水泥-粘土復(fù)合粉混合砂漿早期強(qiáng)度研究

陳歡 劉飛 張健 程陽 何國順 王延磊

摘 要：本文利用室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)水泥-粘土復(fù)合粉混合砂漿早期強(qiáng)度進(jìn)行研究，對(duì)不同齡期、摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響進(jìn)行分析，得到材料應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，得到合適水泥土配比。通過分析試驗(yàn)結(jié)果表示，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在齡期不斷增長過程中不斷的增大，養(yǎng)護(hù)齡期為7～21d時(shí)候的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速增長。添加水泥能夠?qū)ν馏w性能進(jìn)行改善，并且在水泥摻量增長過程中增加。添加適量的粘土，此混合砂漿材料能夠在注漿加固工程中使用。

關(guān)鍵詞：水泥;粘土;砂漿;混合砂漿

中圖分類號(hào)：TB33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）10-0094-04

Study on Early Strength of Cement - clay Composite Powder Mixed Mortar

Chen Huan， Liu Fei， Zhang Jian， Cheng Yang， He Guoshun， Wang Yanlei

（School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China ）

Abstract：In this paper， using the laboratory test， the early strength of cement-clay composite powder mixed mortar was studied， the influence of different ages and dosage on the strength of cement soil was analyzed， the stress-strain curve of the whole process of the material was obtained， and the appropriate cement soil ratio was obtained. According to the analysis of the test results， the unconfined compressive strength of cement soil increases continuously in the process of increasing age， and the unconfined compressive strength increases rapidly when the curing age is 7～21d. The addition of cement can improve the properties of soil and increase with the increase of cement content. Adding proper amount of clay， the slurry material can be used in the grouting reinforcement project.

Key words：cement ; clay ; mortar ; mixed mortar

水泥粘土混合砂漿的成本較低，并且具有良好的抗震性能，被廣泛應(yīng)用到堤防、垃圾填埋、礦山等工程中，很少在水利工程中使用，都認(rèn)為砂漿結(jié)石的強(qiáng)度無法滿足需求，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此方面也進(jìn)行了研究[1]。中國學(xué)者分析了粘土水泥固化漿材中固化劑含量、水泥摻量等因素，得到強(qiáng)度和水泥摻入比、齡期的關(guān)系曲線;國外學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)得到在一定水灰比，水泥強(qiáng)度在水固比降低過程中增加。傳統(tǒng)漿材結(jié)石強(qiáng)度指標(biāo)都是通過自然養(yǎng)護(hù)得到的，組分材料的齡期、試驗(yàn)樣本的尺寸會(huì)影響到強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于水泥土研究比較多，粘土水泥漿材強(qiáng)度研究成果比較少[2]。因此，本文對(duì)水泥粘土混合砂漿的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 影響水泥粘土混合砂漿強(qiáng)度的因素

在對(duì)水泥土加固進(jìn)行研究中，國內(nèi)外學(xué)者研究表示：第1種，水泥水化作用。通過鐵鋁酸四鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣實(shí)現(xiàn)水化反應(yīng)，構(gòu)成較強(qiáng)的水化鐵酸鈣凝膠、水化硅酸鈣的晶體。第2種，為水泥水化物和粘土顆粒的作用，也就是水泥水化物和粘土顆粒出現(xiàn)反應(yīng)，利用團(tuán)?；土Ｗ咏粨Q作用使小土顆粒構(gòu)成大土團(tuán)粒。其次，氯氧化鈣和粘土中活性成分進(jìn)行反應(yīng)，從而構(gòu)成不溶于水的結(jié)晶物，提高水泥土的強(qiáng)度。

1.1 齡期

水泥水化過程長，在齡期增加時(shí)會(huì)提高強(qiáng)度。后期強(qiáng)度增長慢，90d之后水泥強(qiáng)度隨著時(shí)間的增長其強(qiáng)度變化較小。粘土水泥漿材水化早期，水泥水化膠凝顆粒構(gòu)成骨架，包裹粘土顆粒和沒有水化水泥顆粒，迅速增強(qiáng)。在骨架網(wǎng)創(chuàng)建后，水化產(chǎn)物對(duì)骨架網(wǎng)孔隙填充，強(qiáng)度增長速度比較慢。

1.2 水灰比

水灰比大小會(huì)對(duì)粘土水泥漿抗壓強(qiáng)度造成影響，水灰比為0.38時(shí)水泥水化，水灰比越小，強(qiáng)度就會(huì)越高，但是如果太小就會(huì)降低可泵性。在水灰比比較大時(shí)，由于漿液并沒有參與到水化反應(yīng)中，水會(huì)使固體顆粒凝聚力得到降低，并且降低其強(qiáng)度[3]。

1.3 外加劑

添加外加劑能夠使?jié){液性能改善，對(duì)早期強(qiáng)度進(jìn)行控制，對(duì)結(jié)石強(qiáng)度造成影響。

1.4 粘土加量

粘土水泥漿添加的粘土量會(huì)影響到結(jié)石強(qiáng)度，如果量太多會(huì)降低強(qiáng)度，如果量太少無法展現(xiàn)粘土優(yōu)勢(shì)。所以，就要尋找最佳的配比。

1.5 結(jié)石成型條件

常規(guī)結(jié)石強(qiáng)度試件都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)靜置成型，真實(shí)地層灌漿時(shí)的漿液構(gòu)成結(jié)石體成型條件為地層深度、灌漿壓力、地下水因素、孔隙特征等。在灌漿壓力下，漿液壓濾作用會(huì)提高結(jié)石強(qiáng)度。

1.6 強(qiáng)度測試方法

中國研究人員對(duì)水泥漿結(jié)石開展抗壓試驗(yàn)，對(duì)不同測試方法對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果影響進(jìn)行分析，在試件和壓力機(jī)接觸面涂油，從而降低環(huán)箍作用，涂油強(qiáng)度比較高。在實(shí)際注漿過程中，會(huì)受到圍巖壓力作用，那么單軸抗壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保守[4]。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

使用上海奉賢區(qū)粉質(zhì)粘土，C42.5普通硅酸鹽水泥作為本文試驗(yàn)時(shí)材料。試驗(yàn)用土主要指標(biāo)如表1所示，表2為試驗(yàn)用土離子鑒定。

2.2 試驗(yàn)分析

（1）水泥摻入比。水泥摻入比aw=水泥質(zhì)量/被加固土體質(zhì)量，因?yàn)橹袊?guī)范表示，水泥土攪拌法使用水泥摻入比在7%以上。

（2）拌和用水量。本文利用大拌和涌水量使水泥能夠充分水化，試驗(yàn)用土的含水量為65%，之后稱取水泥，以水和水泥1∶2攪拌制作土樣。

2.3 制作試件

試件尺寸：高和直徑分別為80、39.1mm，試件成型24h后拆模，通過塑料薄膜密封在水里養(yǎng)護(hù)，對(duì)7、14和28d的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定。在試驗(yàn)時(shí)以不同摻入比進(jìn)行，對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測量，試件結(jié)果為平均值[5]。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 水泥摻量

齡期相同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線詳如圖1所示，說明相同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)水泥產(chǎn)量增加會(huì)加大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但是并不存在線性關(guān)系。強(qiáng)度值在部分摻量下具有波動(dòng)，水泥強(qiáng)度會(huì)有所降低。比如工齡期21d，摻量為15%的時(shí)候強(qiáng)度為6.73MPa，比其他水泥含量的強(qiáng)度要高。在25%摻量過程中的強(qiáng)度在不斷提高，摻量為35%時(shí)候的最大值為11.13MPa。但是為20%水泥強(qiáng)度時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的變化而變化。在短齡期中，水泥土強(qiáng)度并不會(huì)改變，并且加固效果一般。在3d齡期時(shí)候，能夠提高強(qiáng)度最大值，強(qiáng)度提高率比14d齡期要高。假如縮短養(yǎng)護(hù)齡期，水泥自身水解水化反應(yīng)并不明顯，無法將其加固作用充分的展現(xiàn)出來。一般，利用技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)水泥摻入比進(jìn)行確定，在水泥土為規(guī)定強(qiáng)度的時(shí)候，取最低水泥摻入比。在本文試驗(yàn)時(shí)設(shè)置15%的水泥產(chǎn)量，具有較大的強(qiáng)度值。隨著齡期的持續(xù)延長，提高其強(qiáng)度[6]。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期

不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線詳如圖2所示，有20%摻量以上的水泥土養(yǎng)護(hù)齡期3d的抗壓強(qiáng)度為21d的32%～64%，增加了7～21d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。以此表示，有20%摻量以上的水泥土后期強(qiáng)度持續(xù)增加。除了15%水泥摻量，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷降低，提高21d齡期強(qiáng)度，降低水泥摻量。那么可以看出來，如果水泥產(chǎn)量小，也降低了參與到21d齡期的強(qiáng)度，分布比較分散，即便是長齡期的強(qiáng)度提高并不明顯。

3.3 水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，水泥摻量水泥土單軸受壓條件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系詳如圖3所示。在第1階段，應(yīng)力增加中，水泥土逐漸硬化，具有明顯的直線段;在第2階段中，曲線不斷上升，增長速度加快接近峰值;在第3階段中，降低了水泥應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，而且還具有反彎點(diǎn)，說明已經(jīng)破壞了試樣。增加水泥摻量能夠促進(jìn)應(yīng)力衰減速度，水泥土應(yīng)力值在峰值就會(huì)軟化;在第4階段中，假如應(yīng)力不改變，應(yīng)變?cè)黾樱嚰苄宰冃伪容^大[7]。

通過圖3可以看出來，同個(gè)齡期存在不同的水泥摻量，應(yīng)力應(yīng)變曲線并沒有太大的變化幅度，表示水泥摻量會(huì)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線造成影響，曲線直線段斜率也在不斷的增加，提高了峰值強(qiáng)度。破壞時(shí)下降段比較陡，峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)應(yīng)變值不斷降低，材料性能比較脆。以此可以看出來，隨著水泥土的水泥產(chǎn)量增加，水泥土也會(huì)越來越脆。

3.4 粒徑影響

配比相同時(shí)，砂的粒徑會(huì)影響到水泥砂漿。水泥砂漿強(qiáng)度在砂的粒徑不斷增加的過程中而增加，由于相同配比試驗(yàn)中砂的粒徑比較小，會(huì)降低砂的強(qiáng)度。另外，粒徑越小會(huì)擴(kuò)大砂的表面積，增加砂漿游離水。在水泥硬化時(shí)，水分蒸發(fā)后砂漿存在微小的孔隙，使砂漿密實(shí)度得到增加，使抗壓、抗折強(qiáng)度得到降低，表3為粒徑和強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表。

4 試驗(yàn)分析

水泥土材料價(jià)格比較低，來源比較廣泛，為社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益都比較高的建筑工程材料，在防滲堵漏、地基加固、軟土路基加固和渠道防滲等方面使用。但是水泥土的強(qiáng)度比較低，后期變形比較大，所以限制了水泥土的使用。目前，大量學(xué)者在水泥土中添加外加劑，使水泥土結(jié)構(gòu)改變，從而改善水泥土變形性能和力學(xué)性能。

水泥-粘土混合砂漿強(qiáng)度是指單位面積中外力，水泥強(qiáng)度能夠衡量水泥性能。水泥強(qiáng)度屬于混凝土主要膠結(jié)材料，能夠?qū)⑺嗄z結(jié)能力充分的展現(xiàn)出來。通過抗壓、抗折、抗拉的強(qiáng)度對(duì)水泥強(qiáng)度進(jìn)行表示，也是水泥主要的物理力學(xué)性能。水泥抗壓強(qiáng)度是指水泥硬化膠砂實(shí)體在破壞承受壓縮時(shí)最大應(yīng)力;抗折強(qiáng)度為彎曲破壞過程中，水泥硬化膠砂體最大應(yīng)力;水泥抗壓強(qiáng)度拉伸破壞的時(shí)候，水泥膠砂硬化應(yīng)力比較大。水泥抗壓強(qiáng)度為抗折強(qiáng)度10～20倍。水泥抗壓強(qiáng)度為水泥性能主要指標(biāo)，所以國內(nèi)外對(duì)于水泥性能研究就是水泥抗壓強(qiáng)度預(yù)測研究。在水泥強(qiáng)度預(yù)測中，國內(nèi)外大量研究了相應(yīng)測定方法，提出了沸水法、化學(xué)法、統(tǒng)計(jì)法等方法。

硬試件測定法是基于常溫養(yǎng)護(hù)條件下，利用小試件、凈漿、小水灰比等手段，能夠快速增強(qiáng)，水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度關(guān)系著凈漿快速強(qiáng)度換算。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)理統(tǒng)計(jì)一元線性回歸方法預(yù)測，操作比較靈活簡單，在大中型水泥生產(chǎn)廠中使用[8]。

5 結(jié)論

目前混合砂漿配合比和砂漿質(zhì)量控制的基礎(chǔ)為試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d試壓強(qiáng)度，在施工生產(chǎn)時(shí)會(huì)長時(shí)間等待，從而影響了工期。所以，本文分析早齡期試壓強(qiáng)度，提出施工過程中的混合砂漿比使用。利用本文試驗(yàn)表示，得出不同時(shí)間段的強(qiáng)度，使指數(shù)方程強(qiáng)度關(guān)系式得到滿足，并且精準(zhǔn)度比較高;具有較強(qiáng)的適用性，所以配置混合砂漿具有穩(wěn)定的性能，使配合比設(shè)計(jì)齡期得到縮短，對(duì)工程實(shí)踐提供了相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，保證工程質(zhì)量，使施工進(jìn)度得到加快。

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