

限于篇幅，僅列出配比中僅摻水泥的水泥土強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系曲線如圖1所示（其他配比亦有相同規(guī)律）。

圖1 強(qiáng)度與摻入比的關(guān)系曲線（只摻水泥）

由圖1可知，當(dāng)在試驗用土中只摻入水泥時，在水泥摻入比從15%提高到20%時，水泥土試塊的強(qiáng)度增幅較大，在各個養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的強(qiáng)度增幅普遍達(dá)到130%以上，90d標(biāo)準(zhǔn)齡期的增幅可達(dá)到217.6%；但當(dāng)水泥摻入比從20%提高到25%后，雖然水泥土強(qiáng)度亦有所提高，但提高的幅度已大大減小，在各個齡期的強(qiáng)度增長幅度位于11.68%～32.62%之間?？梢姡嗤翢o側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而提高，其增長幅度在一定水泥摻入比范圍內(nèi)較大，但當(dāng)水泥摻入比達(dá)到某一比例后，水泥土強(qiáng)度增長幅度明顯減小。

對于水泥摻量為25%的配比而言，雖然其90d標(biāo)準(zhǔn)齡期強(qiáng)度較高（介于3.586～5.042MPa），但由于摻入的水泥較多，在拌和時加固土體的流動性較差，不利于施工。因此，對于加固土體而言，水泥的摻量并非越大越好，而是具有最優(yōu)的水泥摻入比，該摻入比使加固土具有較高的強(qiáng)度，也可達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）齡期對強(qiáng)度的影響

由于篇幅所限，僅列出水泥摻入比為20%時的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2 強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線圖

由圖2可知，當(dāng)水泥摻量為20%時，四種配合比15d的強(qiáng)度增幅為45.36%～85.93%；90d的增幅為52.84%～63.60%；180d的增幅為6.37%～11.82%。水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展而提高，90d內(nèi)提高的較大，180d的強(qiáng)度亦有所增長，但增幅較小，其強(qiáng)度發(fā)展趨于穩(wěn)定。規(guī)范定義的水泥土立方體抗壓強(qiáng)度以90d為齡期，但90d的時間太長，可通過28d的強(qiáng)度估算90d的強(qiáng)度。通過統(tǒng)計上述試驗數(shù)據(jù)，可得出該水泥加固土的28d和90d的強(qiáng)度具有下列關(guān)系：（不摻砂）和（摻砂）。

（3）細(xì)砂對水泥土強(qiáng)度的影響

本試驗中，除改變水泥的摻入比外，還添加了一定比例的細(xì)砂（10%和20%），以尋求此類外摻料對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。

當(dāng)水泥摻量為15%時，摻砂量為10%的90d齡期強(qiáng)度為2.014 MPa，是同齡期僅摻水泥的強(qiáng)度的1.99倍；摻砂量為20%的水泥土90d齡期強(qiáng)度為2.281MPa，是同齡期僅摻水泥的強(qiáng)度的2.25倍。當(dāng)水泥摻量為20%時，摻砂量為10%的水泥土90d齡期強(qiáng)度為3.456MPa，是同齡期僅摻水泥的強(qiáng)度的1.08倍；摻砂量為20%的水泥土90d齡期強(qiáng)度3.611MPa，是同齡期僅摻水泥的強(qiáng)度的1.12倍。當(dāng)水泥摻量為25%時，摻砂量為10%的水泥土90d齡期強(qiáng)度5.042MPa，是同齡期僅摻水泥的強(qiáng)度的1.41倍。

由上可知，摻砂后，水泥土強(qiáng)度有不同程度的提高。對于本次試驗土樣，當(dāng)水泥摻量為15%時，摻入的細(xì)砂作用最為明顯。通過加入細(xì)砂，改變了加固土體的顆粒組成，使得細(xì)砂作為細(xì)骨料對水泥土強(qiáng)度的形成有較大的貢獻(xiàn)。淤泥（質(zhì)粘土）是一種“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)材料，細(xì)砂的存在便可以相對地減少粘粒含量，改善顆粒級配，增強(qiáng)骨架的剛性，使“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)向“粒狀骨架”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，大大有利于水泥土強(qiáng)度的提高，這就是含淤泥（質(zhì)粘土）水泥土性能得到改善的微觀機(jī)理。

（4）摻石膏對水泥土強(qiáng)度的影響

當(dāng)水泥摻量為15%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土的7d和15d強(qiáng)度分別提高36.7%和47.3%；當(dāng)水泥摻量為20%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土7d和15d早期強(qiáng)度分別提高11.26%和6.43%；當(dāng)水泥摻量為25%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土7d和15d早期強(qiáng)度分別提高13.49%和7.86%?？梢娛喾劬哂性鐝?qiáng)的作用，摻入石膏后，通過與水泥水化反應(yīng)，生成具有膨脹性的水化硫鋁酸鈣質(zhì)，它不僅可消耗軟土中自由水，還可填充水泥土復(fù)合體中的微孔隙，提高水泥土的密實度。因此，對于南沙地區(qū)的軟土，由于其含水量較高、孔隙比較大，土顆粒之間的聯(lián)系比較疏松，適當(dāng)加大生石膏的摻量，加固的效果會更好。

三、超聲波波速傳播規(guī)律分析

通過使用瑞士出產(chǎn)的TICO混凝土檢測儀對水泥土試塊在180d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)不定期進(jìn)行超聲波波速測試，尋求超聲波波速在水泥土傳播的規(guī)律。

1.波速與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

由于篇幅所限，僅列出水泥摻量為15%的試塊的波速與齡期關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 摻入比為15%的試塊的波速與齡期關(guān)系曲線圖

圖4 超聲波速與水泥土強(qiáng)度散點(diǎn)圖

由圖可知，隨著齡期的發(fā)展，超聲波在水泥土傳播的速度總的趨勢是不斷提高的。一般情況下，聲速能反映水泥土試塊的密實度，而水泥土試塊的密實度又與其強(qiáng)度有關(guān)，水泥土試塊越密實，聲波在其中的傳播時間越短，聲速越大，水泥土試塊強(qiáng)度就越高。隨著齡期的發(fā)展，水泥土強(qiáng)度也隨著提高，因此，超聲波在水泥土試塊中的傳播速度也隨著提高。

2.波速與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

為尋求隨著齡期的發(fā)展，超聲波波速與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，將上述匯總值用散點(diǎn)圖表示，如圖4所示。由圖可知，超聲波速與水泥土強(qiáng)度存在著一定的相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步揭示這種關(guān)系，采用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合上述數(shù)據(jù)，擬合情況如下所示：指數(shù)函數(shù)：冪函數(shù)：

可知，水泥土的彈性波速與其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有很好的相關(guān)關(guān)系。由指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合情況來看，兩者的非線性關(guān)系較明顯。

四、結(jié)論

（1）水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而提高，其增長幅度在一定水泥摻入比范圍內(nèi)較大，但當(dāng)水泥摻入比達(dá)到某一比例后，水泥土強(qiáng)度增長幅度明顯減小。宜通過室內(nèi)配比試驗確定其最優(yōu)配合比，以達(dá)到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在90d內(nèi)增長較大，180d后趨于穩(wěn)定?？赏ㄟ^水泥土28d的強(qiáng)度預(yù)測90d的強(qiáng)度。

（3）通過摻入細(xì)砂可改善水泥土的顆粒組成，使其從“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)材料向“粒狀骨架”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而提高水泥土的強(qiáng)度。在施工中，可考慮通過摻砂來提高水泥土強(qiáng)度。

（4）對于含水量較高、孔隙比較大，土顆粒之間的聯(lián)系較疏松的軟土，摻入生石膏的可提高其早期強(qiáng)度，減小含水量。

（5）超聲波在水泥土中傳播的速度隨齡期的發(fā)展而提高，其與水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度具有顯著的非線性相關(guān)關(guān)系。

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陳然 （1982- ），廣東梅州，碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)工程檢測及鑒定 。