水泥穩(wěn)定土干縮性能及其尺寸效應(yīng)

陳 杰，朱學(xué)英，付 梁，王 珩

(1.蒙城縣水利局，安徽 蒙城 233500； 2中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222； 3.南京水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所，江蘇 南京 210024)

使用水泥進(jìn)行穩(wěn)定處理的土稱為水泥穩(wěn)定土(以下簡(jiǎn)稱“水泥土”)，水泥土研究源自20世紀(jì)的美國(guó)和日本[1]。相比傳統(tǒng)的石灰，對(duì)高水分的土壤[2]，使用水泥作為穩(wěn)定組分具有更好的穩(wěn)定性。水泥還可以和固廢摻合料聯(lián)用進(jìn)一步改善土壤的強(qiáng)度和耐久性[3]。工程上對(duì)水泥土的強(qiáng)度和耐久性問題比較重視，但對(duì)收縮重視不足，實(shí)際上，收縮問題與耐久性問題同等重要。水泥土收縮主要可分為水泥水化產(chǎn)生的自收縮、失水產(chǎn)生的干縮和溫度變化產(chǎn)生的熱收縮三部分[4]，其中干縮占比在70%以上[5]。土料品種也對(duì)收縮有影響，一般水泥土收縮量在0.1%～1%，粗粒土料接近下限，細(xì)粒土料接近上限[6]。

在工程運(yùn)行早期，水泥土的收縮會(huì)受到上下層摩擦約束，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力超過水泥土的最大容許拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生還將加速水的滲透，從而降低其耐久性[7]。一般來說，黏土水泥土的裂縫寬度較小但間距很近(0.6～3.0 mm)[8]。

George[9]研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)的水泥穩(wěn)定材料收縮更大；Bahar等[10]研究了阿爾及利亞的水泥穩(wěn)定細(xì)顆粒土的收縮，發(fā)現(xiàn)在早期收縮值也很大。水泥土的收縮還與其初始含水率有關(guān)，如果初始含水率降低到70%，由于孔隙水的不連續(xù)性，收縮裂縫會(huì)減少[11]。

我國(guó)于20世紀(jì)70年代開始對(duì)水泥土的工程性質(zhì)和理論開展研究，近年來隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn)，水泥土以經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工方便的特點(diǎn)成為地下防滲[12]、地基處理、護(hù)坡的主要材料[13]。國(guó)內(nèi)對(duì)于水泥土的收縮研究較少，嵇曉雷等[14]針對(duì)水泥攪拌樁研究了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥土試件收縮的影響，但不包含干燥環(huán)境；陳甦等[15]對(duì)水泥土強(qiáng)度問題進(jìn)行了尺寸效應(yīng)研究。目前相關(guān)研究存在以下不足：①試件成型基本為擠壓方式，與實(shí)際碾壓工藝有偏差；②缺乏前期不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)干縮影響的研究；③沒有研究室內(nèi)干縮試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)。

本文結(jié)合安徽蒙城某水利樞紐工程，對(duì)水泥土的干縮和尺寸效應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，以期為工程制定防裂控制方案提供參考。

1 原材料

試驗(yàn)原材料取自安徽蒙城的某水利樞紐工程，該工程由節(jié)制閘、分洪閘、船閘3座建筑物組成，是一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)于一體的樞紐工程。根據(jù)設(shè)計(jì)，節(jié)制閘和船閘基礎(chǔ)處理采用水泥土換填。試驗(yàn)用土包括輕粉質(zhì)壤土(船閘部位選用，以下簡(jiǎn)稱“輕土”)和重粉質(zhì)壤土(節(jié)制閘選用，以下簡(jiǎn)稱“重土”)兩種(該分類名稱來自SL 265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》)。水泥選用散裝32.5級(jí)粉煤灰硅酸鹽水泥。

依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)兩種土分別進(jìn)行了物理性質(zhì)、顆粒組成等測(cè)試，結(jié)果見表1和表2，可見它們屬于低液限黏土。兩種土的性質(zhì)區(qū)別不大，重土的細(xì)顆粒略多。

表1 土的物理性質(zhì)

表2 土的顆粒組成

表3 水泥土的配合比

2 試驗(yàn)方法

2.1 水泥土配合比計(jì)算

在進(jìn)行水泥土試驗(yàn)前，對(duì)水泥用量為10%左右的水泥土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)(筒容積2 103.9 cm3，擊錘質(zhì)量4.5 kg，每層擊數(shù)56，落距457 mm)，得到最大干密度和最佳含水率。其中，輕土水泥土的最大干密度為1.72 g/cm3,對(duì)應(yīng)最佳含水率為19.8%；重土水泥土最大干密度為1.73 g/cm3,對(duì)應(yīng)最佳含水率為18.2%。水泥土配合比以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，水泥用量以干土為基準(zhǔn)共選用7%、10%和13%等3種。

拌和前將原土晾干為風(fēng)干土，再碾碎并過5 mm圓孔篩，以便去除其中的大顆粒，然后裝袋密封保存用于后續(xù)試驗(yàn)。由于配合比中土的用量以干土計(jì)，而實(shí)際拌和制樣時(shí)使用風(fēng)干土，故需測(cè)量風(fēng)干土的含水率，便于配合比計(jì)算。試驗(yàn)前對(duì)風(fēng)干土的含水率可再次測(cè)量以保證實(shí)際用水量的穩(wěn)定。以風(fēng)干土為基準(zhǔn)的配合比見表3。

2.2 成型及測(cè)試方法

水泥土采用強(qiáng)制式砂漿攪拌機(jī)拌制。為了模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工工藝，試件制作未采用通常的壓實(shí)或擊實(shí)，而是采用振動(dòng)臺(tái)結(jié)合壓重塊的方式進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率為50 Hz，空載振幅為0.5 mm；參考SL 352—2018《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)碾壓混凝土試驗(yàn)的要求，壓重塊采用高度為61 mm的不銹鋼塊，截面尺寸同試件尺寸。將試模放在振動(dòng)臺(tái)上，分層加入拌制好的水泥土，每層均放上壓重塊，開啟振動(dòng)臺(tái)30 s，水泥土即可振動(dòng)壓實(shí)。

強(qiáng)度試件為邊長(zhǎng)50 mm的立方體，干縮試件為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體。干縮試模端部留有小孔便于裝入測(cè)頭，每個(gè)試件分3層壓實(shí)，最后一層壓實(shí)后，用刮刀小心去除多余材料，并使表面平整。參照SL 352—2018《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的水泥砂漿干縮試驗(yàn)，采用電子千分尺測(cè)量長(zhǎng)度。

同一個(gè)配合比進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)期的干縮對(duì)比，即試件拆模后，分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和14 d，養(yǎng)護(hù)期滿后再放入干縮室(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度60%)，測(cè)量其干燥后各齡期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的試件長(zhǎng)度，并計(jì)算其干縮率，基準(zhǔn)值測(cè)量在拆模后即開始；測(cè)長(zhǎng)時(shí)同步稱重，以記錄試件的質(zhì)量變化。

尺寸效應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×315 mm的大試件，同樣在試件制作過程中埋入不銹鋼測(cè)頭，采用混凝土測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量試件長(zhǎng)度的變化。重土和輕土各對(duì)比一個(gè)水泥用量下不同尺寸試件的干縮率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件成型后壓實(shí)度均在94%以上，可避免壓實(shí)度不合格對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3 試件的質(zhì)量損失率

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

水泥土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度大于95%)下的7 d、28 d、56 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖1。加入水泥后，水泥土的強(qiáng)度是原土樣的幾十倍。隨齡期延長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)，28 d后基本穩(wěn)定，增速變緩；隨著水泥用量的增加，水泥土強(qiáng)度增加明顯。因?yàn)樗嗨?8 d前較快，生成的水化產(chǎn)物填充了土壤顆粒的空隙，大大增加了整體強(qiáng)度，而28 d后水化產(chǎn)物增加減緩，故強(qiáng)度增加較少。

圖1 試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2 不同養(yǎng)護(hù)期下的干縮率和質(zhì)量損失率

兩種水泥土試件在不同養(yǎng)護(hù)期后的干縮率和質(zhì)量損失率見圖2和圖3。

由圖2和圖3可見，總體來看，水泥土的干縮率和質(zhì)量損失率均隨干燥齡期延長(zhǎng)而增大，7 d前迅速增大，7 d后減緩，14 d后趨于穩(wěn)定，56 d基本穩(wěn)定，其最終干縮率在(9～15)×10-3間，最終的質(zhì)量損失率為10%～12%。

在不同的養(yǎng)護(hù)期下，水泥土的干縮會(huì)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間略有降低。圖4為養(yǎng)護(hù)期對(duì)各組試件最終干縮率的影響；養(yǎng)護(hù)期從3 d增加到14 d時(shí)，降低率為5%～14%，說明養(yǎng)護(hù)期延長(zhǎng)對(duì)降低水泥土的干縮有利，但延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期對(duì)于降低干縮率的效果沒有增加水泥用量明顯。

從圖4還可以看出，水泥用量對(duì)最終干縮率的影響大于養(yǎng)護(hù)時(shí)間，輕土干縮率較重土大。在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，各組試件最終干縮率由大到小順序?yàn)镸Q1、MZ1、MQ2、MZ2、MQ3、MZ3，綜合來看，水泥用量增加，干縮率降低，且輕土的干縮率大于重土，可能是由于拌和用水相對(duì)較多，形成的孔洞較多導(dǎo)致。

崔宏環(huán)等[16]通過研究和計(jì)算，認(rèn)為水泥土的干縮主要發(fā)生在前15 d，因此如果在前15 d加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，就可以減小干縮變形，但是從本次試驗(yàn)結(jié)果看，早期的養(yǎng)護(hù)對(duì)于水泥土的干縮有一定緩解，但進(jìn)入干燥期后，之前長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)對(duì)于水泥土干縮降低效果有限，因此實(shí)際工程可酌情進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期對(duì)水泥土試件56 d干縮率的影響

圖6 干縮率與質(zhì)量損失率的關(guān)系

圖7 試件尺寸對(duì)干縮率的影響

圖8 試件尺寸對(duì)質(zhì)量損失率的影響

3.3 水泥用量對(duì)干縮率的影響

由圖2和圖3、4可以看出，隨著水泥用量的增加，各齡期的水泥土干縮率均降低，其原因有兩方面，一是水泥顆粒水化后，堵塞了土壤顆粒的大孔，改善了孔結(jié)構(gòu)[17]，使得水分散失減少；二是水泥水化形成的水泥石彈性模量較高，收縮率遠(yuǎn)小于土。圖5為各組試件56 d干縮率與水泥用量的關(guān)系，水泥用量每提

圖5 水泥用量對(duì)水泥土試件56 d干縮率的影響

高3個(gè)百分點(diǎn)，最終干縮率可降低10%～20%。

3.4 干縮率與質(zhì)量損失率的關(guān)系

不同水泥用量的水泥土干縮率均與其干燥的質(zhì)量損失率正相關(guān)，質(zhì)量損失是由于干燥環(huán)境下的失水導(dǎo)致。由圖6可見，干縮率與質(zhì)量損失率基本呈線性關(guān)系，質(zhì)量損失率超過9%后，干縮率變化略緩；不同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，早期干縮率差異不大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)的試件，后期在相同質(zhì)量損失率下，其最終干縮率略小，其原因是在較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，水泥水化較為充分，形成的水泥石較多，抑制了水泥土的后期收縮。

3.5 水泥土試件的尺寸效應(yīng)

選擇MZ2和MQ2兩組試件配合比，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期為3 d的大試件(100 mm×100 mm×315 mm)和小試件(40 mm×40 mm×160 mm)干縮變形對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖7和圖8。由圖7、圖8可見，大小試件的干縮率曲線基本重合，小試件的早期干縮率較大，這是由于其早期失水較快所致，而大試件體積較大，失水較慢，因此在干燥早期質(zhì)量損失率和干縮均較小，但14 d后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件已無差別，甚至略大。MZ2組大小試件的最終干縮率分別為12.307×10-3和11.616×10-3，相對(duì)偏差約5%；MQ2組大小試件干縮率分別為13.971×10-3和12.616×10-3，相對(duì)偏差約10%。對(duì)于水泥土干縮率測(cè)試來說，10%以內(nèi)的偏差是可以接受的，且對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)來說，干縮率測(cè)試僅作為相互對(duì)比，因此可以認(rèn)為干縮率的測(cè)量與試件尺寸沒有太大關(guān)系，采用小試件具有相當(dāng)好的代表性。

4 結(jié) 論

a.在相對(duì)濕度60%、溫度(20±2)℃條件下，水泥土的干縮率隨干燥齡期延長(zhǎng)而增大，7 d前干縮率迅速增大， 14 d后趨于穩(wěn)定，56 d基本穩(wěn)定，最終干縮率在(9～15)×10-3之間，水泥用量每提高3個(gè)百分點(diǎn)，最終干縮率可降低10%～20%。

b.與重土相比，輕土干縮較大，可能是由于拌和用水較多，形成的孔洞較多所致；水泥土的干縮率與其干燥的質(zhì)量損失率正相關(guān)。

c.由于水泥水化產(chǎn)物對(duì)于土體收縮的抑制，隨著水泥用量的增加，試件各齡期的干縮率均降低。干燥前的養(yǎng)護(hù)期延長(zhǎng)會(huì)降低水泥土后期的干縮率，如干燥前養(yǎng)護(hù)時(shí)間從3 d增加到14 d時(shí)，干縮的降低率為5%～14%，說明延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)降低水泥土的收縮有利，但降低效果沒有水泥用量增加的影響大， 實(shí)際工程可根據(jù)需要確定合理的養(yǎng)護(hù)期。

d.與小試件相比，大試件由于體積較大，在干燥環(huán)境下早期失水較慢，干縮率較小，但14 d后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件非常接近，最終干縮率相對(duì)偏差在10%以內(nèi)。對(duì)于水泥土來說，采用小試件測(cè)量干縮率具有良好的代表性。