水泥固化黏土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

徐少成 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

1 引言

水泥固化土就是以土為主要骨料，以硅酸鹽水泥為膠凝材料，經(jīng)過(guò)攪拌以及成型養(yǎng)護(hù)凝結(jié)硬化的堅(jiān)硬材料。水泥固化土是一種具有經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保節(jié)約的建筑材料。目前水泥固化土廣泛用于道路基層、渠道襯砌以及民用建筑的地基加固等工程領(lǐng)域。工程中存在水泥固化土抗壓強(qiáng)度不高，膠凝材料用量大、固化成本高等問(wèn)題，制約了水泥固化土的進(jìn)一步發(fā)展。降低水泥土的固化成本以及提高固化抗壓強(qiáng)度成為學(xué)者重要的研究?jī)?nèi)容。文獻(xiàn)[1]研究了石灰和粉煤灰對(duì)改良的砂性土的應(yīng)力應(yīng)變特性以及粉煤灰與石灰之間的火山灰反應(yīng)對(duì)砂性土固化強(qiáng)度的影響。王文軍[2]認(rèn)為摻加適量的納米硅粉，能夠大幅度地提高水泥土的強(qiáng)度，納米硅粉通過(guò)消耗水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣晶體，促進(jìn)水泥水化速度和水化程度，改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使水泥固化土更加密實(shí)。歐陽(yáng)克連、寧寶寬[3]認(rèn)為水泥土的抗壓強(qiáng)度的提高與土的種類密切相關(guān)，在相同水泥摻量、養(yǎng)護(hù)條件下，粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度要明顯的高于粘土和淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)土固化強(qiáng)度最低。邵光輝[4]認(rèn)為堿性環(huán)境有利于水泥土固化強(qiáng)度的提高，在酸性環(huán)境下，由于水泥水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣被消耗，導(dǎo)致水化硅酸鈣凝膠生成量較少，水泥土的強(qiáng)度有所下降。肖武權(quán)[5]認(rèn)為土顆粒越細(xì)，水泥加固土的強(qiáng)度越低。含水量越高的土水泥固化后強(qiáng)度越低，加入粉煤灰和外摻劑能增強(qiáng)水泥固化土的強(qiáng)度。

因此，為更深入挖掘水泥固化土的作用，降低水泥固化黏土的固化成本，擴(kuò)大水泥土在工程中的應(yīng)用范圍，文章系統(tǒng)地研究水泥、粉煤灰、砂、石子等摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響。

2 原材料及試驗(yàn)

2.1 原材料

①黏土。本實(shí)驗(yàn)所用的黏土取自合肥市某工地基坑，測(cè)得土樣的含水率w為56.1%，密度ρ為1.87g·cm-3，土粒相對(duì)密度ds為2.76，孔隙比e為0.916，塑限wp為27.4%，液限wL為68.9%，塑性指數(shù)Ip為41.5，液性指數(shù)IL為0.69，土樣的孔隙比大，天然含水量高，呈可塑狀態(tài)。

②水泥。本實(shí)驗(yàn)所用水泥為巢湖海螺牌42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，其有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo) 表1

③粉煤灰。粉煤灰取自合肥某電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積為376m2/kg，顆粒細(xì)度比較細(xì)，粒徑在0.5μm～90.0μm之間。其化學(xué)成分如表2所示。

粉煤灰的化學(xué)組成 表2

④天然砂。由合肥某建材有限公司提供。主要性能指標(biāo)：最大粒徑為5.5mm，細(xì)度模數(shù)為1.76，屬于細(xì)砂，表觀密度為2657.4kg/m3，堆積密度為1247.8kg/m3，含泥量為1.3%，級(jí)配符合要求。

⑤石子。石子由合肥某建材有限公司提供，其粒徑在2mm～16mm連續(xù)級(jí)配，石子的表觀密度為2476.7kg/m3，堆積密度為1294.5 kg/m3。

2.2 試驗(yàn)方法

將取來(lái)的濕黏性土風(fēng)干或者烘干，然后將其過(guò)5mm篩，然后計(jì)算出占干土摻量質(zhì)量比的水泥、粉煤灰用量，占干土體積摻量比的砂、石用量。將干土分別與不同原料摻量放在攪拌鍋內(nèi)攪拌均勻，然后加入所需要的水，使土的含水率達(dá)到取土?xí)r天然含水率56%。然后充分?jǐn)嚢柚敝粱旌狭蠑嚢杈鶆?，最后開(kāi)始澆筑模具制備試樣。試塊的尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，當(dāng)齡期達(dá)到3d后拆模將試塊放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)保持濕度95%左右，溫度20℃左右。試樣養(yǎng)護(hù)到一定的齡期后，取出進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。每組做三個(gè)試樣，以三個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度均值作為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若其中最大或最小值與中值的差大于中值的15%，則取中間值作為混凝土抗壓強(qiáng)度值，若最大值、最小值兩者和中值差距大于中值的15%，則該值試驗(yàn)無(wú)效，重新試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水泥摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

首先對(duì)水泥摻量下的黏土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。水泥摻量比為占干土的質(zhì)量比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，從圖中能夠看出不同齡期下固化黏土的抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而逐漸提升，當(dāng)水泥摻量在9%以下時(shí)，固化黏土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩，當(dāng)摻量超過(guò)9%時(shí)，固化黏土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。28d齡期下水泥摻量比為18%時(shí)，摻量比為6%時(shí)能高出4.18MPa。水泥固化黏土強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要原因有兩個(gè)方面：一方面是當(dāng)水泥摻量增多時(shí)，水泥與黏土中的水拌合后，水泥顆粒表面的熟料礦物立即與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水化硅酸鈣，水化硅酸鈣不溶于水，并立即以膠體微粒析出，逐漸形成水化硅酸鈣凝膠，凝膠將黏土固化，使其抗壓強(qiáng)度顯著增加；另外一方面是水泥水化時(shí)產(chǎn)生的氫氧化鈣與黏土中的活性物質(zhì)之間產(chǎn)生膠結(jié)作用，使其強(qiáng)度得到提高[6]。但是考慮到水泥目前價(jià)格比較高，水泥的摻量不能無(wú)限增加，所以應(yīng)該采取措施降低水泥固化土成本。

圖1 水泥摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

3.2 粉煤灰摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰是發(fā)電廠的主要固體廢棄物，價(jià)格比較低。粉煤灰可以按照一定的比例替代水泥，節(jié)約成本，同時(shí)可以提高固化黏土的抗?jié)B性和干縮性。用粉煤灰替代硅酸鹽水泥作為膠凝材料也是如今較為熱門的應(yīng)用之一。本次實(shí)驗(yàn)保持水泥的摻量比為12%固定不變，然后在水泥中加入摻量梯度變化的粉煤灰。粉煤灰的摻量比在0%、3%、6%、9%、12%之間變化，粉煤灰的摻量比為占干土的質(zhì)量比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，從圖中能夠看出隨著粉煤灰摻量的增多，不同齡期下的固化黏土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增加。28d齡期下當(dāng)粉煤灰摻量比為12%時(shí)，能夠比不摻粉煤灰的試件抗壓強(qiáng)度提高0.38MPa。這是因?yàn)榉勖夯易鳛槟z凝材料會(huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，粉煤灰微小玻璃球顆粒在堿性環(huán)境下不斷生成水化反應(yīng)產(chǎn)物，這些微小水化產(chǎn)物顆粒的生成不斷地分布于土和水泥水化產(chǎn)物之間，固化黏性土顆粒，使黏土顆粒更加密實(shí)，提高了固化黏土的抗壓強(qiáng)度[7]。從圖2中能夠看出7d齡期時(shí)，強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量的增加強(qiáng)度增長(zhǎng)比較平緩，后期強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量的變化，增長(zhǎng)較為迅速，才呈現(xiàn)出較大的區(qū)別。所以粉煤灰對(duì)固化黏土的早期強(qiáng)度影響不是很明顯，主要是影響其后期強(qiáng)度。從圖2中也可以看出粉煤灰對(duì)水泥固化黏土的提高作用有限，并不能顯著地提高固化黏土的抗壓強(qiáng)度。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 砂摻量比對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

相比于水泥的價(jià)格，砂具有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，并且砂的來(lái)源廣泛。本文通過(guò)在水泥固化土中加入一定量的砂來(lái)研究摻砂對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，為水泥土抗壓強(qiáng)度提高以及降低固化成本提供新的思路。砂摻量比對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示。水泥的摻量比為占干土質(zhì)量的12%保持不變，砂的摻量比為砂的體積占干土體積的比值，砂的體積比分別為0%、10%、20%、30%。從圖3中能夠看出隨著砂的摻量體積比的增加，固化黏土的抗壓強(qiáng)度持續(xù)增加，增加效果比較顯著。當(dāng)砂的摻量體積比為30%，28d的固化抗壓強(qiáng)度為4.68MPa。能夠比不摻砂的基準(zhǔn)對(duì)照組高出1.80MPa。摻砂能夠顯著提高固化黏土的強(qiáng)度的原因主要是砂顆粒的置換作用以及水泥水化形成的水化硅酸鈣的膠結(jié)作用，砂、黏土顆粒以及水化產(chǎn)物膠結(jié)在一起，砂能夠在其中提供骨架的作用。隨著齡期的增加，水泥水化硅酸鈣將黏土顆粒和砂顆粒膠結(jié)成整體，各種材料之間的孔隙被水化產(chǎn)物填充，固化黏土密實(shí)性顯著提高，抗壓強(qiáng)度顯著增加[8]。

圖3 砂摻量比對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

3.4 石子摻量比對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

石子的粒徑比砂的粒徑大，在固化黏土中加入小石子目前研究還比較少。為了充分降低固化黏土的成本，本文研究了在固化黏土加入小石子。石子摻量對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4所示。石子的摻量比為石子的體積占干土體積的比值，水泥的摻量保持為干土質(zhì)量比的12%不變，石子的摻量比在0%、10%、20%、30%之間呈梯度變化。從圖4能夠看出隨著石子的摻量體積比的增加，固化黏土的抗壓強(qiáng)度持續(xù)提高。當(dāng)石子的摻量體積比為30%時(shí)，28d齡期下固化黏土的抗壓強(qiáng)度為5.08MPa，能夠比不摻石子的基準(zhǔn)對(duì)照組高出2.20MPa。石子摻量能顯著提高固化黏土抗壓強(qiáng)度的主要原因是石子能在固化黏土之間形成空間骨架，石子和水泥形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)可以有效地提高固化黏土的抗壓強(qiáng)度[9]。另外一方面隨著石子體積比的增加，相對(duì)地導(dǎo)致黏土所占的體積減小，黏土所占的體積小，使得水泥固化黏土更加容易。

圖4 石子摻量比對(duì)固化黏土抗壓強(qiáng)度的影響

4 結(jié)論

①水泥摻量的增加可以顯著地提高固化黏土的抗壓強(qiáng)度。水泥摻量越高，固化黏土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)越快。

②水泥中加入粉煤灰作為膠凝材料固化黏土可以提高抗壓強(qiáng)度。粉煤灰對(duì)水泥固化土的早期強(qiáng)度影響比較小，主要是影響其后期強(qiáng)度，但是粉煤灰對(duì)固化黏土強(qiáng)度的提高有限。

③在水泥固化黏土中摻入一定量的砂，能夠有效地增加抗壓強(qiáng)度。砂提高固化黏土抗壓強(qiáng)度增加的主要是水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和砂顆粒在黏土中間的骨架作用，使得固化黏土更加密實(shí)，使抗壓強(qiáng)度增加。

④固化黏土中摻入一定量的石子，可以有效地增加抗壓強(qiáng)度，其當(dāng)石子的摻量超過(guò)20%時(shí)，固化黏土的增長(zhǎng)迅速。適量石子的加入，可有效提高水化結(jié)構(gòu)體系的密實(shí)性，與砂相比而言，石子的摻量對(duì)水泥土強(qiáng)度的提高更加的明顯。