水泥土的工程特性研究

王方圓，肖 瑜，于春亮

(濟(jì)南市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250014)

水泥土也稱水泥穩(wěn)定土，是由一定含水量的土、水泥以及其他組分(如外加劑)按照一定比例拌合均勻，并經(jīng)機(jī)械壓實(shí)、養(yǎng)生后形成的具有一定整體性、水穩(wěn)定性和強(qiáng)度的結(jié)硬性混合物[1，3，5]。水泥土以其良好的承載力、低壓縮性、較高的抗剪強(qiáng)度、較好的抗滑穩(wěn)定性能、抗?jié)B穩(wěn)定性能、抗液化性能和耐沖刷性能等工程性質(zhì)，最大限度地利用場(chǎng)地現(xiàn)狀土的優(yōu)勢(shì)等，在水利工程處理淺部軟弱地基土層及液化地基土層、翼(擋)墻墻后回填和河道防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。

1 水泥土的凝結(jié)硬化與加固機(jī)理[8-9]

水泥土的凝結(jié)硬化與加固是基于水泥與一定含水量的土之間一系列的物理—化學(xué)反應(yīng)，不僅存在水泥的水化硬化，而且還伴隨著土體與水泥水化物的相互作用。通常認(rèn)為水泥土的凝結(jié)硬化與加固機(jī)理有：①水泥的水解和水化反應(yīng)；②離子交換和團(tuán)?；饔茫虎塾材磻?yīng)；④水泥水化物的碳酸化作用。其中②和③兩條為土體與水泥水化物的相互作用。

2 水泥土的物理力學(xué)及其他工程性質(zhì)

結(jié)合水泥土在水利工程中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，工程技術(shù)人員關(guān)注的水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)及其他工程性質(zhì)主要有：①物理性質(zhì)參數(shù)(含水量、密度和比重)；②力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(壓縮性，抗剪強(qiáng)度參數(shù))；③滲透性；④抗沖刷性；⑤耐久性(抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性)。

2.1 物理性質(zhì)參數(shù)

(1)含水量

由于水泥土在凝結(jié)硬化與加固過(guò)程中需要消耗原土樣中的水分參與物理—化學(xué)反應(yīng)，因此水泥土的含水量通常比原土樣的含水量低。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，水泥土含水量比原土樣含水量一般減少約0.5%～7.0%之間，且隨著水泥摻入比的增加原土樣含水量減少。

(2)密度

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，水泥的密度(指堆積密度)取決于堆放的緊密程度，松散時(shí)約為1.0～1.3g/cm3，緊密時(shí)可達(dá)1.5～2.0g/cm3，一般與土的密度(軟土1.4～1.9g/cm3，常規(guī)土1.75～1.95g/cm3)[7]相差不多。因此水泥土的密度通常與原土樣的密度相近。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，當(dāng)原土樣密度1.71～1.75g/cm3，水泥摻入比在5%～20%變化時(shí)，水泥土的密度比原土樣增加約0.5%～2.5%。

(3)比重

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，硅酸鹽水泥的比重一般為3.05～3.20，在進(jìn)行配比計(jì)算時(shí)通常取值3.10，一般比土的比重(砂、砂壤土、壤土和黏土平均比重分別取值為2.65、2.70、2.71和2.74)[7]大，因此水泥土的比重通常比原土樣的比重稍大。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，當(dāng)原土樣比重2.69～2.76，水泥摻入比在5%～20%變化時(shí)，水泥土的比重比原土樣增加約0.7%～2.5%。

2.2 力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

(1)壓縮性

水泥土是由各組分按照一定比例拌合均勻，并經(jīng)機(jī)械壓實(shí)、養(yǎng)生后形成的結(jié)硬性混合物，因此水泥土的壓縮性與原場(chǎng)地土相比大幅度降低，且具有低壓縮性。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，水泥土的壓縮系數(shù)約為0.02～0.035MPa-1，其相應(yīng)的壓縮模量為60～100MPa。

(2)抗剪強(qiáng)度

由于形成過(guò)程中的凝結(jié)硬化與加固，水泥土的整體性和穩(wěn)定性均較原場(chǎng)地土有大幅度提高。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的增加而提高，當(dāng)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu=0.3～4.0MPa時(shí)，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，內(nèi)摩擦角在20°～30°；且一般來(lái)說(shuō)，原場(chǎng)地土中粗顆粒含量越多，內(nèi)摩擦角越大[10]。

2.3 滲透性

由于水泥的水化產(chǎn)物將原場(chǎng)地土顆粒膠聚在一起，形成水穩(wěn)定性較好的結(jié)硬性混合物水泥土，加之水泥土的細(xì)顆粒含量較高，使得水泥土具有較好的防滲性能和抗?jié)B性能[11-13]；根據(jù)文獻(xiàn)[6]，水泥土的滲透系數(shù)隨水泥摻入比的增大和養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減小，一般可達(dá)10-5～10-8cm/s數(shù)量級(jí)，具弱～極微透水性。

2.4 抗沖刷性

水泥土的整體性和水穩(wěn)定性均較原場(chǎng)地土有大幅度提高，其抗沖刷性也較原場(chǎng)地土有大幅度的提高。山東省水利科學(xué)研究院與長(zhǎng)江水利委員會(huì)合作進(jìn)行的抗沖刷試驗(yàn)資料見(jiàn)表1，其中試件采用輕粉質(zhì)砂壤土(黏粒含量3%～6%)及325號(hào)硅酸鹽水泥配置，擠壓成型后干密度為1.5g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后經(jīng)平?jīng)_及45°角斜沖試件表面2h的試驗(yàn)資料。

表1 水泥土抗沖刷性能試驗(yàn)資料

由表1可得，不摻水泥的夯實(shí)素土試件抗沖流速小于0.5m/s；而水泥摻量大于4%的試件，平?jīng)_的抗沖流速大于6m/s，斜沖的抗沖流速大于3m/s，抗沖刷性較夯實(shí)素土有了大幅度的提高。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，土料中黏粒含量越多，水泥土的抗沖刷性越強(qiáng)。

2.5 耐久性(抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性)

由于水泥土形成過(guò)程中的凝結(jié)硬化與加固成為結(jié)硬性混合物，改善了原場(chǎng)地土的孔隙結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，孔隙水減少，結(jié)冰產(chǎn)生的劈裂破壞力減弱，由此水泥土的抗凍性較原場(chǎng)地土有所提高；耐干濕性也較原場(chǎng)地土有所提高。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，山東省水利科學(xué)研究院選用魯西北平原地區(qū)侵蝕性能較強(qiáng)的硫酸鈉溶液進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力。

3 水泥土性能的影響因素

影響水泥土物理力學(xué)及其他工程性質(zhì)的因素較多，包括土性(巖性、黏粒含量、土體含水量、土體有機(jī)質(zhì)含量、土體酸堿性、塑性指數(shù)和黏土礦物成分等)、水泥品種與強(qiáng)度等級(jí)、水泥摻入比、外加劑、水泥與土的拌合及壓實(shí)程度，養(yǎng)護(hù)方法、養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)齡期與使用條件等。

(1)土性(巖性、土體含水量、土體有機(jī)質(zhì)含量、土體酸堿性和黏土礦物成分等)

①通常原場(chǎng)地土中粗顆粒含量越多，水泥土的強(qiáng)度越大，滲透系數(shù)越大，抗沖刷性越差，抗凍性越強(qiáng)。

②當(dāng)水泥土的配方相同時(shí)，其強(qiáng)度隨原場(chǎng)地土天然含水量的降低而增大；試驗(yàn)表明，當(dāng)土的含水量在50%～85%范圍內(nèi)變化時(shí)，含水量每降低10%，水泥土強(qiáng)度可提高30%。

原場(chǎng)地土含水量的減少，水泥土的壓縮性降低；原場(chǎng)地土含水量對(duì)水泥土的抗凍性能影響較小，但是當(dāng)接近原場(chǎng)地土的最優(yōu)含水量時(shí)，水泥土的抗凍性能最優(yōu)[16]。

③由于有機(jī)質(zhì)會(huì)阻礙水泥的水化反應(yīng)，影響水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，因此有機(jī)質(zhì)含量高的原場(chǎng)地土單純用水泥進(jìn)行加固，效果較差。

④呈堿性的原場(chǎng)地土與水泥作用后形成的水泥土性能比呈酸性的效果好[18]。

⑤當(dāng)土的塑性指數(shù)大于25時(shí)，水泥和土不易攪拌均勻。

⑥水泥與土中的黏土礦物高嶺石、蒙脫石加固效果比伊利石好。

(2)水泥品種與強(qiáng)度等級(jí)

抗硫酸鹽水泥的抗凍性優(yōu)于礦渣硅酸鹽水泥[1]。提高水泥的強(qiáng)度等級(jí)可增大水泥土的強(qiáng)度和抗凍性。

(3)水泥摻入比

通常隨著水泥摻入比的增加，水泥土的壓縮性降低，抗剪強(qiáng)度增大，抗?jié)B性、抗沖刷性、抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性均增強(qiáng)。

(4)外加劑

不同外加劑對(duì)水泥土強(qiáng)度有著不同的影響，如木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響不大，主要起減水作用；石膏、三乙醇胺對(duì)水泥土強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，且石膏兼有緩凝和早強(qiáng)的雙重作用；粉煤灰可提高水泥土的強(qiáng)度，增強(qiáng)其抗?jié)B性，且對(duì)水泥土的膨脹有一定的抑制作用。

(5)水泥與土的拌合及壓實(shí)程度

水泥與土拌合時(shí)間越長(zhǎng)、拌合程度越均勻，則水泥土的強(qiáng)度越高；水泥與土形成過(guò)程中壓實(shí)程度越好，則水泥土的強(qiáng)度越高，抗?jié)B性、抗沖刷性、抗凍性、耐干濕性均越強(qiáng)。

(6)水泥土的養(yǎng)護(hù)方法、條件、齡期與使用條件

如采用蒸汽養(yǎng)護(hù)方法，可以使水泥充分水化，加速反應(yīng)，也能改善其抗凍性能；通常水泥土的養(yǎng)護(hù)方法對(duì)其早期強(qiáng)度影響大，后期強(qiáng)度影響較?。粔A性養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件比酸性環(huán)境好；隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，水泥土的壓縮性降低，強(qiáng)度增大，抗?jié)B性增強(qiáng)；在水泥土的使用條件中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，水泥土的強(qiáng)度降低，滲透性增大。

4 工程實(shí)例

濟(jì)南高新區(qū)楊家河西小龍?zhí)枚魏拥乐卫砉こ涛挥诓适值擂k境內(nèi)，治理河段長(zhǎng)1.37km，上下游高差達(dá)15.7m，平均比降約1∶87。受城市建設(shè)影響，治理河段現(xiàn)狀遭到占?jí)骸８鶕?jù)片區(qū)規(guī)劃，規(guī)劃后的河道軸線與現(xiàn)狀相比發(fā)生變化，且河道寬度受到束縛，為滿足防洪要求，河道兩岸采取垂直擋墻防護(hù)；為減少投資，并使河道水流有控制性地向下游降低水頭，沿線設(shè)置4座跌水。

工程沿線及附近場(chǎng)地包含黃土地貌、河流侵蝕堆積形成的河谷地貌，以及受人類活動(dòng)影響較大的堆土地貌。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告[20]，第①層雜填土分布較連續(xù)，鉆孔揭露平均層厚6.05m；結(jié)構(gòu)松散、成分復(fù)雜、性質(zhì)不均，存在承載力低、沉降大、穩(wěn)定性差等工程地質(zhì)問(wèn)題；第②層黃土狀壤土分布較為連續(xù)，鉆孔揭露平均層厚6.76m；具輕微～中等濕陷性，且存在抗沖刷性能差、抗?jié)B透能力差等工程地質(zhì)問(wèn)題。

鑒于河道工程對(duì)防滲、防沖刷的要求，以及擋墻與跌水構(gòu)筑物對(duì)地基承載力、壓縮性、抗滑穩(wěn)定性、抗?jié)B穩(wěn)定性(跌水)、抗沖刷穩(wěn)定性及岸坡防護(hù)等要求，河道采取水泥土護(hù)底，擋墻和跌水采取水泥土換填墊層法處理。

5 結(jié)語(yǔ)

水泥土以其良好的工程特性，并且能最大限度地利用原場(chǎng)地土的優(yōu)勢(shì)，在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。由于水泥土的性能受到原場(chǎng)地土性質(zhì)、水泥摻入比、水泥與土的拌合及壓實(shí)程度等諸多因素的影響，小型水利工程可根據(jù)工程特征需求，結(jié)合場(chǎng)地土性質(zhì)等條件，參照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的水泥品種及水泥摻入比等。大中型水利工程建議通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等進(jìn)行對(duì)比分析、比較研究確定更為合理的參數(shù)等，以期在保證達(dá)到工程處理目的、滿足工程特征要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益。