閩南水泥土電阻率特性的試驗研究

常方強，涂帆

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建廈門 361021)

水泥土是采用攪拌機械將水泥與原位土體強制拌和，通過水泥與土之間發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使原位土體變成具有高強度、低壓縮性和低滲透性的水泥穩(wěn)定土［1］.水泥土工程特性的試驗研究已有不少［2－4］，某些性質(zhì)與電阻率具有一定關(guān)系，測試出水泥土的電阻率，可間接求得其力學(xué)指標(biāo)，免去復(fù)雜的力學(xué)測試工作.此外，電阻率測試又是一種無損檢測，具有經(jīng)濟、快捷的特點.不少學(xué)者進行了有關(guān)土體電阻率特性的研究［5－6］，文獻［7］針對水泥土電阻率計算模型，從微觀和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物角度提出了原模型的不足，并且進行了修正.水泥土電阻率影響因素較多，某一地區(qū)的水泥土電阻率具有一定共性，本研究測試泉州地區(qū)若干土體形成的水泥土電阻率特性，分析其與物理力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系，并建立電阻率計算模型.

1 水泥土電阻率測試原理

水泥土電阻率計算模型如圖1所示，計算公式［7－9］為:

式中:ρsg為水泥土電阻率;ρsgs為串聯(lián)模型水泥土電阻率;ρsgp為并聯(lián)水泥土電阻率;σ為水泥土中并聯(lián)模型所占比例;ρg為水泥電阻率;λ為水泥摻量;n為孔隙率;α為水泥所占孔隙中的體積比.

利用高精度電阻箱測試水泥土電阻率.對水泥土樣兩端直接供電，以中間電位測量的方式進行量測，示意圖見圖2.

水泥土電阻率由下式計算:

式中:ΔU為測量段電位差;I為供電電流;L為測量段水泥土樣長度;S為水泥土樣的截面積.

式中:d為土樣直徑.

圖1 水泥土電阻率計算模型Fig.1 Electrical resistivity model of cement－ soil

圖2 水泥土樣電阻率測試裝置圖Fig.2 Electrical resistivity device for cement－ soil sample

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗用土體取自泉州市洛江區(qū)某工地，土體自地表向下依次為:粉質(zhì)粘土層，0～2.2 m，黃褐色，可塑;淤泥，2.2～9.8 m，灰黑色，流塑;粉砂，9.8～11.3 m;花崗巖基巖，深度未揭穿.各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)匯總于表1中.

表1 試驗土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of soil in test

2.2 試樣制備

將一定量的水泥漿(水灰比為1∶0.5)與現(xiàn)場取回的土體充分混合，水泥摻入量(m)分別為5%、10%、15%和20%，并攪拌均勻，然后裝入PVC管模，管模直徑為4.5 cm，高度為9.0 cm.2 d后脫模，測其密度后，將試樣裝入塑料袋密封，放入養(yǎng)護室內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期分別為7、14、21和28 d，至一定齡期時，采用高精度電阻箱測試水泥土電阻率;采用萬能試驗機對試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，測試其極限抗壓強度.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水泥土電阻率與齡期的關(guān)系

隨著水泥與土體水化反應(yīng)時間的持續(xù)，水化產(chǎn)物與膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，團?；饔弥饾u增強，結(jié)構(gòu)密實，其導(dǎo)電性降低，電阻率增大.對于淤泥制作的水泥土，其電阻率與齡期的關(guān)系見圖3.從圖3可以看出，各摻量的水泥土電阻率(ρ)均隨齡期(t)增長而逐漸增大，兩者近似線性關(guān)系，28 d齡期電阻率約是7 d時的1.6～1.8倍.

3.2 水泥土電阻率與水泥摻量的關(guān)系

水泥土中水泥摻量越大，水泥的水化反應(yīng)越強烈，產(chǎn)生的硅酸鈣管狀纖維就越多，充斥于水泥土中的孔隙內(nèi)，孔隙比減小，密實度增大，導(dǎo)電性降低，水泥土的電阻率增大.同樣，對于淤泥制作的水泥土，其電阻率(ρ)與水泥摻量(m)的關(guān)系見圖4.可以看出，水泥土電阻率均隨水泥摻量的增大而逐漸增大，兩者也近似線性關(guān)系.

圖3 水泥土電阻率與齡期的關(guān)系Fig.3 Relationship between electrical resistivity and age of cement－soil

圖4 水泥土電阻率與水泥摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between electrical resistivity and cement content of cement－soil

3.3 水泥土電阻率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

試驗中，水泥土無側(cè)限抗壓強度越大，水化反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸鈣膠結(jié)物質(zhì)越多，固體顆粒間的連接就越緊密，孔隙比變小，導(dǎo)電性整體變差，水泥土電阻率增大.水泥土無側(cè)限抗壓強度(P)與電阻率(ρ)的關(guān)系見圖5.可以看出，電阻率基本上隨著無側(cè)限抗壓強度增大而增大，兩者近似指數(shù)關(guān)系.

3.4 水泥土電阻率與土體類別的關(guān)系

由淤泥、粉質(zhì)粘土和粉砂三種土體制備的水泥土電阻率測試結(jié)果見圖5.可以看出，用淤泥制備的水泥土電阻率最小，粉質(zhì)粘土的居中，粉砂的最大.這是因為三種土體中，淤泥的含水量最高，經(jīng)與水泥漿混合后，其制作的水泥土含水量也最大，導(dǎo)電性最強，電阻率最小;粉砂的含水量最低，其制作的水泥土電阻率最大，表明土體含水量的高低對水泥土電阻率影響較大.

圖5 水泥土電阻率與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between electrical resistivity and unconfined strength of cement－soil

4 水泥土電阻率計算模型的建立

由淤泥制作的水泥土電阻率與齡期和水泥摻量的試驗結(jié)果，經(jīng)回歸得到電阻率計算公式:

式中:t為齡期，d;m為水泥摻量，%.

為檢測計算精度，取計算誤差= 計算值－實測值 ×100%.求得計算誤差位于1.9% ～11.3%，平均誤差為5.9%.可見計算誤差較小，計算精度能夠滿足一般工程要求.

水泥土強度是水泥土工程中重要參數(shù)之一，電阻率測試要比強度測試簡單得多，且是無損測試，因此，可以通過測試水泥土電阻率，間接換算為水泥土強度，根據(jù)測試結(jié)果(圖5所示)，得到由淤泥、粉質(zhì)粘土和粉砂制備的水泥土強度用電阻率表示的公式分別為:

淤泥水泥土:

粉質(zhì)粘土水泥土:

粉砂水泥土:

5 結(jié)語

1)水泥土電阻率隨齡期、水泥摻量和強度的增大而增大，并且淤泥、粉質(zhì)粘土和粉砂制備的水泥土電阻率依次增大，土體含水量的高低對水泥土電阻率影響較大.

2)建立的水泥土電阻率計算公式可以計算不同齡期和不同摻量時水泥土電阻率值，進一步換算得到水泥土無側(cè)限抗壓強度值.

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