水泥固化淤泥質土的強度與壓縮特性研究

謝祖芬

（壘智設計集團有限公司福州分公司 福建福州 350001）

0 引言

淤泥質土在我國東南沿海及內陸湖泊、河流沿岸多有分布，具有含水率高、孔隙率大、有機質含量高、壓縮性大、強度低的特點，是工程建設中常見的不良土質，處理難度大、成本高、周期長［1-2］。諸多學者對淤泥質土的研究中取得了較多成果，對淤泥質土的強度、變形、電導率、滲透性等有了較為全面的認識。為了減少淤泥質土的工程危害，提升我國建設工程的技術水平，對于淤泥質土的加固研究就成為熱點［3-5］。

淤泥質土的加固措施主要分為2 種：①不在土中添加任何化學物質，采用拋填砂石、真空預壓、排水固結等措施加固土體；②在土中加入生物酶、液態(tài)固化劑和固體膠凝材料等措施，利用化學反應生成的凝膠物質加固土體。這兩種措施對于固化淤泥質土起到了積極作用，有各自的優(yōu)勢和短板［6-9］。為了更好地解決福州某工地淤泥質土引起的工程問題，本文選用水泥作為加固材料，從強度和壓縮特性分析水泥固化淤泥質土的作用效果，并利用掃描電鏡試驗從微觀分析水泥固化淤泥質土的機理，為更好進行下步工序提供依據(jù)。

1 試驗方案

試驗用土取自福州某項目基坑開挖工地，經(jīng)過實驗室測定其基本物理指標見表1。試驗過程中將淤泥質土在105 ℃～120 ℃的烘箱內烘烤8 h，去除淤泥質土中的水分，隨后用橡膠錘將淤泥質土敲碎并過2 mm 篩，去掉土中貝殼、砂礫等雜質。

表1 淤泥質土的物理指標

按照水泥與干土的質量比重定義水泥含量，水泥含量分別按照6%、12%、18%、24%和30%添加，試驗用普通硅酸鹽水泥P32.5，試樣含水率為天然含水率，制樣完成后用保鮮膜密封。為了探究不同養(yǎng)護齡期下水泥固化淤泥質土的效果，將試樣養(yǎng)護3 d、7 d、14 d 和28 d 后進行無側限抗壓強度試驗、壓縮試驗和掃描電鏡試驗。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度試驗分析

本次試驗選用的是SJ-1A 型應變控制三軸試驗機，在不施加軸向圍壓時進行試驗，應變控制速度為0.2 mm/min，每變形0.2 mm 讀取數(shù)據(jù)1 次，繪制應力應變曲線，對于有明顯峰值點的取峰值為無側限抗壓強度值qu，對于沒有明顯峰值點的取應變?yōu)?0%對應的值為無側限抗壓強度值qu。繪制出5種不同水泥摻量，在不同養(yǎng)護齡期下的無側限抗壓強度發(fā)展曲線如圖1。

圖1 養(yǎng)護齡期對無側限抗壓強度的影響

由圖1 可知，水泥固化淤泥質土的無側限抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長強度逐漸增長，前14 d 強度增長量在162 kPa～292 kPa 之間，而后繼續(xù)養(yǎng)護14 d 至齡期28 d 時強度增長量在55 kPa 左右，前14 d 強度增長值占總強度發(fā)展值的78%～85%之間，水泥對于淤泥質土的固化作用主要集中在養(yǎng)護齡期14 d 以前；隨著摻入水泥含量的增大淤泥質土的強度也逐步提高，5 種水泥含量的淤泥質土在不同養(yǎng)護齡期下的強度增長幅度表現(xiàn)出一定差異，即制樣完成后直接進行試驗的土體強度基本沒有差異，養(yǎng)護齡期分別為3 d、7 d、14 d 和28 d 的5 種水泥含量試樣強度最大差值為37 kPa、109 kPa、136 kPa 和138 kPa，總體呈現(xiàn)養(yǎng)護齡期越長不同水泥含量的固化土強度差異越明顯的趨勢；水泥含量為24%和30%的固化淤泥質土在各齡期下的強度值較為接近，其試驗過程中的應力應變曲線也基本一致，試樣破壞形態(tài)近似。

水泥對于淤泥質土的固化作用取決于水泥水化產物對土中顆粒的膠結作用，在前14 d 絕大部分活性水泥已經(jīng)水化，生成的水化產物也較多，凝結硬化后強度提高顯著，而后時段內的少量惰性水泥才逐步水化，使水泥對于淤泥質土的固化作用主要集中在前14 d，施工過程中可以根據(jù)水泥固化土的這一特性結合工程需要適當提前進行下部工序做業(yè)。水泥含量的增加有助于固化土強度的增長，試驗中30%與24%水泥含量的固化淤泥質土性質接近，分析認為是在有限含水量的情況下水泥含量的增加會使部分水泥無法充分進行水化反應，多余的水泥以顆粒形式存在于土體之間，對于土體強度的增長沒有明顯作用。因此，在施工過程中需要根據(jù)試驗科學確定淤泥質土的水泥添加量，減少材料浪費。

2.2 側限壓縮試驗分析

側限壓縮試驗選用的是三聯(lián)固結壓縮儀，試驗壓力從25 kPa～1 600 kPa，共8 個壓力值，每級壓力下2 h 沉降變形小于0.01 mm 時即認為變形穩(wěn)定，記錄每級壓力下試樣的最終沉降量（s），并開始下級荷載施壓，繪制出養(yǎng)護7 d 和14 d 齡期下不同水泥含量的淤泥質土在各級壓力下的沉降量曲線，如圖2。

由圖2 可知，土體沉降量隨著上覆壓力的增加逐漸增大，水泥對抑制土體沉降具有一定作用，從整體的壓力—沉降變化曲線上看，壓力是影響沉降的主要因素；各水泥含量下的壓力-沉降曲線變化趨勢一致，但存在一定差別，水泥含量為24%和30%的固化淤泥質土壓縮曲線較為接近，且在壓力小于300 kPa 時沉降曲線較為平緩，在隨后壓力下沉降曲線變陡，其余水泥含量的土體沉降曲線沒有明顯轉折點，養(yǎng)護齡期為7 d和14 d 的各水泥含量下土體沉降曲線組成分別呈條帶狀和月牙形分布。

圖2 各水泥含量下的沉降曲線

淤泥質土的含水率和孔隙率較一般土大，壓縮過程就是排除土中空氣和水的過程。水泥的加入會與土中的水發(fā)生水化反應，水泥漿包裹在土顆粒周圍，凝結硬化后增強土顆粒之間的膠結作用，并形成土體骨架。隨著養(yǎng)護齡期的增長，這種固化作用逐漸增強，對于外界荷載作用下的變形有一定抑制作用，當上部覆加壓力大于土體所能承受的壓力后，土體結構破壞，其變形速率增大。24%和30%水泥含量的固化淤泥質土在養(yǎng)護齡期7 d 時沉降曲線還有一定差異，養(yǎng)護至14 d 后兩者的沉降曲線基本一致。分析認為隨著養(yǎng)護齡期的增長，24%的水泥量已完全與土中水發(fā)生水化反應，增加的6%水泥量已經(jīng)沒有可供水化反應所需的水，使得此部分水泥只能以固體顆粒形式存在于土體之中，對于土體的固化作用已不明顯，在采用水泥加固淤泥質土地基過程中需要根據(jù)土中含水量情況，綜合考慮水膠比與變形沉降要求等確定最優(yōu)水泥添加量。

2.3 掃描電鏡試驗分析

掃描電鏡試驗是從微觀角度分析土體性質變化的常用手段。為了更好地探究水泥固化淤泥質土其強度和壓縮特性的變化機理，對不同水泥含量、不同養(yǎng)護齡期下的試樣進行掃描電鏡試驗，對比不同試驗條件下試樣內部結構差異，掃描圖片見圖3。

圖3 掃描電鏡圖像

由圖3 可知，掃描過程中抓取放大2 000 倍的照片，對比3 種情況下的掃描圖像可知：土顆粒表面均有水泥凝結硬化后的產物，與土中原有的膠結物質共同組成了膠結材料，強化了土體骨架，24%水泥含量的固化淤泥質土較6%水泥含量的固化淤泥質土結構更加密實，土顆粒表面附著的水化產物更多、土中孔隙更少，部分水化產物單獨凝結成細小顆粒；24%水泥含量的固化淤泥質土養(yǎng)護齡期為14 d 相比養(yǎng)護齡期為7 d 的試樣表面水化產物多，有更多的水化產物聚集在土顆粒之間，使得土顆粒表面更圓潤。正是由于水化產物的膠結作用，使得土顆粒之間的粘結力更強，土骨架承受外荷載和抵御變形的能力增強，同時水化反應還消耗了土體中的原有水分，減少了水在土顆粒之間的潤滑作用，間接增大了土顆粒之間的咬合力。水化產物的凝結加固作用與水泥水化減少水分對土顆粒的潤滑作用是水泥加固淤泥質土的主要作用機理，在淤泥質土地基處理過程中，一方面可以從增強土顆粒之間的膠結力考慮，另一方面可以從加速土中水分消耗、排泄入手，采用多種途徑協(xié)同提高淤泥質土的強度和抵抗變形的能力。

3 結論

水泥作為水硬性的凝膠材料，對于固化地基土具有一定優(yōu)勢。通過無側限抗壓強度試驗、壓縮固結試驗以及掃描電鏡試驗從不同層面考慮水泥摻量和養(yǎng)護齡期對水泥固化淤泥質土的效果和機理進行分析，得到以下5 點結論。

（1）水泥對于淤泥質土的強度提升具有顯著效果。隨著水泥含量的增大無側限抗壓強度增大，當水泥含量為30%時土體強度增長情況與24%水泥含量的土體強度基本一致，養(yǎng)護齡期越長水泥對淤泥質土的固化作用越顯著，且主要發(fā)生在前14 d 的養(yǎng)護中。

（2）水泥的加入能有效減少淤泥質土的沉降變形。隨著水泥含量的提高，固化淤泥質土在各級壓力下沉降變形逐漸減少，24%和30%水泥含量的淤泥質土的壓縮曲線在300 kPa 處有明顯轉折，此時土的結構在上覆壓力作用下破壞。

（3）掃描電鏡中發(fā)現(xiàn)水泥含量的提高能減少土中孔隙、增加土顆粒之間的膠結作用，并隨著養(yǎng)護齡期的增長這種作用更明顯。

（4）水泥加固淤泥土的作用機理主要表現(xiàn)在2 個方面：①水泥水化產物增強了土顆粒之間的膠結作用、減少了土中孔隙；②水泥水化消耗了土中原有水分，減少水對土顆粒之間的潤滑作用。

（5）淤泥質土加固過程中水泥添加量、養(yǎng)護齡期及含水率是影響其加固效果的主要因素。施工中需要根據(jù)土中水含量通過試驗確定出最優(yōu)的水泥添加量，本試驗的水泥最優(yōu)添加量為24%。