偏高嶺土對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)與分析

伍永平 馬芹永

摘要：為了研究偏高嶺土摻量和齡期對(duì)水泥土的力學(xué)強(qiáng)度的影響，并確定偏高嶺土的最佳摻量，以合肥市某工地的黏土為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)用偏高嶺土等質(zhì)量替換水泥，開(kāi)展了不同齡期下（3d、7d、14d、28d）不同偏高嶺土摻量（0%、1%、2%、3%、4%）的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：偏高嶺土可以提高水泥土的強(qiáng)度，且對(duì)水泥土早期強(qiáng)度提高更明顯，同時(shí)有利于提高水泥土的塑性。綜合經(jīng)濟(jì)和加固效果，得出偏高嶺土的最佳摻量為3%，相應(yīng)地，偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1：4。

關(guān)鍵詞：水泥土;偏高嶺土;齡期;摻量;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;應(yīng)力一應(yīng)變曲線

中圖分類號(hào)：TU447

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-1098（ 2020）04-0033-05

作者簡(jiǎn)介：伍永平（1992-），男，安徽蕪湖人，在讀碩士，研究方向：巖土工程。

水泥土是一種由土、水泥和水按一定配合比制成的加固材料，主要用于地基和路基等巖土工程中，尤其是制作成水泥攪拌樁用于軟土加固中[1-2]264。然而水泥的生產(chǎn)過(guò)程會(huì)消耗大量能源并產(chǎn)生高碳排放[3-4]244，且水泥土易受到氯鹽、硫酸鹽的侵蝕作用以及凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等復(fù)雜環(huán)境的影響，造成水泥土的耐久性能降低[5-6]447。為了尋找水泥替代品，提高水泥土的性能，國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者做了大量的相關(guān)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：偏高嶺土可有效提高水泥土的抗壓強(qiáng)度[7-9]115。

偏高嶺土（Metakaolin，簡(jiǎn)稱MK）是高嶺土在600 - 900℃下煅燒形成，生產(chǎn)過(guò)程能耗低、二氧化碳排放量少[3]244。其含有大量活性Al2O3和SiO2，常溫下的性質(zhì)穩(wěn)定，在堿性環(huán)境下，生成硅鋁酸鹽類物質(zhì)[1]365，從而促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)并產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物。以往關(guān)于偏高嶺土摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的研究中，文獻(xiàn)[10]研究了江蘇連云港海相軟土，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為在1：6至1：5范圍內(nèi)時(shí)，水泥土的強(qiáng)度提升效果最好，分析了偏高嶺土的作用機(jī)理;文獻(xiàn)[11]以太原市砂質(zhì)黏土為研究對(duì)象，提出偏高嶺土與水泥的最佳質(zhì)量比為1：3～1：2;文獻(xiàn)[12]選取太原粉質(zhì)砂土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，偏高嶺土的最佳摻人比為2% - 3%;文獻(xiàn)[13]認(rèn)為太原市粉質(zhì)黏土制得的水泥土強(qiáng)度達(dá)到最佳時(shí)，偏高嶺土的摻人比為1.5%，對(duì)應(yīng)的偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1：9。

以上研究結(jié)果表明，不同土質(zhì)的水泥土，偏高嶺土的最佳摻量并不統(tǒng)一，且只有一個(gè)大概范圍。本文以黏土為研究對(duì)象，設(shè)定不同偏高嶺土摻量，研究其不同摻量對(duì)不同齡期水泥黏土性能的影響，進(jìn)而確定偏高嶺土的最佳摻量，為實(shí)際工程提供一定的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黏土取自合肥某工地，將取回的土風(fēng)干，碾碎并過(guò)2mm篩。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ GB/T50123 - 2019）[14]，測(cè)得土的粒徑級(jí)配見(jiàn)表1，土樣的液限為40. 89%，塑限為21. 93%，塑性指數(shù)為18. 96，最優(yōu)含水率w-為19. 84%，最大干密度pd為1. 755g/cm3。水泥選用淮南市某廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P-042.5），試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水，偏高嶺土產(chǎn)自河南焦作某廠，細(xì)度為1 250目，各項(xiàng)成分如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

在水泥土應(yīng)用于處理高速公路軟黏土路基時(shí)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥的摻量在15%

- 20%間[15]，因此，試驗(yàn)選用干土質(zhì)量的15%作為水泥的基準(zhǔn)摻量，偏高嶺土摻入量分別為干土質(zhì)量的0%、1%、2%、3%、4%，等質(zhì)量替代水泥，水泥土的試驗(yàn)方案如表3所示。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

按照擊實(shí)試驗(yàn)所得最優(yōu)含水率拌制土樣，將拌制好的濕土樣裝入密封袋內(nèi)密封靜置24h，之后按配合比向土樣中加入水泥、偏高嶺土、水，充分拌勻[16]。采用分層擊實(shí)的方法將拌合料分4次裝入內(nèi)壁涂抹薄層凡士林的圓柱體鋼模中，模具內(nèi)直徑為50mm，高度為100mm，最后一次振搗完成后用刮土刀將試樣表面刮平。拆模后，用保鮮膜將試樣包裹并放人密封袋，在室內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)3d，7d、14d和28d。每組均制作3個(gè)平行試樣，共計(jì)60個(gè)試樣。

試樣養(yǎng)護(hù)到設(shè)定齡期之后，參照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233-2011）[17]進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，所用儀器為WDW-100微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載裝樣如圖1所示。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，加荷速率為1 mm/min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，若試樣的測(cè)值低于或超過(guò)該組平均值的15%時(shí)，則該試樣的測(cè)值作廢，按余下試樣的測(cè)值計(jì)算平均值;若一組中滿足要求的試樣不足兩個(gè)，則該組須重新制樣進(jìn)行試驗(yàn)直至滿足要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥土強(qiáng)度與偏高嶺土摻量的關(guān)系

圖2表示不同齡期下水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨偏高嶺土摻量變化的試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，相同齡期條件下，摻入偏高嶺土的水泥土強(qiáng)度均高于未摻偏高嶺土水泥土，說(shuō)明偏高嶺土能有效提高水泥土的抗壓性能。并且發(fā)現(xiàn)水泥土強(qiáng)度與偏高嶺土摻量不是單一線性增長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)偏高嶺土摻量從0增到3%時(shí)，3d、7d、14d和28d下水泥土的強(qiáng)度分別由1. 36MPa、1.7IMPa、2.07MPa和2.6IMPa增長(zhǎng)到1. 95MPa、2.38MPa、2.85MPa和3.73MPa;當(dāng)偏高嶺土摻量由3%到4%時(shí)，其強(qiáng)度則分別下降到1. 44MPa、1.86MPa、2.19MPa和2.80MPa。

對(duì)上述現(xiàn)象作出分析：一方面，水泥自身水化反應(yīng)生成水化硅酸二鈣，水化硅酸三鈣等產(chǎn)物，同時(shí)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca（ OH）2和偏高嶺土中高活性的Al2 O3和SiO2反應(yīng)，生成了鈣礬石AF-t及水化硅酸鈣C-S-H、水化鋁酸鈣C-A-H等一系列膠結(jié)性水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物既可以填充在水泥土孔隙中，使結(jié)構(gòu)更加致密（填充作用），又因其本身具有較高的膠結(jié)強(qiáng)度且能使黏土顆粒彼此連接在一起，進(jìn)而使水泥土的強(qiáng)度得以提升[5 ]449。隨著火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，Ca（OH）2含量減少，從而促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，水泥的水化反應(yīng)與偏高嶺土火山灰反應(yīng)相互協(xié)作，共同提升水泥土的強(qiáng)度[8]114。