超細(xì)礦粉水泥土配合比設(shè)計(jì)及耐久性試驗(yàn)研究

羅振京

(湖南省湘鈞建設(shè)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌合，經(jīng)壓實(shí)、養(yǎng)生后具有一定強(qiáng)度的硬化材料，因其取材方便、施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地基加固、路基填筑、基坑圍護(hù)等工程中得到廣泛應(yīng)用。但水泥土強(qiáng)度影響因素較多，致使水泥土在工程應(yīng)用中存在不足，如水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加逐漸提高，但強(qiáng)度增長(zhǎng)速率降低、抗拉性能降低。選用合適的外摻劑改善水泥土的力學(xué)性能，既可避免水泥摻量過(guò)高，又能提高水泥土的耐久性。吳燕開(kāi)等的研究表明，將適量鋼渣粉摻入水泥土中，可有效提高其強(qiáng)度。夏永杰等的研究表明，水泥土中摻入10%摻量的鋼渣，抗剪性能最優(yōu)，且鋼渣水泥土脆性程度隨養(yǎng)生齡期增加逐漸提高。尹鈺婷的研究表明，脫硫石膏和粉煤灰改良水泥土的力學(xué)性能和耐久性優(yōu)于普通水泥土。許士釗采用水泥-堿渣改良軟土，結(jié)果表明，水泥摻量為10.5%、堿渣摻量為4.5%時(shí)，土體壓縮性顯著降低。柯開(kāi)展的研究表明，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土早期微觀結(jié)構(gòu)致密性逐漸提高。上述研究表明，水泥土中摻入礦物摻合料可提高其性能，而不同土樣對(duì)水泥土力學(xué)強(qiáng)度的影響不一樣。另外，超細(xì)礦粉含有較多礦物活性成分，在砼材料中應(yīng)用廣泛，而摻超細(xì)礦粉水泥土設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究較少。為此，該文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)超細(xì)礦粉水泥土配合比，通過(guò)室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)超細(xì)礦粉水泥土的耐久性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣選用黏土，其物理性質(zhì)見(jiàn)表1。水泥選用盾石牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。超細(xì)礦粉的比表面積為520 m2/kg，化學(xué)組成見(jiàn)表3。激發(fā)劑選用Ca(OH)2，Ca(OH)2含量≥95%。

表1 黏土的物理性質(zhì)

表2 水泥的技術(shù)性質(zhì)

表3 超細(xì)礦粉的化學(xué)組成

1.2 試驗(yàn)方案

(1) 超細(xì)礦粉水泥土配合比設(shè)計(jì)。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)超細(xì)礦粉水泥土配合比，試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

表4 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)方案

(2) 超細(xì)礦粉水泥土耐久性分析。按超細(xì)礦粉水泥土最佳配合比制備試件，對(duì)照普通水泥土，采用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗腐蝕性試驗(yàn)評(píng)價(jià)超細(xì)礦粉水泥土的耐久性。凍融循環(huán)試驗(yàn)中，水泥摻量為6%、8%、10%，養(yǎng)生齡期為28 d，凍融循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5、7、9、12、15次。抗腐蝕性試驗(yàn)中，選用Na2SO4溶液，Na2SO4濃度為1.5、3.0、4.5、6、9 g/L，養(yǎng)生齡期為7、14、28、60 d。

1.3 試件制備及養(yǎng)生

超細(xì)礦粉水泥土由黏土、水泥、超細(xì)礦粉、Ca(OH)2和水組成。土樣風(fēng)干碾碎，過(guò)5 mm圓孔篩，測(cè)定其風(fēng)干含水率；根據(jù)摻超細(xì)礦粉水泥土室內(nèi)最佳含水率，采用靜壓法成型壓實(shí)度96%的試樣。試樣制備完成后，用塑料薄膜包裹，放入(20±2) ℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。水泥和超細(xì)礦粉采用外摻法。試樣尺寸為直徑100 mm×高度100 mm。

1.4 性能測(cè)試方法

(1) 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。按JTG E40—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法測(cè)定超細(xì)礦粉水泥土的力學(xué)強(qiáng)度，試驗(yàn)儀器選用壓力試驗(yàn)機(jī)MYL-2000D，加載速率為1 mm/min。

(2) 凍融循環(huán)試驗(yàn)。試件養(yǎng)生28 d后，測(cè)定試件質(zhì)量m0并放入冷凍箱中，在-15 ℃條件下凍結(jié)12 h；凍結(jié)完成后放入20 ℃恒溫箱中融化12 h，測(cè)定試件質(zhì)量mn和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，此為一次凍融循環(huán)過(guò)程。試件凍結(jié)與融化過(guò)程中，不拆除其表面塑料薄膜，以減少試件水分散失引起的誤差。凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，按式(1)、式(2)分別計(jì)算試件的凍融殘留強(qiáng)度比和質(zhì)量損失率。

ηn=Rcn/Rc0×100

(1)

(2)

式中：η為凍融殘留強(qiáng)度比(%)；Rcn為凍融循環(huán)n次時(shí)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；Rc0為凍融循環(huán)前試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；η′為質(zhì)量損失率(%)；m0為凍融循環(huán)前試件質(zhì)量(g)；mn為凍融循環(huán)n次時(shí)試件質(zhì)量(g)。

(3) 抗腐蝕性試驗(yàn)。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生1 d后，分別放入Na2SO4溶液和清水中養(yǎng)生到養(yǎng)生齡期，測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，按式(3)計(jì)算抗腐蝕系數(shù)。

K=Rc1/Rc0

(3)

式中：K為抗腐蝕系數(shù)；Rc1為Na2SO4溶液中養(yǎng)生n天時(shí)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；Rc0為清水中養(yǎng)生n天時(shí)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 配合比設(shè)計(jì)

超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，正交試驗(yàn)極差見(jiàn)表5。

由圖1和表5可知：水泥摻量對(duì)超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最顯著，Ca(OH)2摻量次之，水泥摻量8%、超細(xì)礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量1.8%的改良土的抗壓強(qiáng)度最大，為7.55 MPa。水泥摻量、超細(xì)礦粉摻量、Ca(OH)2摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。

表5 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)極差與方差

圖1 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)結(jié)果

從圖2可看出：1) 隨水泥摻量或Ca(OH)2摻量增加，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高。水泥摻量≤6%時(shí)，水泥摻量增加對(duì)提高超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度效果顯著，水泥摻量增加1%，抗壓強(qiáng)度提高約20.8%；水泥摻量由6%增加至8%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高微?。籆a(OH)2摻量由0增加至0.6%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高顯著，提高28.8%；Ca(OH)2摻量≥0.6%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高緩慢。建議水泥摻量和Ca(OH)2摻量分別取6%、0.6%。2) 超細(xì)礦粉水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)礦粉摻量的增加先降低后增加，超細(xì)礦粉摻量為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最低，為4.48 MPa；超細(xì)礦粉摻量≥4%時(shí)，超細(xì)礦粉摻量增加1%，抗壓強(qiáng)度提高8.1%以上。超細(xì)礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響較大，建議超細(xì)礦粉摻量取8%。

圖2 固化劑對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 耐久性分析

2.2.1 抗凍性

分別按水泥摻量6%、8%、10%制備普通水泥土試件，按水泥摻量6%、超細(xì)礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%制備超細(xì)礦粉水泥土試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知：凍融循環(huán)條件下，普通水泥土與超細(xì)礦粉水泥土的質(zhì)量損失率和凍融殘留強(qiáng)度比變化規(guī)律一致，超細(xì)礦粉水泥土的抗凍性能優(yōu)于普通水泥土。1) 凍融循環(huán)次數(shù)一致時(shí)，隨水泥摻量增加，水泥土的質(zhì)量損失率減小、凍融殘留強(qiáng)度比增大，抗凍性能提高；水泥土的質(zhì)量損失率與水泥劑量大致呈線性負(fù)相關(guān)，水泥摻量增加1%，水泥土的質(zhì)量損失率降低16.3%以上，凍融殘留強(qiáng)度比增長(zhǎng)率逐漸增大。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，水泥土的凍融殘留強(qiáng)度比呈線性趨勢(shì)增大(見(jiàn)圖4)；水泥摻量增加1%，水泥土凍融循環(huán)1次的殘留強(qiáng)度比提高約1.2%，凍融循環(huán)15次的殘留強(qiáng)度比提高約14.1%，說(shuō)明水泥摻量增加，水泥土的抗凍性能提高較顯著。2) 凍融循環(huán)次數(shù)一致時(shí)，與10%水泥摻量水泥土的抗凍性能相比，超細(xì)礦粉水泥土的質(zhì)量損失率降低約36.0%、凍融殘留強(qiáng)度比提高約2.7%。這是因?yàn)槌?xì)礦粉中SiO2、Al2O3等活性成分與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成硅酸鈣等凝膠物質(zhì)填充土粒間孔隙，提高了土體密實(shí)度，改善了水泥土結(jié)構(gòu)，使超細(xì)礦粉水泥土的抗凍性能優(yōu)于普通水泥土。3) 隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，水泥土與超細(xì)礦粉水泥土的質(zhì)量損失率呈線性增長(zhǎng)，凍融殘留強(qiáng)度比不斷降低。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)過(guò)程中，試件表面發(fā)生凍結(jié)，體積膨脹且不斷向其內(nèi)部深入，當(dāng)凍脹應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，膠凝材料與土粒界面結(jié)合處產(chǎn)生微裂縫；在融化階段，水在壓力作用下沿微裂縫流入試件內(nèi)部較大孔隙，導(dǎo)致在凍結(jié)作用下凍脹應(yīng)力增大，進(jìn)一步破壞試件結(jié)構(gòu)，使試件質(zhì)量損失增加、承載能力降低。

圖3 超細(xì)礦粉水泥土凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)-水泥土殘留強(qiáng)度比增長(zhǎng)率關(guān)系

2.2.2 抗腐蝕性

按水泥摻量10%制備普通水泥土試件，按水泥摻量6%、超細(xì)礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%制備超細(xì)礦粉水泥土試件，在Na2SO4溶液環(huán)境下進(jìn)行抗腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 普通水泥土抗腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖6 超細(xì)礦粉水泥土抗腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

從圖5～6可以看出：1) 同齡期的超細(xì)礦粉水泥土的抗腐蝕性優(yōu)于普通水泥土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高11.5%以上；隨Na2SO4溶液濃度升高，不同養(yǎng)生齡期水泥土和超細(xì)礦粉水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕系數(shù)變化規(guī)律一致，抗壓強(qiáng)度和抗腐蝕系數(shù)先增加后減少。Na2SO4溶液濃度為1.5 g/L時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗腐蝕系數(shù)最大，水泥土和超細(xì)礦粉水泥土的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。Na2SO4溶液濃度從4.5 g/L升高至9.0 g/L時(shí)，水泥土和超細(xì)礦粉水泥土的抗壓強(qiáng)度呈線性緩慢降低，且兩者降低速率相近，Na2SO4溶液濃度增加1.5 g/L，抗壓強(qiáng)度降低約3.9 g/L；Na2SO4溶液濃度≤3 g/L時(shí)，水泥土和超細(xì)礦粉水泥土的抗腐蝕系數(shù)>1，即抗壓強(qiáng)度提高，一定濃度的Na2SO4溶液可促進(jìn)水泥土和超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度的提高。2) 隨養(yǎng)生時(shí)間增加，不同Na2SO4溶液濃度時(shí)，水泥土與超細(xì)礦粉水泥土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致(見(jiàn)圖7)。前28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，隨后抗壓強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)。養(yǎng)生齡期由28 d增加至60 d時(shí)，水泥土與超細(xì)礦粉水泥土的抗壓強(qiáng)度分別平均提高14.7%、15.3%。這是因?yàn)殡S養(yǎng)生時(shí)間增加，水泥熟料逐漸被消耗，在養(yǎng)生齡期28 d時(shí)，水泥水化反應(yīng)基本完成，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩。另外，Na2SO4溶液濃度為9.0 g/L時(shí)，水泥土與超細(xì)礦粉水泥土的抗壓強(qiáng)度最小，較清水條件下抗壓強(qiáng)度至少降低9.9%?？赡苁怯捎诖罅縎O42-與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生膨脹力，使土粒間黏聚力減弱，導(dǎo)致試件出現(xiàn)微裂縫，因而抗壓強(qiáng)度降低。

圖7 不同Na2SO4溶液濃度時(shí)水泥土與超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律

3 結(jié)論

(1) 水泥摻量對(duì)超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最顯著，Ca(OH)2摻量次之。水泥摻量≥6%或Ca(OH)2摻量≥0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高幅度較?。怀?xì)礦粉摻量≥4%，超細(xì)礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響較大。建議超細(xì)礦粉水泥土配合比為水泥摻量6%、超細(xì)礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%。

(2) 超細(xì)礦粉水泥土的抗凍性能優(yōu)于普通水泥土。水泥土的質(zhì)量損失率與水泥摻量呈線性負(fù)相關(guān)，水泥摻量增加1%，水泥土的質(zhì)量損失率降低16.3%以上；凍融循環(huán)次數(shù)一致時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土的質(zhì)量損失率較10%水泥摻量改良土降低約36.0%，凍融殘留強(qiáng)度比提高約2.7%。

(3) 超細(xì)礦粉水泥土的抗腐蝕性優(yōu)于普通水泥土。Na2SO4溶液濃度為1.5 g/L時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土的抗壓強(qiáng)度和抗腐蝕系數(shù)最大，其抗壓強(qiáng)度較水泥土提高約12.8%；Na2SO4溶液下超細(xì)礦粉水泥土前28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，齡期由28 d增加至60 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度平均提高15.3%。