粉煤灰和硅灰對南昌典型土層水泥土強(qiáng)度影響

江守慈，郭易盟，蘇德垠，徐長節(jié)，朱碧堂，雷祖祥

（1.福建巖土工程勘察研究院有限公司，福建 福州350001；2.江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013）

水泥攪拌樁技術(shù)是依照實(shí)際工程所需的配合比，通過攪拌設(shè)備將原位土和水泥膠凝材料充分?jǐn)嚢韬螅箖烧咧g經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)硬化形成具有高強(qiáng)度、低滲透性樁體的技術(shù)，是一種用于加固地基、提升抗?jié)B透性的地基處理方法。水泥土攪拌法所獲取的水泥加固土體，可應(yīng)用于承擔(dān)豎向荷載復(fù)合地基、止水帷幕、基坑支護(hù)擋墻和被動區(qū)加固等[1]。水泥土憑借其經(jīng)濟(jì)性、高效性的特點(diǎn)在軟弱地基處理[2]、基坑支護(hù)等工程實(shí)踐中有著廣泛應(yīng)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從各項(xiàng)影響因素出發(fā)，深入開展了水泥土的力學(xué)性質(zhì)研究。Kaniraj等[3]研究得到水泥加固土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與土體含水率、水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期之間函數(shù)關(guān)系。阮波等[4]通過正交試驗(yàn)法，得出影響水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最主要因素是水泥標(biāo)號，其次是水泥摻量。梁仁旺等[5]研究了水泥土在各水泥摻入比梯度下抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律。Uchaipichat[6]得出在同等養(yǎng)護(hù)壓力情況下，水泥膠結(jié)粘土峰值應(yīng)力隨水泥摻量增加而增加。陳甦等[7]研究了不同形狀、尺寸及端部邊界條件對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。Sharma等[8]借助線性回歸模型建立人工加固土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與多變量的經(jīng)驗(yàn)公式。阮錦樓等[9]建立了水泥加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期的非線性回歸方程。張?zhí)旒t等[10]圍繞江蘇地區(qū)典型軟粘土開展室內(nèi)水泥加固土穩(wěn)定性研究，得到了外摻改良劑、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境等對強(qiáng)度增長的影響規(guī)律。李建軍等[11]研究了水泥土材料抗壓強(qiáng)度與棱柱體、立方體抗壓強(qiáng)度的聯(lián)系，并借助三軸試驗(yàn)得到了水泥土變形模量與抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。這些學(xué)者的研究表明，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與多種因素有關(guān)，且不同因素對其影響程度不同。

為了更好地服務(wù)于工程需要，改進(jìn)水泥加固土的工程特性，常常在水泥土中添加一些摻合料形成復(fù)合水泥土。沈建國等[12]得出大摻量摻合料能夠提升礦物摻合料復(fù)合地基水泥土的力學(xué)性能。徐威等[13]指出石粉作為一種活性外摻劑能大幅提高水泥土的強(qiáng)度。周承剛等[14]指出將粉煤灰摻入固化土中能夠提高土體密實(shí)度，進(jìn)而提高土體強(qiáng)度。陳峰等[15]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰水泥加固土變形模量會隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長和粉煤灰外摻劑的添加逐漸提高。Chaipanich等[16]研究發(fā)現(xiàn)硅灰改性水泥漿的抗壓強(qiáng)度明顯高于普通硅酸鹽水泥。王立峰等[17]研究了不同廢灰摻量下的改性水泥復(fù)合材料的力學(xué)特性。岳喜兵[18]發(fā)現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會由于廢棄硅粉的摻入得以明顯提高。Choobbasti等[19]研究得出加入納米二氧化硅可以使砂土的力學(xué)性能進(jìn)一步提高。王文軍等[20]通過納米硅粉改性水泥土的室內(nèi)配比試驗(yàn)，歸納總結(jié)了納米硅粉改性水泥土的微觀作用機(jī)理。根據(jù)學(xué)者們的研究可以發(fā)現(xiàn)，摻合料的摻入可以從不同程度上作用于水泥土材料性能，是提高水泥土強(qiáng)度的有效措施之一。

本文以南昌地區(qū)典型粉質(zhì)粘土為對象，對配制水泥土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了摻合料（粉煤灰和硅粉）、水泥摻入比和養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用土采用南昌地區(qū)廣泛分布的粉質(zhì)粘土，土樣取自南昌市南鎮(zhèn)學(xué)校項(xiàng)目，其基本物理性質(zhì)參數(shù)如表1。試驗(yàn)用水泥選用江西贛江海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O42.5。試驗(yàn)用外摻劑選擇粉煤灰和硅粉，用于替代10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水泥。試驗(yàn)用粉煤灰細(xì)度（45μm方孔篩篩余）為Ⅱ級，28 d活性指數(shù)為70%，主要成分是SiO和Al2O3，含量分別占比45%和24%。試驗(yàn)用硅粉細(xì)度為1 000目，主要成分是SiO，含量占比96%。

表1 試驗(yàn)土樣的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of the soil sample

1.2 試驗(yàn)方案與試樣制備

配合比設(shè)計(jì)方案表如表2所示。試驗(yàn)中，水泥摻入比取20%，25%，30%，水灰比控制為1.0，粉煤灰和硅粉的占比均為10%。每組設(shè)置6個平行試驗(yàn)。

各材料用量根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ/T 233-2011）[21]的相關(guān)規(guī)定確定。試驗(yàn)前，將從工程現(xiàn)場取得的土樣，經(jīng)過自然晾曬風(fēng)干后碾碎，再過5 mm篩子制成粉末狀。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)方案，稱取試驗(yàn)用量的風(fēng)干土、水泥、粉煤灰/硅粉和水倒入行星式攪拌機(jī)內(nèi)攪拌至均勻，攪拌時間控制在20 min以內(nèi)。試驗(yàn)采用邊長為70.7 mm的三聯(lián)立方體試模，裝樣前在試模內(nèi)表面涂一薄層礦物油，方便后續(xù)脫模。裝樣時分兩層插搗，每層按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗15次。模具裝滿以后，附著在振動臺上振動2 min以上至振實(shí)，并刮平試模表面。試件成型后，蓋上塑料薄膜密封并置于溫度為（20±2）℃、相對濕度不低于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行脫模，部分試件如圖1所示。拆模后，先用記號筆編號，并檢查試件外觀以及有無質(zhì)量缺失；按試驗(yàn)設(shè)計(jì)需求，再將試樣放回養(yǎng)護(hù)室分別繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7，14，28 d的設(shè)計(jì)齡期，達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)齡期后，取出進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表2 配合比設(shè)計(jì)方案Tab.2 Scheme of the mix proportion design

圖1 準(zhǔn)備放入養(yǎng)護(hù)室的成型試件Fig.1 Typical molded samples ready to be put into the curing room

1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)前，用擰干的濕布擦干試件表面，測量每塊試塊的重量與尺寸。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為WHY-300/10微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程為300 kN。以0.08 kN/s的速率連續(xù)均勻地對試件加荷，直至試件破壞后記錄破壞荷載和對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算

式中：fcu為水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；A為試件的橫截面積，mm2。

每組取6個平行試件的算術(shù)平均值作為該組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，即峰值應(yīng)力。在加載過程中，采集壓力試驗(yàn)機(jī)的軸向壓力和位移，換算得到相應(yīng)的軸向應(yīng)力和應(yīng)變，并繪制出相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖。取與峰值應(yīng)力最接近的那個試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為該組試件的代表曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥摻入比對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

研究水泥摻入比對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到了不同齡期下?lián)饺敕勖夯液凸璺蹆煞N摻合料的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系（圖2）。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時，水泥摻入比從20%提高到25%，硅粉水泥土的強(qiáng)度明顯增大，而水泥摻入比從25%提高到30%，硅粉水泥土的強(qiáng)度增加緩慢；粉煤灰水泥土的強(qiáng)度隨著水泥摻入比從20%提高到30%而線性增加；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時，硅粉水泥土的強(qiáng)度依舊隨著水泥摻入比的增加而增加；粉煤灰水泥土強(qiáng)度同樣隨水泥摻入比的增加而線性增加；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時，水泥摻入比從20%提高到25%，粉煤灰水泥土的強(qiáng)度增長速度較快，水泥摻入比提高到30%，粉煤灰水泥土的強(qiáng)度增加速度變緩，硅灰水泥土強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增加而線性增加。

在相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著水泥摻入比的增大，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高，即水泥摻入比為30%時，試樣的強(qiáng)度最大。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram of unconfined compression strength and cement ratio

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

通過研究摻合料改性水泥加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期的影響規(guī)律，整理得到了摻入兩種摻合料的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線（圖3）。在相同水泥摻入比下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，粉煤灰水泥土和硅粉水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大的趨勢。同時，水泥土試樣強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)前期的增長速率較快，后期則增長相對較慢。以硅粉為例，硅粉主要由二氧化硅、氧化鋁、三氧化二鐵和氧化鎂等結(jié)晶礦物組成，是一種表面積很大，活性很高的火山灰物質(zhì)。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，由于其具有極強(qiáng)的火山灰效應(yīng)，硅粉可以和水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成填充相對較大的水泥顆粒孔隙的膠凝產(chǎn)物，提高硬化體的力學(xué)性能，導(dǎo)致硅粉水泥土較粉煤灰水泥土隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長強(qiáng)度增幅更大。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.3 Unconfined compression strength versus curing time

2.3 摻合料對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究摻合料種類的選取對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，選取水泥摻入比為20%的試樣，得到粉煤灰和硅灰兩種摻合料對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響情況（表3）。相同水泥摻入比及相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，硅粉水泥土相對于粉煤灰水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻合料選用的關(guān)系圖（水泥摻入比為20%）Tab.3 Relationship diagram of unconfined compression strength and the selected admixtures（cement ratio is 20%）MPa

進(jìn)一步比較硅粉和粉煤灰兩種摻合料對水泥加固土強(qiáng)度提升效果，計(jì)算在同一養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，硅粉加固水泥土相對于粉煤灰加固水泥土的強(qiáng)度增長率（表4）。強(qiáng)度增長率是兩種摻合料加固水泥土強(qiáng)度差值與較小強(qiáng)度的比值。由表4可得，7 d齡期時，水泥摻入比為25%時加固水泥土抗壓強(qiáng)度提升最大，硅灰加固水泥土較粉煤灰加固水泥土的強(qiáng)度增加12.5%，水泥摻入比為20%和30%時，硅灰加固水泥土較粉煤灰加固水泥土的強(qiáng)度提升微小。養(yǎng)護(hù)時間到達(dá)14 d時，水泥摻入比為30%時加固水泥土抗壓強(qiáng)度提升最大，而水泥摻入比為20%，25%時強(qiáng)度增幅效果不明顯。當(dāng)齡期到28 d時，水泥摻入比為20%，30%時加固水泥土抗壓強(qiáng)度均有明顯提升，水泥摻入比為25%時強(qiáng)度提升并不明顯。由此可知，硅粉取代粉煤灰作為水泥土的摻合料對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升有促進(jìn)作用，在特定水泥摻入比和齡期時強(qiáng)度增幅較明顯。

表4 硅灰加固水泥土相對于粉煤灰加固水泥土的強(qiáng)度增長率Tab.4 Strength growth rate of modified cement soil of silica fume compared with modified cement soil of fly ash%

2.4 水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

水泥土單軸受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是最基本的本構(gòu)關(guān)系，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是水泥土力學(xué)性能的宏觀體現(xiàn)。在加載變形過程中，水泥土試件的破壞模式如圖4和圖5所示，其中圖4代表的是試件的塑性破壞，圖5代表的是試件的脆性破壞。

不同水泥摻入比條件下，7，14 d和28 d齡期時，水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示。由圖中曲線可以清晰看到，水泥土的變形過程大致可分為以下4個階段：第1個階段是壓密階段，在試件受荷初期，應(yīng)力變化不明顯，此時試樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)開始閉合；第2個階段是彈性變形階段，隨著試件的進(jìn)一步壓密，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線近似呈直線；第3個階段是屈服階段，曲線開始偏離直線，試樣變形隨應(yīng)力增加明顯增大，此時試樣外部出現(xiàn)明顯微裂縫；第4個階段是破壞階段，當(dāng)施加應(yīng)力達(dá)到峰值時，試件發(fā)生破壞，此后應(yīng)力隨應(yīng)變的增加迅速衰減。

圖4水泥土的塑性破壞Fig.4 Plastic failure of cement soil

圖5 水泥土的脆性破壞Fig.5 Brittle failure of cement soil

以硅粉加固土為例，繪制在不同水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期下水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線（圖6）。從圖6中可以看出，在同等養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，隨著水泥摻入比的增加，上升直線段斜率逐漸增大，同時曲線的下降段越來越陡。在水泥摻入比不變的情況下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥土能承受的最大應(yīng)力逐漸增加，對應(yīng)的破壞應(yīng)變逐漸減小，即水泥土破壞模式會隨齡期增長由塑性破壞逐漸向脆性破壞發(fā)展。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，線性階段的曲線斜率也在逐漸增大，表明強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大。

圖6 不同水泥摻入比下硅粉水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Stress strain relationship curve of modified cement soil of silica fume under different cement ratios

水泥土的變形模量E50為軸向應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度的50%時，水泥土的割線模量。根據(jù)圖6所示的數(shù)據(jù)及曲線，計(jì)算對應(yīng)的變形模量E50，得到表5。

表5 不同齡期下硅粉水泥土的變形模量Tab.5 Deformation modulus of modified cement soil of silica fume at different curing ages MPa

根據(jù)表5可知，隨著水泥摻入比和齡期的增加，硅粉水泥土的變形模量越來越大。同時，通過將上述計(jì)算結(jié)果與對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值關(guān)系擬合，進(jìn)一步分析改性水泥加固土的力學(xué)性能特性，擬合情況如圖7。

圖7 硅粉水泥土變形模量與抗壓強(qiáng)度的擬合情況Fig.7 Fitting situation of deformation modulus of modified cement soil of silica fume and unconfined compression strength

由圖7可知，硅粉水泥土變形模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的函數(shù)關(guān)系近似滿足線性回歸模型，即E50=20qu，同時也揭示了本試驗(yàn)中硅粉水泥土的力學(xué)性能，可以從理論角度給工程施工提供參考。

3 結(jié)論

本文通過控制不同影響因素，開展了室內(nèi)配合比試驗(yàn)，研究了南昌地區(qū)典型粉質(zhì)粘土配制的水泥土的力學(xué)特性，并繪制得到了相應(yīng)改性水泥加固土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

1）在相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大而提高。

2）在相同水泥摻入比下，試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大，且增長速率先快后慢。

3）硅粉取代粉煤灰作為水泥土的摻合料對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升有促進(jìn)作用，在特定水泥摻入比和齡期時強(qiáng)度增幅較明顯。

4）隨著水泥摻入比和齡期的增長，水泥土破壞模式會由塑性破壞逐漸向脆性破壞發(fā)展。

5）硅粉水泥土變形模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系近似滿足線性回歸模型，即E50=20qu。