水泥摻量和養(yǎng)護(hù)溶液對(duì)水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度的影響

■牛 瑞

（山西交通控股集團(tuán)有限公司運(yùn)城南高速公路分公司，運(yùn)城 044000）

水泥土具有良好的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、道路、鐵路等基礎(chǔ)工程建設(shè)[1-2]。水泥摻量是影響水泥土力學(xué)強(qiáng)度的主要因素之一，且水泥土強(qiáng)度的發(fā)展與外界養(yǎng)護(hù)環(huán)境緊密相關(guān)。 目前，針對(duì)水泥土力學(xué)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及影響因素，國內(nèi)外學(xué)者展開了一定研究。 Shihata 等[3]研究了Ca2+溶度對(duì)水泥土強(qiáng)度影響規(guī)律。 韓鵬舉等[4]研究了MgSO4溶液對(duì)水泥土樁力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腗gSO4含量促進(jìn)水泥土強(qiáng)度增長。 范凌燕[5]、阮慶等[6]研究發(fā)現(xiàn)水泥摻量對(duì)水泥改良黏土抗壓強(qiáng)度影響顯著。 于英霞等[7]研究了夯實(shí)成型水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素，發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期線性相關(guān)，當(dāng)水泥摻量增加至一定值后抗壓強(qiáng)度提高效果弱化。 歐陽克連等[8]研究了水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期及侵蝕環(huán)境對(duì)水泥改良粉質(zhì)黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，低濃度化學(xué)溶液可提高水泥土抗壓強(qiáng)度。 賈景超等[9]研究發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液環(huán)境促進(jìn)水泥土強(qiáng)度增長，且SO42-對(duì)水泥土長齡期強(qiáng)度影響較顯著。 上述研究以水泥摻量、養(yǎng)生齡期等因素對(duì)水泥土力學(xué)強(qiáng)度影響為主，而不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度發(fā)展影響效果不一，且不同土體技術(shù)性質(zhì)差別明顯。 因此，本文以水泥改良黃土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，研究水泥摻量和養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律，為黃土地區(qū)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

黃土土樣取自河南地區(qū)，取土深度為1.5 m，按TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》確定物理力學(xué)性質(zhì)，見表1。 水泥選用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表2。養(yǎng)護(hù)溶劑選用某化工有限公司生產(chǎn)的NaCl、NaOH、Na2SO4。

表1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

（1）水泥劑量影響

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥摻量對(duì)水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律。 試驗(yàn)中， 擬水泥摻量為5%、7%、9%、11%、12%、15%，試件尺寸為Φ50 mm×h50 mm、Φ100 mm×h100 mm，養(yǎng)生齡期為7 d、28 d，養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式。

（2）養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響

①研究鹽溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律。 成型最佳水泥摻量的改良黃土試件，采用正交試驗(yàn)方法，見表3，分析NaCl、NaOH、Na2SO4含量對(duì)水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律，設(shè)計(jì)最優(yōu)養(yǎng)護(hù)溶液。

表3 正交試驗(yàn)因素及水平（單位：mol/L）

②結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)路基養(yǎng)護(hù)條件，對(duì)比研究最優(yōu)養(yǎng)護(hù)溶液環(huán)境、飽和石灰水溶液環(huán)境、清水環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)的水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度關(guān)系，建立改良黃土抗壓強(qiáng)度增長方程。 試驗(yàn)中，結(jié)合水泥土強(qiáng)度增長機(jī)理，擬水泥改良黃土養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d。

1.3 試件成型及養(yǎng)護(hù)

（1）試件成型

風(fēng)干土樣過5 mm 土壤圓孔篩， 測(cè)定土樣風(fēng)干含水率，采用手工拌和水泥改良黃土混合料。按表4中最佳含水率，采用靜壓法成型水泥改良黃土試件。結(jié)合TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)基床底層化學(xué)改良土填料壓實(shí)質(zhì)量要求，水泥改良黃土試件壓實(shí)度為95%。

表4 水泥改良黃土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

（2）試件養(yǎng)護(hù)

試件成型完畢后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室。 養(yǎng)生溶液養(yǎng)護(hù)的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生1 d 后，放入（20±2）℃溶液中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥劑量影響

水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度見圖1。 由圖1 可知，同一試件尺寸和養(yǎng)生齡期下，水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度隨水泥摻量增加逐漸增大，且無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度增長曲線基本一致。 當(dāng)試件尺寸為Φ50 mm×h50 mm，水泥摻量由5%增加至9%時(shí)，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高9.0%和9.5%；水泥摻量≥9%時(shí)，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高3.1%和2.6%。當(dāng)試件尺寸為Φ100 mm×h100 mm，水泥摻量由5%增加至9%時(shí)，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高9.3%和10.3%；水泥摻量≥9%，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別平均提高2.9%和1.9%。 說明水泥摻量對(duì)不同試件尺寸的改良黃土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律基本一致，當(dāng)水泥摻量≥9%，通過增加水泥摻量提高改良黃土力學(xué)強(qiáng)度作用弱化，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性變差。 對(duì)此，本文選用9%水泥摻量的改良黃土，開展養(yǎng)護(hù)溶劑對(duì)水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度影響研究。

圖1 水泥摻量對(duì)水泥改良黃土力學(xué)強(qiáng)度影響

2.2 養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響

2.2.1 最優(yōu)鹽溶液設(shè)計(jì)

水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析見表5、6，養(yǎng)護(hù)溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響見圖2。

圖2 試驗(yàn)因素及水平對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

表5 水泥改良黃土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

表6 水泥改良黃土28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

由表5、6 和圖2 可知，（1）同一養(yǎng)生齡期下，NaCl 含量列的水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度極差最大，說明NaCl 含量對(duì)改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響最大。隨NaCl 含量增加，水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，增長速率減小，NaCl 含量由0.1 mol/L增加至0.4 mol/L，其抗壓強(qiáng)度提高了10.5%；隨NaOH含量增加， 改良黃土抗壓強(qiáng)度呈線性降低，NaOH 含量增加0.1 mol/L，其抗壓強(qiáng)度降低約2.8%。 另外，Na2SO4含量由0.1 mol/L 增加至0.2 mol/L，其抗壓強(qiáng)度變化微小。 根據(jù)NaCl、NaOH、Na2SO4含量對(duì)水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律可知， 當(dāng)養(yǎng)生溶液中NaCl、NaOH 含量分別為0.4 mol/L、0.1 mol/L 時(shí)，水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大， 建議溶液中Na2SO4含量為0.02 mol/L。

（2）對(duì)水泥改良黃土正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，NaCl 含量列的水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度的F 值最大， 且NaCl、NaOH、Na2SO4含量的F 值均顯著低于F0.10（2，2）=9，說明NaCl、NaOH、Na2SO4含量對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化影響較小。 另外，同一影響因素下，隨養(yǎng)生齡期延長，改良黃土抗壓強(qiáng)度的F 值增大， 說明養(yǎng)護(hù)溶劑對(duì)改良黃土抗壓強(qiáng)度影響增大，對(duì)改良黃土強(qiáng)度增長具有促進(jìn)作用。

2.2.2 水泥改良黃土強(qiáng)度增長規(guī)律

不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3。 水泥劑量為9%。 由圖3 可知：

圖3 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

（1）隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長趨勢(shì)相同，改良黃土養(yǎng)護(hù)28 d 后的抗壓強(qiáng)度增長趨勢(shì)減緩。 這是因?yàn)樗喔牧键S土成型初期， 水泥發(fā)生初步水化反應(yīng)，土粒間的物理作用構(gòu)成水泥土初始強(qiáng)度，而隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長，水泥水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，水泥熟料逐漸被消耗殆盡，水泥改良黃土強(qiáng)度不再增長，達(dá)到極限強(qiáng)度。 故結(jié)合水泥改良黃土強(qiáng)度增長規(guī)律，建立強(qiáng)度增長模型，見式（1），回歸系數(shù)見表3。

式中：Rc—水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；Rc∞—水泥改良黃土極限無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；Rc0—水泥改良黃土初始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；α—強(qiáng)度增長系數(shù)；T—養(yǎng)護(hù)齡期，d。

（2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長最快，最優(yōu)鹽溶液環(huán)境次之。 當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，最優(yōu)鹽溶液環(huán)境下水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度約是飽和石灰水環(huán)境下改良黃土抗壓強(qiáng)度的1.28 倍，約是清水環(huán)境下改良黃土抗壓強(qiáng)度的1.28 倍，說明最優(yōu)鹽溶液環(huán)境較飽和石灰水或清水環(huán)境對(duì)改良黃土抗壓強(qiáng)度增長抑制效果相對(duì)較小。 這是因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)初期，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度顯著高于其他養(yǎng)生環(huán)境下抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度主要由土粒間物理作用及土粒、水泥與水三者間物理化學(xué)作用組成，抵抗水破壞能力較弱，從而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度較高且增長較快。 另外，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期≤14 d 時(shí)，飽和石灰水和清水環(huán)境下水泥改良黃土抗壓強(qiáng)度增長曲線相近，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，飽和石灰水環(huán)境較清水環(huán)境促進(jìn)改良黃土抗壓強(qiáng)度增長。

3 結(jié)論

（1）隨水泥摻量增加，不同試件尺寸的水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度增長趨勢(shì)一致，當(dāng)水泥摻量≥9%時(shí)， 增加水泥摻量對(duì)改良黃土力學(xué)強(qiáng)度提高效果弱化。 （2）養(yǎng)護(hù)溶液中NaCl 含量對(duì)改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響明顯，NaOH 含量次之，當(dāng)NaCl 含量由0.1 mol/L 增加至0.4 mol/L，抗壓強(qiáng)度提高了10.5%。 建議最優(yōu)養(yǎng)護(hù)溶液NaCl、NaOH、Na2SO4含量分別為0.4 mol/L、0.1 mol/L 和0.2 mol/L。（3）隨養(yǎng)護(hù)齡期延長，養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律影響相近，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下改良黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長最快，最優(yōu)鹽溶液環(huán)境次之；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期≥28 d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)減緩，基于水泥改良黃土強(qiáng)度增長規(guī)律，建立強(qiáng)度增長模型。