摻礦粉的水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

陳潔瑤 王飛 陳秀敏 陳甦 陳輝

摘 要：水泥土是基坑止水帷幕的基本材料，因此必須具有一定的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，而礦粉的摻入能夠改善水泥土的性能，因此，研究礦粉摻量和齡期對(duì)水泥土性能的影響對(duì)止水帷幕施工有較大的參考價(jià)值。本文選取蘇州具有代表性的粉砂夾粉土，按7種不同配合比加入水泥和礦粉，對(duì)水泥礦粉土進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)，采用不同擬合函數(shù)對(duì)水泥礦粉土實(shí)測(cè)強(qiáng)度值進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合。研究表明：在一定固化劑總摻入比（30%）和水灰比（1.5）條件下，水泥礦粉土強(qiáng)度隨齡期增加而增加、隨礦粉摻入比增加而先增加后減小，礦粉摻入比為15%時(shí)水泥礦粉土強(qiáng)度值最大，水泥礦粉土強(qiáng)度大于水泥土強(qiáng)度;水泥礦粉土滲透系數(shù)小于水泥土滲透系數(shù)，礦粉摻入比為15%時(shí)滲透系數(shù)較小;采用多項(xiàng)式擬合水泥礦粉土實(shí)測(cè)值，擬合精度較高。綜上，可以在止水帷幕施工中摻入適量的礦粉增強(qiáng)墻體的性能。

關(guān)鍵詞：水泥礦粉土;礦粉摻入比;抗壓強(qiáng)度;滲透系數(shù);預(yù)測(cè)公式

中圖分類號(hào)：TU411.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2019）05-0113-06

Abstract：Cement-soil is the basic material of foundation pit water-proof curtain， so it must have certain strength and impermeability， and the addition of mineral powder can improve the performance of cement-soil. Therefore， the study of the influence of mineral powder content and age on the performance of cement-soil has great reference value for the construction of water-proof curtain. In this paper， representative samples of silty sand with silt in Suzhou are selected， and then cement and slag powder are added according to 7 different proportions. The indoor compressive strength and permeability tests of the slag powder soil-cement are carried out. The measured strength values are fitted mathematically with different fitting functions. The results are as following： under the condition of a fixed amount of stabilizer （30%） and water cement ratio （1.5）， the strength of slag powder soil-cement increases with age; the strength increases first and then decreases with the increase of the ratio of slag powder， and reaches the maximum when the ratio of slag powder is 15%; the strength of slag powder soil-cement is greater than that of soil-cement without slag powder， while the permeability coefficient is smaller; when the ratio of slag powder is 15%， the permeability coefficient is rather small; the polynomial fitting method is used to fit the measured value of slag powder soil-cement， and the fitting accuracy is satisfactory. In conclusion， the performance of the wall can be enhanced by adding appropriate amount of mineral powder in the construction of water-proof curtain.

Keywords：Slag powder soil-cement; mixing ratio of slag powder; compressive strength; permeability coefficient; prediction formula

0 引言

水泥攪拌樁、TRD工法墻[1-4]（Trench cutting Re-mixing Deep wall）、CSM[5-6] （Cutter Soil Mixing）工法墻等常用于地基加固或基坑止水帷幕，為滿足其承載或止水要求，作為復(fù)合地基中的豎向樁體或基坑四周的止水墻體，應(yīng)具有一定的強(qiáng)度或抗?jié)B性能。水泥攪拌樁、TRD工法墻和CSM工法墻等，是通過一定的施工機(jī)具和工藝將土與水泥攪拌而形成的，樁體或墻體水泥土強(qiáng)度或抗?jié)B性能受土體與水泥性質(zhì)、水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期與方式、外摻劑種類與摻入比以及施工工藝與方法等諸多因素的影響。

陳甦等[7-8]、胡漢兵等[9]分別針對(duì)水泥有機(jī)質(zhì)土、水泥淤泥質(zhì)土、水泥粘性土和粉細(xì)砂，研究了水泥土強(qiáng)度與水泥摻入比、齡期，變形模量與強(qiáng)度以及滲透系數(shù)與水泥摻入比、齡期等的關(guān)系。黃宏偉等[10]、劉順妮等[11]、荀勇[12]、董邑寧等[13]、王文軍[14]、饒彩琴等[15]、燕仲?gòu)猍16]、龐文臺(tái)[17]以及馬曉宇[18]分別研究了摻入礦粉、石膏、ZDYT -1（固化劑）、納米礦粉、JM-HF灌漿劑、粉煤灰及復(fù)合粉煤灰、復(fù)合礦粉等各種外摻劑后的水泥土強(qiáng)度、滲透性及耐久性。雖然很多學(xué)者對(duì)水泥土力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的探討研究，并取得了很多的研究成果，但由于影響水泥土力學(xué)性能的因素眾多，因此針對(duì)不同性質(zhì)的土體，進(jìn)一步開展水泥土力學(xué)性能研究仍然十分必要。本文選取蘇州粉砂夾粉土，以水泥和礦粉作為固化劑，按不同配合比制備水泥土試樣，通過室內(nèi)試驗(yàn)，較為系統(tǒng)地研究了水泥礦粉加固土強(qiáng)度、滲透等力學(xué)性質(zhì)。

1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)所用土料為蘇州軌道交通3號(hào)線某車站施工現(xiàn)場(chǎng)④ 2層粉砂夾粉土（該土層的編號(hào)和土層性質(zhì)由本工程地鐵車站工程勘察報(bào)告中所得），該土的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

試驗(yàn)所用水泥為天山牌42.5普通硅酸鹽水泥。

試驗(yàn)選用蘇鋼集團(tuán)生產(chǎn)的礦粉，其化學(xué)成分見表2。

2 水泥礦粉土配合比設(shè)計(jì)

在混合固化劑總摻入比為30%、水灰比為1.5的前提下，改變水泥、礦粉的摻入比，設(shè)計(jì)7個(gè)不同配合比，見表3（為敘述方便，在后文中以表3中的序號(hào)表示相應(yīng)的各配合比）。

3 試驗(yàn)方法、結(jié)果及其分析

3.1 試驗(yàn)方法

首先稱取過5 mm篩孔的試驗(yàn)用量風(fēng)干土，然后分別按表3配合比加入固化劑，手工拌勻后再加入所需水量（考慮風(fēng)干土含水率并滿足土的天然含水率和水灰比要求）制備成水泥礦粉土。

將制備好的水泥礦粉土裝入邊長(zhǎng)70.7 mm的立方體試模中搗實(shí)成型（成型高度為70.7 mm），試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度大于95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每個(gè)配合比按7、14、28、60、90 d 5個(gè)齡期制作試件，共計(jì)35組152塊試件（除1組8塊、1組9塊和3組5塊外，其余各組均為4塊）。達(dá)到齡期的試件在YAW-300微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)上，以0.125kN/s的速度進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)量試件的壓力和豎向變形。

將制備好的水泥礦粉土裝入內(nèi)徑61.8、高40 mm的環(huán)刀中搗實(shí)成型，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。每個(gè)配合比按齡期28 d制作2個(gè)試件，共計(jì)14塊。對(duì)達(dá)到齡期的試件進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同配合比的水泥礦粉土強(qiáng)度與齡期關(guān)系如圖1所示，不同齡期的水泥礦粉土強(qiáng)度與礦粉摻入比關(guān)系如圖2所示。不同配合比、齡期的水泥礦粉土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值見表4，相同配合比、不同齡期的水泥礦粉土強(qiáng)度比值（qui/quj，i、j表示不同齡期、單位為d）見表5，相同齡期、不同配合比的水泥礦粉土強(qiáng)度比值見表6。28 d齡期和各配合比的水泥礦粉土滲透系數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果見表7。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖1-圖2和表4-表7可知：

（1） 不同配合比試塊強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增長(zhǎng)。水泥土（配合比1）試塊28、90 d與7 d以及90 d與28 d的試塊強(qiáng)度比值分別為qu28/qu7=2.41、qu90/qu7=2.73和qu90/qu28=1.14;水泥礦粉土各配合比（配合比2～7）試塊28、90 d與7 d以及90 d與28 d的試塊強(qiáng)度比值分別為 qu28/qu7=1.99～2.28（平均為2.12）、qu90/qu7=2.15～2.44（平均為2.29）和qu90/qu28=1.06～1.14（平均為1.08）。

水泥土強(qiáng)度主要源于水泥的水化反應(yīng)和土粒與水泥水化物的作用，加入礦粉后，增加了火山灰效應(yīng)，水泥土強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高。上述這些反應(yīng)或作用，都隨著時(shí)間的推移而逐步發(fā)生，因此水泥土、水泥礦粉土強(qiáng)度也隨養(yǎng)護(hù)齡期增加逐步增長(zhǎng)。

（2）養(yǎng)護(hù)齡期為7、14、28、60、90 d時(shí)，配合比2～7的試塊強(qiáng)度與配合比1試塊強(qiáng)度的比值分別為1.33～1.66（平均為1.49）、1.12～1.42（平均為1.27）、1.15～1.45（平均為1.31）、1.12～1.41（平均為1.27）、1.08～1.38（平均為1.25）。

由于礦粉顆粒粒徑較小，摻入水泥土后顆粒細(xì)小的礦粉可以填充水泥土孔隙，使得形成的水泥礦粉土變得更加致密;同時(shí)礦粉中含有的活性物質(zhì)SiO2和Al2O3會(huì)與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)而生成具有粘結(jié)力的C-S-H凝膠[14，18]。因此，水泥土中摻入礦粉后，形成的水泥礦粉土試塊強(qiáng)度要高于水泥土試塊強(qiáng)度。

（3） 當(dāng)?shù)V粉摻入比由6%增至15%時(shí)，水泥礦粉土強(qiáng)度隨礦粉摻入比的增加而增加;而當(dāng)?shù)V粉摻入比由15%增至21%時(shí)，水泥礦粉土強(qiáng)度則隨礦粉摻入比增加而減小。礦粉摻入比為15%，水泥礦粉土強(qiáng)度最高。

當(dāng)?shù)V粉摻入比較小時(shí)，水泥礦粉土的強(qiáng)度增長(zhǎng)主要由于礦粉充填水泥土孔隙而使土體變得密實(shí)所致，此時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)較小;隨著礦粉摻入比不斷增大，礦粉火山灰效應(yīng)得到充分發(fā)揮，在礦粉充填和火山灰反應(yīng)的共同作用下，強(qiáng)度增長(zhǎng)較大;當(dāng)?shù)V粉摻入比超過一定值后（本次試驗(yàn)為15%），未參與火山灰反應(yīng)的礦粉細(xì)粒會(huì)占據(jù)一部分水泥和土粒的空間，使得水泥和土粒形成的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)減少，同時(shí)水泥的摻入比相應(yīng)減少，因此水泥礦粉強(qiáng)度反而有所降低[18-19]。

（4） 水泥礦粉土早期強(qiáng)度增速高于水泥土增速早期強(qiáng)度，但其后期強(qiáng)度增速則低于水泥土強(qiáng)度增速。

（5）水泥土中摻入礦粉后，由于礦粉的充填作用而使得水泥礦粉土變得更加密實(shí)，因此其滲透系數(shù)減小，滲透性明顯降低。當(dāng)?shù)V粉摻入比為15%時(shí)，滲透系數(shù)降低的較多。

4 水泥礦粉土實(shí)測(cè)強(qiáng)度擬合分析

4.1 擬合公式

4.2 水泥礦粉土實(shí)測(cè)強(qiáng)度擬合精度

多項(xiàng)式、偏態(tài)概率密度函數(shù)與雙曲線函數(shù)乘積的復(fù)合函數(shù)強(qiáng)度擬合值與實(shí)測(cè)值如圖3-圖4所示。

由圖3-圖4可知：多項(xiàng)式擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大和最小值分別為11.80%和-11.11%，擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值為|3.64|%;復(fù)合函數(shù)擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大和最小值分別為14.89%和-9.06%，擬合值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值為|5.88|%;多項(xiàng)式、復(fù)合函數(shù)擬合度分別為0.98和0.95;采用多項(xiàng)式、復(fù)合函數(shù)擬合其擬合精度均較高，相對(duì)而言多項(xiàng)式的擬合精度更高。

5 結(jié)論

（1）水泥礦粉土強(qiáng)度高于水泥土強(qiáng)度，且隨礦粉摻入比增加而先增加后減小，當(dāng)?shù)V粉摻入比為15%時(shí)，其強(qiáng)度值最大。

（2）相對(duì)于水泥土，水泥礦粉土早期強(qiáng)度增速較快而后期強(qiáng)度增速較慢。在實(shí)際工程，考慮到施工工期和基坑止水帷幕強(qiáng)度的工程實(shí)際要求等因素，對(duì)止水帷幕的水泥礦粉土強(qiáng)度宜取28 d齡期試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

（3）水泥礦粉土滲透系數(shù)小于水泥土滲透系數(shù)。相對(duì)于本次試驗(yàn)的其它礦粉摻入比，當(dāng)?shù)V粉摻入比為15%時(shí)，水泥礦粉土滲透系數(shù)較小。

（4）采用多項(xiàng)式、復(fù)合函數(shù)的擬合精度均較高，但多項(xiàng)式擬合精度高于復(fù)合函數(shù)擬合精度。

（5）水泥礦粉土的強(qiáng)度高于水泥土強(qiáng)度、滲透系數(shù)小于水泥土滲透系數(shù)，而且礦粉是一種工業(yè)廢料，其價(jià)格低于水泥價(jià)格，因此建議在水泥攪拌樁或止水帷幕墻體中可摻入適量礦粉。

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