水泥砂漿固化土抗壓強度特性試驗

曲 濤 ，范曉秋，2 ，劉 鑫

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇南京 210005;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)隧道與軌道工程研究所，江蘇南京 210098)

水泥土是依靠機械力攪拌或射流沖切把地基的天然軟土與水泥漿(或粉)混拌在一起形成的樁體[1].影響水泥土強度的因素較多，眾多學(xué)者進行了較為深入的研究[2-4].由于水泥土強度不夠高，所形成的復(fù)合地基承載力不夠大，存在后期變形大等問題，使其在應(yīng)用上受到一定的限制[5].近年來，許多學(xué)者開展了水泥土改良方面的研究[6-10]，其中砂料因為來源廣泛、價格低廉，作為改良摻料被部分學(xué)者所關(guān)注，并對砂料改良水泥土進行了初步的研究.蘭凱等[7]、廖建春等[8]、印長俊等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在軟土中摻入一定量的砂作為改良骨料，可大幅度提高水泥土強度;范曉秋等[10]、劉大智等[11]、阿肯江?托呼提等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥土中摻入一定量的砂可以有效地提高水泥土的極限強度和殘余強度，在采用水泥砂漿攪拌樁加固軟弱地基時，即使采用較高的摻砂量和置換率，加固區(qū)材料質(zhì)量增加有限，下臥層附加應(yīng)力增加也很小.鑒于砂料具有價廉物美的優(yōu)點，以及已有研究證實了砂料能有效改善水泥土強度特性的事實，筆者通過對水泥砂漿固化土進行一系列強度試驗，研究摻砂量、含水率和砂料粒徑對水泥土強度的影響，為水泥砂漿固化土的實際工程運用提供依據(jù).

1 試驗方法

1.1 材料選取

水泥砂漿固化土是一種多相復(fù)合材料，其主要成分為土、水泥水化物以及摻入的砂料.試驗采用的原料土取自江蘇某高速公路地基深處的淤泥質(zhì)土，其基本物理力學(xué)性質(zhì)如下:天然密度為1.64g/cm，含水率為66%，孔隙比為1.76，塑性指數(shù)為18%，液性指數(shù)為 2.0，壓縮系數(shù)為 0.66MPa-1，壓縮模量為2.07MPa，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為1.59%，pH為6.2.水泥采用P.C325普通硅酸鹽水泥，其基本性質(zhì)如下:細度模數(shù)為0.08mm篩余量為2.5%，標準稠度為26.0%，初凝時間為150min，終凝時間為210min;ISO膠砂強度3d抗折強度為3.8MPa，28d抗折強度為8.0MPa，3 d抗壓強度為16.0MPa，28 d抗壓強度為42.0MPa;SO3質(zhì)量分數(shù)為2.17%，MgO質(zhì)量分數(shù)為4.2%，燒失量質(zhì)量分數(shù)為1.20%.砂料采用中國ISO標準砂;所用拌和水為自來水.

1.2 試驗方案

選取2種水泥摻入比(水泥質(zhì)量與土質(zhì)量之比aw分別為10%，15%)、8種摻砂量(砂料質(zhì)量與干土質(zhì)量之比 as分別為0%，5%，10%，20%，30%，45%，60%，75%)、3種原料土含水率(土中水質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比w分別為47.5%，56%，65%)、3種砂料(ISO標準砂，粒徑 d分別為 0.5～1.0mm，0.25～0.5mm，0.075～0.25mm)，養(yǎng)護齡期 T分別為7d，14d，28d.

試樣制備步驟如下:(a)將原料土風(fēng)干碾碎，過2mm篩后加入適量的水，采用B10型攪拌機攪拌均勻，含水率按既定比例控制;(b)往原料土中加入指定比例的砂和水泥進行混合，攪拌均勻，水灰比為0.5，砂按既定的摻入量和粒徑摻入;(c)將攪拌均勻的混合料按密度控制，采用分層壓實成型的方法壓入?39.1mm，H80mm的三開模內(nèi)，養(yǎng)護1d后脫模，放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至擬定齡期，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃.需要說明的是，為了后續(xù)研究工作的開展，試樣制作采用標準三軸試樣，而未采用70.7mm×70.7mm×70.7mm的標準立方體，因此，試樣試驗強度與水泥土標準強度存在差異.

試樣養(yǎng)護到擬定齡期之后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線.試驗采用微機控制的電子式萬能試驗機，試驗以應(yīng)變控制，加荷速率為0.8mm/min，在室溫條件下進行單軸壓縮試驗.對于同一配合比的試樣，進行5次平行試驗以盡量減少試驗誤差.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 摻砂量對水泥砂漿固化土抗壓強度的影響

本研究的主要目的是通過室內(nèi)試驗的方法探索砂料影響水泥土抗壓強度特性的規(guī)律.試驗證明，隨著砂料的摻入，不同齡期下水泥砂漿固化土強度均獲得一定程度提高，但提高幅度并非隨著摻砂量線性增加.水泥摻入比10%和15%、含水率為47.5%、不同齡期水泥砂漿固化土無側(cè)限抗壓強度與摻砂量之間的關(guān)系見圖1.

圖1 摻砂量與水泥砂漿固化土抗壓強度q u的關(guān)系Fig.1 Relationship between compressivestrength(q u)and sand content

由圖1可知，當超過一定摻砂量時水泥砂漿固化土的強度基本保持不變.據(jù)此可以推斷:對于同一土料，在水泥摻入量不變時存在一個最優(yōu)摻砂量，當摻砂量超過該值時水泥砂漿固化土的強度增幅很小.對于筆者采用的原料土，水泥摻入質(zhì)量分數(shù)為10%時最優(yōu)摻砂量約為15%，水泥摻入質(zhì)量分數(shù)為15%時最優(yōu)摻砂量約為10%.

詳細來看，水泥砂漿固化土強度隨摻砂量變化的規(guī)律可以最優(yōu)摻砂量為分界線劃分為2個階段:(a)當摻砂量由零增加至最優(yōu)摻砂量時，水泥砂漿固化土強度顯著提高，這是因為適量的砂料可以填充水泥土攪拌過程中形成的孔隙，使水泥砂漿固化土形成更為密實的整體，而大模量物質(zhì)砂料的摻入置換了部分模量較小的土體，在水泥水化物的膠結(jié)作用下形成骨架，在受力變形時剪切面上的砂粒提高了剪切面的摩擦系數(shù)，且剪切變形還需要克服由砂粒在剪切面上產(chǎn)生的咬合力，從而提高了水泥砂漿固化土的強度.(b)當達到最優(yōu)摻砂量時，強度達最大;當摻砂量超過最優(yōu)摻砂量后水泥砂漿固化土的強度有所下降，當摻砂量超過20%后水泥砂漿固化土的強度基本不變，這可能是由于砂料在水泥砂漿固化土中所占比例過大，經(jīng)水泥膠結(jié)的土顆粒與砂顆粒之間形成連結(jié)，較單純的水泥土顆粒之間的連結(jié)要薄弱所致.

為描述摻砂量對水泥砂漿固化土強度的提高效率，定義摻砂量對水泥砂漿固化土強度的貢獻率為i:

式中:qu，0——無摻砂量時水泥砂漿固化土的強度;qu，as——不同摻砂量下水泥砂漿固化土的強度.

根據(jù)式(1)對圖1中各數(shù)據(jù)進行計算，得到摻砂量對水泥砂漿固化土強度的貢獻率，如圖2所示.

圖2 摻砂量對水泥砂漿固化土抗壓強度的貢獻程度Fig.2 Contribution rate of sand content to compressivestrength

圖2更直觀地說明砂料的摻入可以提高水泥砂漿固化土的強度.總體而言，水泥砂漿固化土較相應(yīng)的水泥土強度提高約20%.當摻砂量為最優(yōu)摻砂量時水泥砂漿固化土的強度提高幅度最大;當摻砂量小于最優(yōu)摻砂量時，隨著摻砂量的增加，摻砂量對水泥砂漿固化土強度增加的貢獻率不斷增大;當摻砂量超過最優(yōu)摻砂量時，其對水泥砂漿固化土強度增加的貢獻率有所降低，摻砂量的增加并沒有引起水泥砂漿固化土強度的進一步提高.因此，單純地依靠提高摻砂量來改善水泥土的強度特性是不經(jīng)濟、不科學(xué)的.

特別需要指出的是，當齡期較小時(如T=7d)，水泥砂漿固化土的強度在水泥摻入質(zhì)量分數(shù)為10%時比相應(yīng)水泥土的強度約高100%，在水泥摻入比為15%時比相應(yīng)水泥土的強度約高40%.因此，在水泥土中摻入一定量的砂料可以顯著提高水泥砂漿固化土的早期強度，從而在一定程度上縮短地基處理的工程進度.

為進一步研究摻砂量對水泥砂漿固化土強度特性的影響，根據(jù)強度試驗結(jié)果，計算了各摻砂量時試樣的屈服應(yīng)力，其隨摻砂量的變化關(guān)系如圖3所示.從圖3中可以看出，隨著摻砂量的增加，水泥砂漿固化土的屈服應(yīng)力不斷增加，當摻砂量增至最優(yōu)摻砂量(10%)時，水泥砂漿固化土的屈服應(yīng)力最大.之后隨著摻砂量的增加，水泥砂漿固化土的屈服應(yīng)力緩慢降低，當摻砂量增至45%～60%時試樣的屈服應(yīng)力又有所回升.此外，試驗發(fā)現(xiàn)水泥砂漿固化土的屈服應(yīng)力與其強度成正比關(guān)系，如圖4所示.在水泥砂漿固化土的實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)圖4中擬合的關(guān)系式估算水泥砂漿固化土的屈服應(yīng)力.

圖3 水泥砂漿固化土屈服應(yīng)力q y與摻砂量的關(guān)系Fig.3 Relationship between yield stress(q y)and sand content

圖4 水泥砂漿固化土屈服應(yīng)力與抗壓強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between yield stress and compressive strength

根據(jù)不同齡期不同摻砂量的屈服應(yīng)力計算了相應(yīng)的彈性模量，如圖5所示.各齡期隨著摻砂量的增加，總體上水泥砂漿固化土的彈性模量呈2個階段變化:當摻砂量小于最優(yōu)摻量時水泥砂漿固化土的彈性模量顯著增加，體現(xiàn)出砂料改善水泥土強度與變形特性的優(yōu)越性能;當摻砂量超過最優(yōu)摻量后，水泥砂漿固化土的彈性模量迅速回落，這種趨勢在齡期較大時更加明顯;當摻砂量超過30%以后，水泥砂漿固化土的彈性模量基本保持不變.

在試驗過程中，加載初期觀察到明顯的壓密過程，受試驗條件以及試驗環(huán)境的影響，加之水泥砂漿固化土拌和均勻性的差異，對于上述屈服應(yīng)力以及彈性模量與摻砂量之間的相互關(guān)系以及摻砂量的影響機理，還有待于進一步研究，但可以肯定的是，對于軟土地基，采用水泥固化時摻入適量的砂料(如最優(yōu)摻砂量)，可在一定程度上提高軟土的處理效果，在最優(yōu)摻砂量下其改善效果最優(yōu).

圖5 水泥砂漿固化土彈性模量E s與摻砂量的關(guān)系Fig.5 Relationship between E s and sand content

2.2 原料土含水率對水泥砂漿固化土的影響

一般情況下，軟弱地基天然含水率在40%～70%之間，高者可達100%.原料土的含水率是影響水泥土物理力學(xué)性能的一個重要因素，這一事實已為眾多的研究和工程實踐所證實.對于水泥砂漿固化土，原料土含水率同樣是影響其強度的一個重要因素.圖6為摻入水泥及砂質(zhì)量分數(shù)均為15%原料土含水率變化對水泥砂漿固化土強度的影響情況.

由圖6可知，隨著原料土含水率的增加，水泥砂漿固化土的抗壓強度逐漸減小，二者可用乘冪函數(shù)擬合:

式中:w ——含水率;a，b——系數(shù).

T=14d時擬合函數(shù) qu=0.7721w-0.5942，R2=0.9858;T=28d時擬合函數(shù) qu=0.461 5w-0.6023，R2=0.9122.從擬合效果來看，相關(guān)系數(shù)均超過0.9，因此可以用式(2)表征一定摻砂量和水泥摻入比下，水泥砂漿固化土強度與原料土含水率的關(guān)系.

圖6 原料土含水率與水泥砂漿固化土抗壓強度的關(guān)系Fig.6 Relationship between water content in raw soil and compressive strength

詳細來看，養(yǎng)護齡期較短(T=14d)、含水率從47.5%增加至56%時水泥砂漿固化土的抗壓強度降低超過40%，含水率從56%增加至65%時水泥砂漿固化土的抗壓強度降低不足10%;養(yǎng)護齡期較長(T=28d)、含水量率從47.5%增加至56%以及從56%增加至65%時，水泥砂漿固化土的抗壓強度依次遞減約30%.分析結(jié)果表明，水泥砂漿固化土的抗壓強度與原料土含水率有較大的相關(guān)性，總體而言，水泥砂漿固化土的抗壓強度隨原料土含水率的增加而減小，當原料土含水率較低或養(yǎng)護齡期較短時水泥砂漿固化土的抗壓強度下降幅度均較大，當含水率較高時水泥土摻砂難以達到預(yù)期的固化效果.

2.3 砂料粒徑對水泥砂漿固化土的影響

試驗采用的砂料為 ISO 標準砂 ，組成如下 :粒徑為 2000μm ，1600μm ，1000μm，500μm，160μm，80μm，相應(yīng)的篩余分別為0%，(7±4)%，(33±4)%，(67±4)%，(87±4)，(99±1)%.ISO 砂的粒徑組成較為豐富，但粒徑大于0.08mm的占99%以上.砂料的摻入改變了原料土的粒徑組分，水泥砂漿固化土的顆粒分析試驗如圖7所示.

圖7 ISO砂摻量粒徑不同時水泥砂漿固化土的粒徑組成Fig.7 Gradation composition of stabilized soil with ISO standard sand with different grain diameters

由圖7可知，隨著ISO砂摻砂量的增加，水泥砂漿固化土的粒徑組成越來越不均勻.計算結(jié)果表明，不均勻系數(shù)隨摻砂量呈正比增加，而級配系數(shù)基本保持不變.該結(jié)果進一步證明砂料在水泥砂漿固化土中的骨架作用和置換作用(大模量置換小模量物質(zhì))是改善水泥土物理力學(xué)性質(zhì)的重要原因之一.當摻砂量不變而砂料粒徑變化時，主要表現(xiàn)出單一粒徑與ISO砂之間的差異，摻入單一粒徑砂料時水泥砂漿固化土顆粒級配相對較為均勻.

表1為砂料粒徑變化對水泥砂漿固化土抗壓強度及變形系數(shù) E50的影響情況，其中 T=28d，w=47.5%，a w=15%，a s=15%.根據(jù)表1分析可以得出:(a)砂料粒徑變化對水泥砂漿固化土的抗壓強度影響不大，隨著摻入砂料粒徑的增大，水泥砂漿固化土的抗壓強度略有增加;(b)隨著砂料粒徑的增加，水泥砂漿固化土變形系數(shù)呈線性增加，采用ISO砂料時水泥砂漿固化土的變形系數(shù)約為采用0.5～1mm單一粒徑砂料時的90%.綜合來看，雖然砂料粒徑對水泥砂漿固化土的強度特性影響較小，但是對水泥砂漿固化土的變形特性影響相對較大.同時可以看出，采用ISO砂料時水泥砂漿固化土的變形系數(shù)與采用大粒徑砂料時相差無幾，據(jù)此可以推斷在實際工程中，無需對砂料進行篩分而直接應(yīng)用即可獲得較好的處理效果.

2.4 水泥砂漿固化土破壞形式與機理分析

分析總結(jié)所有試樣的破壞形式，結(jié)果表明無側(cè)限抗壓強度試驗的破壞模式多為脆性張裂破壞和塑性剪切破壞，典型破壞情況如圖8(a)所示.隨著齡期的延長以及摻砂量的增加，崩潰型破壞更為顯著，塑性滑移痕跡不明顯，典型破壞情況如圖8(b)所示.

水泥砂漿固化土屬于一種多相體(固相、液相、氣相、收縮膜)的非飽和土，通過水泥的水解、水化和硬凝作用，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鈣、鋁酸鈣等水化物，將土顆粒、砂顆粒相互膠結(jié)，在這個過程中消耗了較多的水分，水膜不斷變薄，基質(zhì)吸力不斷增大，遺留的孔隙中充滿了結(jié)晶物，從而造就了水泥砂漿固化土具有好的整體性和密實性.在加載過程中，水泥砂漿固化土中薄弱的膠結(jié)聯(lián)結(jié)最先發(fā)生斷裂破壞，隨著變形的增大，破壞逐漸貫通，產(chǎn)生局部裂縫;當超過一定的應(yīng)力水平后，裂隙沿著薄弱聯(lián)結(jié)面不斷發(fā)展，膠結(jié)聯(lián)結(jié)不斷地斷裂破壞并貫通，發(fā)生塑性流動破壞，最終在宏觀上表現(xiàn)為完全貫通的裂隙.當沒有圍壓或者圍壓較小時，發(fā)生脆性張裂破壞和塑性剪切破壞.隨著齡期延長以及摻砂量的增加，脆性張裂破壞更為顯著.

表1 不同砂料粒徑的抗壓強度與變形系數(shù)E 50Table 1 Values of q u and E50 with different grain diameters

圖8 水泥砂漿固化土的破壞形式Fig.8 Failure forms of soils stabilized by cement mortar

3 結(jié) 論

a.摻砂可提高水泥砂漿固化土的強度，尤其是早期強度.在一定水泥摻入比條件下，當摻砂量處于最優(yōu)摻砂率(10%左右)時水泥砂漿固化土的強度特性改善幅度最大，摻砂量超過最優(yōu)摻砂率后水泥砂漿固化土的抗壓強度無顯著提高.

b.水泥砂漿固化土的抗壓強度隨原料土含水率的增加而減小，當原料土的含水率較低或養(yǎng)護齡期較短時，水泥砂漿固化土的抗壓強度下降幅度均較大;當原料土的含水率較高時，水泥土摻砂難以達到預(yù)期的固化效果.

c.砂料粒徑變化對水泥砂漿固化土的抗壓強度影響較小，隨著砂料粒徑的增大，水泥砂漿固化土的抗壓強度略有提高;砂料粒徑變化對水泥砂漿固化土變形系數(shù)的影響較大，兩近似成正比關(guān)系.在實際工程中無需對砂料進行篩分而直接應(yīng)用即可獲得較好的處理效果.

d.水泥砂漿固化土無側(cè)限抗壓強度試驗的破壞模式多為脆性張裂破壞和塑性剪切破壞.隨著齡期的延長以及摻砂量的增加，脆性張裂破壞更為顯著.

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