武漢地區(qū)粉煤灰和膨潤土雙摻合劑水泥土性能改良試驗研究

陳 律， 胡福洪， 胡 剛

(1.中機三勘巖土工程有限公司，湖北 武漢 430000； 2.武漢地質勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430072；3.中匠民大國際工程設計有限公司恩施分公司，湖北 恩施 445000)

0 引言

隨著城市建筑的不斷興起，以及社會各界對環(huán)境友好型施工方式的倡導和追求，水泥土攪拌樁這種新型的施工技術在地基處理和基坑支護中越來越常見。這種施工方式具有能很好地利用原場地的條件、降低施工成本和減少排放等優(yōu)勢，且能適用于淤泥、淤泥質土、砂質土、粉土、泥炭土中[1]。水泥土攪拌樁在武漢和上海等地都已成功應用[2-4]。

水泥土廣泛應用于土體加固工程，強度與加固效果密切相關。林云騰[5]、阮波等[6]通過總結前人的研究結果，得出影響水泥土強度的因素很多，其中影響水泥土無側限抗壓強度的因素重要性次序分別為水灰比、水泥摻量、攪拌時間；陳達等[7]通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)在實際工程應用中除非對強度有特別要求，一般情況下選用摻入比為0.15～0.20較為合適；陳燕平[8]通過試驗發(fā)現(xiàn)水泥強度每提高一個強度等級，對應水泥摻入比可適當降低2%～3%；艾志偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)強度隨土體含水量、有機質含量的減少而增強；水泥摻入比和養(yǎng)護齡期的增大而增強，且水泥土攪拌越充分，強度越高；游波等[10]研究發(fā)現(xiàn)水泥土應力-應變關系曲線都可分為壓密階段、彈性階段、塑性強化階段和應力衰減階段4個階段；水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加能夠減小水泥土的彈塑性變形；干密度和含水率的增加能夠增加水泥土的彈塑性變形。

現(xiàn)階段武漢地區(qū)基坑大多采用坑內降水井進行降水和坑外利用水泥土攪拌樁形成止水帷幕隔水相結合的方式來達到基坑內止水和降水的效果，且在湖北省基坑技術規(guī)程中提到在水泥土中可以加入適量的膨潤土，進而提高水泥土的穩(wěn)定性和抗?jié)B性，但就具體的摻量未做說明。膨潤土是一種分布廣且對工程建設有特殊危害的土，它的主要成分為含蒙脫石的粘土礦物，具有高脹縮性、強親水性、易開裂、強度變化很大等特征[11]。侯少華等[12]通過在南水北調實際工程地基處理的實踐表明，采用水泥改性土或水泥土處理膨脹土地基可明顯改善地基的性質，施工效果較好，能夠應用到實際工程中；朱偉等[13]從力學強度、體積安定性、滲透特性及干濕耐久性等方面對采用膨潤土為輔助添加劑固化處理的污泥固化體進行了巖土工程性質的效果評價，試驗結果表明,膨潤土的摻入能保證低水泥摻入量下固化體的強度增大、滲透性降低、安定性和耐久性提高。除此之外，任素琴[14]研究了粉煤灰摻量對水泥土強度的影響，結果表明：隨著粉煤灰摻量增大，無側限抗壓強度增大；劉成才等[15]通過試驗發(fā)現(xiàn)試樣滲透系數和強度損失率隨粉煤灰摻量增加先減小后增大，轉折點粉煤灰摻量為12%；謝德良[16]研究認為水泥土中摻加粉煤灰能夠使水泥土的后期強度得到大幅度的增強，但在一定程度上減小了早期強度，并提出了最佳粉煤灰摻入比為8%；李俊哲等[17]發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，早期抗壓強度逐漸減小，后期抗壓強度則明顯提高，摻入硅粉不僅顯著改善水泥土早期抗壓強度，且明顯提高其后期抗壓強度。

本文在前人研究的基礎上，研究膨潤土和粉煤灰雙摻合劑對水泥土的無側限抗壓強度和抗剪強度的影響以及探究雙摻合劑的最佳摻入比。

1 研究內容

本試驗依托武漢天地B4B5基坑支護工程、鈺龍廣場基坑支護工程、花橋村城中村改造等基坑支護工程，探究粉煤灰和膨潤土的摻量對武漢地區(qū)粉砂質水泥土相關性能的影響，為武漢地區(qū)類似工程項目提供設計和施工指導，具體試驗內容如下：

(1)試驗中所用水泥為華新PO 42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰和膨潤土取自武漢某施工場地，并烘干過2 mm標準篩。確定以膨潤土(鈉基膨潤土、鈣基膨潤土)、粉煤灰為主要添加物水泥土配合比設計方法，根據設計強度計算相應水泥土配合比。

(2)采取正交試驗設計方法，取鈉基膨潤土摻量、粉煤灰摻量2個因素，其中鈉基膨潤土取0、5、7、9、11 kg/m3五個水平試驗，粉煤灰體積摻量取0、10%、20%、30%、40% 五個水平試驗，設計并計算出對應水泥土的配合比，分別制作7、28、90 d試驗所需試件。

(3)完成7、28、90 d水泥土試件的抗壓強度和抗剪強度等試驗，記錄并分析數據，分析研究粉煤灰、鈉基膨潤土對不同齡期水泥土性能的影響。

(4)根據試驗結果確定以粉煤灰和鈉基膨潤土為主要摻加物的水泥土最優(yōu)配合比。

2 試驗方案

通過前期的試驗調整，按照《水泥土配合比設計規(guī)程》(JGJ T 233-2011)確定抗壓試塊為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方體，抗剪試樣為?50 mm×100 mm的圓柱體，共計63個，并對各材料按照配合比進行計算。最終確定水泥土的配比(見表1)。

在本次實驗中，同一配合比的水泥土放在同一攪拌鍋內攪拌。將代表性的土樣按照配合比設計稱重之后投入攪拌鍋中攪拌，時間為5 min左右，確保攪拌均勻。根據水泥摻入比和水泥漿的水灰比，稱取相應的水泥和水，摻和攪拌后配置成水泥漿。將配置好的水泥漿充分攪拌，直到攪拌均勻，制備好的試樣如圖1所示，最終放入養(yǎng)護池中進行標準養(yǎng)護。

表1 水泥土的配比設計

圖1 制備好的水泥土試樣

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度試驗

根據《水泥土配合比設計規(guī)程》(JGJ T 233-2011)，每組無側限抗壓強度的試驗試件為6個，在試樣養(yǎng)護7、28、90 d后進行脫模，并利用萬能試驗機測試水泥土試樣的抗壓強度，水泥土不同齡期的抗壓強度如圖2所示。由圖2可知，水泥土養(yǎng)護7 d時，當膨潤土摻量為11%和粉煤灰摻量為10%時抗壓強度最大；水泥土養(yǎng)護28 d時，當膨潤土摻量為11%和粉煤灰摻量為20%和30%時抗壓強度最大；水泥土養(yǎng)護90 d時，當膨潤土摻量為7%和粉煤灰摻量為30%時抗壓強度最大。

水泥土的強度隨著齡期的增長而提高，一般在齡期超過28 d后仍有明顯增長，本試驗為積累地區(qū)經驗，進行了90 d齡期的水泥土抗壓強度試驗，其90 d抗壓強度如圖3所示。由圖3(a)可知，隨著粉煤灰的摻量的提高，水泥土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢且在粉煤灰摻量為20%和30%時水泥土抗壓強度達到最高；由圖3(b)可知，除了粉煤灰摻量為30%外，隨著膨潤土摻量的提高，水泥土抗壓強度呈現(xiàn)先減小后緩慢增加，且均小于未摻加膨潤土時的強度。

圖2 水泥土不同齡期的抗壓強度

3.2 抗剪強度試驗

水泥土抗剪強度試驗試樣采用?50mm×100mm，制備3組共12個試塊，施加于試件的垂直壓力分為4級，每級分別為100、200、300、400 kPa。以3組試件的平均值作為每級垂直壓力下的抗剪強度值。并對其每級垂直壓力的抗剪強度平均值進行以垂直壓力p為橫坐標，抗剪強度平均值s為縱坐標進行擬合。所得到的擬合直線的傾角為內摩擦角φ,直線的縱坐標上的截距為粘聚力c，擬合方式如圖4所示。最終得到的水泥土在不同的膨潤土摻量的抗剪相關參數c和φ如圖5所示。

圖3 水泥土90 d抗壓強度對比

圖4 第一組數據擬合示例

圖5 水泥土在不同的膨潤土摻量時的抗剪強度

由圖5可得，齡期為7和28 d的水泥土，隨著膨潤土和粉煤灰摻量的提高，水泥土的抗剪參數指標變化趨勢不明顯,但齡期為28 d的水泥土的粘聚力c和內摩擦角φ較7 d有所增大。齡期為90 d的水泥土，隨著膨潤土和粉煤灰摻量的提高，水泥土的粘聚力c呈現(xiàn)先遞增后緩慢減?。划斉驖櫷翐搅繛?、粉煤灰摻量為20%時，水泥土的粘聚力c達到最大值；當膨潤土摻量為5%、7%、9%、粉煤灰摻量為30%時，水泥土的粘聚力c達到最大值；當膨潤土摻量為11%、粉煤灰摻量為20%時，水泥土的粘聚力c達到最大值。

4 結論與展望

4.1 結論

本文通過對不同摻量的膨潤土和粉煤灰雙摻合劑水泥土抗壓強度和抗剪強度參數指標的研究和對比分析，得到以下結論。

(1)粉煤灰和膨潤土雙摻合劑改良水泥土的抗壓強度隨著齡期的增加而變化，當粉煤灰和膨潤土摻量分別為40%和11%時，28 d的水泥土抗壓強度最大，為7.30 MPa；當粉煤灰和膨潤土摻量分別為20%和7%時，90 d的水泥土抗壓強度最大，為7.19 MPa。

(2)粉煤灰和膨潤土雙摻合劑改良水泥土的抗剪強度參數粘聚力隨著齡期的增加而變化，當粉煤灰和膨潤土摻量分別為20%和11%時，28 d的水泥土抗剪強度參數粘聚力c最大，為1144.8 kPa；當粉煤灰和膨潤土摻量分別為30%和5%時，90 d的水泥土抗剪強度參數粘聚力c最大，為1753.71 kPa。

(3)通過對比粉煤灰和膨潤土改良水泥土的抗壓強度和抗剪強度，粉煤灰和膨潤土改良的水泥土的抗壓強度和抗剪強度均有明顯的提高，并發(fā)現(xiàn)本次實驗的粉煤灰的最佳摻量為20%～30%，膨潤土的最佳摻量為5%～11%。

4.2 展望

近年來，水泥土在武漢地區(qū)的實際工程中應用越來越廣泛，本文的研究成果可以為武漢地區(qū)的粉煤灰和膨潤土改良水泥土的現(xiàn)場施工提供參考依據。測試結果受到試樣制作方法、試樣均勻性、養(yǎng)護條件(養(yǎng)護池養(yǎng)護7～90 d)等因素的制約和影響，勢必會對測試結果造成影響，如何減少試樣制作方面的影響以及水泥土的抗?jié)B性能，有待進一步的研究探索。