水泥增強固化海相粘土的含水率影響及強度測試研究

魏衍杰 何君

摘 要：針對粘性土初始含水率較低時水泥固化土的拌合質(zhì)量，通過室內(nèi)試驗研究了水泥固化海相粘土中初始含水率與混合質(zhì)量之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在初始含水率（w0）小于粘土的液限（wL）的情況下測試其強度，發(fā)現(xiàn)強度在w0為0.925wL時達到峰值，在w0為0.85wL時下降；在w0為0.775wL時相比于w0為0.925wL時強度有增有減，變得不穩(wěn)定。使用初始含水率為1.0wL和1.2wL的強度得到的強度估算公式，隨著w0變得小于wL，固化土的強度降低超過估算強度，認為是粘土初始含水率降低后，水泥摻入引起的強度增加，流動性下降，降低了混合料的質(zhì)量，以致強度沒有充分發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：水泥固化土；液限；單軸壓縮強度；海相粘土；混合質(zhì)量

中圖分類號：TQ172.7;TV41

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0111-05

Research on the influence of moisture content and strength testing of cement reinforced solidified marine clay

WEI Yanjie1，HE Jun2

（1.Water Development Center of Juye，Juye 274900，Shandong China;2.Shuifa Planning & Design Co.，Ltd.，Jinan 250100，China

）

Abstract：The relationship between the initial moisture content and the mixing quality of cement stabilized marine clay was studied through indoor experiments，targeting the mixing quality of cement stabilized soil with low initial moisture content in cohesive soil.The results showed when the initial moisture content （w0） was less than the liquid limit （wL） of the clay，the strength was tested，and it was found that the strength reached a peak at w0 of 0.925 wL and decreased at w0 of 0.85 wL.Compared with w0=0.925 wL，the strength increased or decreased at w0=0.775 wL and became unstable.Using the strength estimation formula obtained with the initial moisture content of 1.0 wL and 1.2 wL，as w0 becomes less than wL，the strength of solidified soil decreased beyond the estimated strength.It was believed that after the initial moisture content of clay decreases，the strength increased and the fluidity decreased caused by the incorporation of cement，which reduces the quality of the mixture and does not give full play to the strength.

Key words：Cement solidified soil，liquid limit，uniaxial compressive strength，marine clay，mixing quality

水泥是一種良好的改性材料添加物，其中水泥固化土是一種常見的土壤處理方法，通過添加水泥和其他材料，將土壤進行固化和加固，以提高土壤的穩(wěn)定性和強度［1］。固化土強度的影響因素眾多，但尚未建立系統(tǒng)的配合比設(shè)計方法。海相粘土在世界范圍內(nèi)廣泛分布，水泥固化是一種廉價、高效的工程領(lǐng)域處理方法。有學(xué)者系統(tǒng)研究了寧波某地區(qū)軟土的工程特性［2］。還有從地質(zhì)成因的角度研究了寧波、連云港和廣州等地海相粘土成因［3］；分析了連云港海相粘土的礦物成分及顆粒組成，確定其工程力學(xué)特性［4］。

研究提出了利用不同液限、初始含水率和含砂量等不同海相粘土來測量水泥固化土的強度估算公式，并利用試驗室復(fù)配試驗結(jié)果評價了估算公式的適用性?？紤]水泥添加引起的液限變化，通過室內(nèi)試驗研究了水泥固化處理過程中海相粘土初始含水率與混合質(zhì)量的關(guān)系。

1 材料與方法

研究以寧波某地區(qū)的海相粘土（以下簡稱粘土）和混砂粘土為例。粘土在使用前用2 mm的篩子清除貝殼和礫石?；焐罢惩潦峭ㄟ^海相粘土與中砂混合使含砂量為30%而獲得的樣品。表1為粘土和混砂粘土的液限（wL）、細顆粒含量、含砂量（S）和水泥添加量（c*）。

粘土的液限為123.1%，普通硅酸鹽水泥用作固化材料。

表2為固化樣品的初始含水率（w0）。

將粘土和混砂粘土的初始含水率（w0）與液限（wL）之比的歸一化含水率（w0/wL）設(shè)置為5個階段：0.775、0.850、0.925、1.000和1.200，以調(diào)節(jié)樣品的含水率。研究中使用的水泥添加量（c*）的定義：

c*=m水泥m土+m水泥×100%（1）

式中：m土為含沙土的干燥質(zhì)量；m水泥為加入水泥的質(zhì)量。在每個初始含水率下，c*設(shè)定為10%和20%。

在制備樣品時，稱量要添加的水、水泥和砂的質(zhì)量，從而設(shè)定初始含水率、水泥添加量和砂含量。粘土和要添加的水在制備樣品之前先需要冰箱冷卻。在粘土中加入水、水泥、中砂，用手動攪拌機攪拌2 min。之后，將混合物用電動攪拌機攪拌30 min。

攪拌均勻后，將樣品裝入直徑50 mm、高100 mm的模具中，裝滿后用保鮮膜蓋好，置于20 ℃室溫的水箱中進行水養(yǎng)護。在相同的條件下制備2個試件，本文所示的強度為2個試件的平均值。在上述一系列操作中，從攪拌結(jié)束到開始固化大約需要30 min。因此，將攪拌結(jié)束后30 min設(shè)為固化開始時間。

2 試驗結(jié)果

2.1 粘土初始含水率與固化土強度的關(guān)系

圖1和圖2分別顯示了養(yǎng)護時間為28 d和90 d時的單軸試驗壓縮強度與添加水泥前由液限歸一化的初始含水率之間的關(guān)系［5-7］。

由圖1可知，在初始含水率為0.925wL以上的情況下，初始含水率越低，單軸試驗壓縮強度越高。然而，在初始含水率為0.85wL，除c*為10%、S為0%之外的樣品，強度均小于初始含水率0.925wL時的強度。在具有較低初始含水率為0.775wL時，除了c*為20%、S為30%之外，強度均比0.850wL時增加；c*為10%、S為0%的樣品（包括初始含水率為0.775wL和0.850wL的樣品），顯示出與其他樣品不同的結(jié)果，其中含水率越低，強度越大。

由圖2可知，除了c*為10%、S為30%的樣品外，相比初始含水率為0.925wL，強度在初始含水率為0.850wL時下降。在c*為10%、S為30%的樣品中，初始含水率為0.850wL時的強度是初始含水率為0.925wL時的1.018倍，幾乎相同。對于初始含水率為0.775wL的樣品，未測定養(yǎng)護90 d后的強度。

如上所述，當初始含水率為0.925wL或更高時，強度隨著初始含水率的降低而增加，初始含水率為0.850wL時強度降低占多數(shù)，不論養(yǎng)護28 d還是90 d，4個樣品中3個樣品的強度在歸一化含水率為0.925處達到峰值。當養(yǎng)護28 d后初始含水率為0.775wL時，4個樣品中有3個的強度高于0.850wL樣品的強度。在初始含水率0.925wL時，試樣達最高強度。

本文提出了以下公式來估算水泥混合土的單軸試驗壓縮強度：

c*f=m水泥m細粒+m水泥×100%（2）

Yf=V細粒+V水泥V細粒+V水泥+V水?? （3）

qu=k*cc*f－c*f0YfN（4）

式中：c*為土中影響細顆粒干燥質(zhì)量m細粒的水泥摻量；cf0*為水泥摻量產(chǎn)生強度的最小水泥摻量；Yf為添加土中忽略含砂量大于10%的細粒體積V細粒、孔隙體積V水、添加后水泥的體積V水泥定義的固體分數(shù)；N為水泥固化土結(jié)構(gòu)的系數(shù)（大約2.5～4.5）；kc*是強度增加系數(shù)，是養(yǎng)護時間的函數(shù)。已知當初始含水率高于液限時，無論粘土初始含水率如何，強度估算公式（4）都適用。由式（4），獲得以下等式：

quYf－N=k*cc*f－c*f0（5）

利用式（5）計算初始含水率為1.0wL和1.2wL時的強度、水泥摻量和體積固體分數(shù)，繪制與qu（Yf）-N和與粘土分數(shù)有關(guān)的水泥添加量cf*，并找到給出二者之間線性關(guān)系的N，產(chǎn)生圖3所示的結(jié)果。

由圖3可以得出，在養(yǎng)護28 d和90 d時的qu的推導(dǎo)式：

養(yǎng)護28 d：qu=4 030c*f－3.2Yf2.5（6）

養(yǎng)護90 d：qu=4 980c*f－3.2Yf2.5 （7）

在初始含水率為0.925wL、0.850wL和0.775wL時使用式 （6）和式（7）計算的養(yǎng)護28 d和90 d后的計算強度值qu （cal.）和測量值qu （mes.）的關(guān)系如圖4和圖5所示。

由圖4可見，隨著初始含水率下降到0.925wL、0.850wL和0.775wL，試驗測量強度變得小于計算公式計算的強度。當通過線性回歸獲得計算強度和測量強度之間的關(guān)系時，養(yǎng)護28 d后對于每個初始含水率獲得以下結(jié)果：

w0=0.925wL∶qu計=0.82qu測（8）

w0=0.850wL∶qu計=0.67qu測（9）

w0=0.775wL∶qu計=0.47qu測（10）

此外，圖5顯示養(yǎng)護90 d后的強度具有相似的斜率。計算強度與實測強度之間的關(guān)系：

w0=0.925wL∶qucal.=0.81qumes.（11）

w0=0.850wL∶qucal.=0.59qumes.（12）

如上所述，隨著初始含水率的降低，試驗強度與初始含水率為1.0wL和1.2wL的計算強度之比減小，推測這反映了粘土初期含水率變低，均勻混合越來越困難。

2.2 添加水泥后歸一化含水率與強度的關(guān)系

含水泥塊試樣的含水率（w*定義，加入水泥后的液限（wL*）由試驗確定，使用歸一化含水率（w*/ wL*），研究了水泥固化土的強度發(fā)展［8-11］。

w*=m水m土+m水泥 （13）

式中：m土是含砂土的干燥質(zhì)量，kg；m水泥是水泥的質(zhì)量，kg；m水是水的質(zhì)量，kg。

在固化土的強度試驗之前，進行了液限試驗。將規(guī)定的水泥添加到粘土樣品中，放置在玻璃板上，然后用橡皮刮刀將樣品充分混合。

表3顯示了加入水泥后樣品的液限。

由表3可知，液限在加入水泥10%的情況下，0%砂樣和30%砂樣分別增長了1.24倍和1.28倍。此外，當添加20%的水泥時，0%砂樣和30%砂樣均增加了1.10倍。加入水泥后的含水率和加水泥后的液限之比（w*/ wL*）進行分別計算，計算結(jié)果如表4所示。

由表4可見，加入水泥降低含水率，提高液限，歸一化含水率比添加前大大降低。添加前的歸一化含水率分別為1.200、1.000、0.925、0.850和0.775，均下降至約0.75倍。

圖6和圖7顯示了初始含水率（包括添加水泥后液限歸一化的水泥質(zhì)量）與單軸試驗壓縮強度之間的關(guān)系。

由圖6、圖7可知，在這次使用的混合方法中，水泥固化土的單軸試驗壓縮強度達到峰值的歸一化含水率，低于該含水率下強度變得不穩(wěn)定，歸一化含水率為0.70左右。

3 討論

在該試驗中，通過粘土的含水率來檢查混合質(zhì)量，混合的方法是攪拌器攪拌30 min［12-15］。通過比較這些條件下拌合后的強度，4種不同水泥摻量和砂摻量的粘土樣品，大部分在初始含水率為0.925wL時出現(xiàn)強度峰值。對于原始低含水率的樣品，沒有觀察到穩(wěn)定的趨勢，例如強度增加、趨于平穩(wěn)或減小，基于研究結(jié)果的含水率與強度關(guān)系示意圖如圖8所示。

由圖8可知，當w0/wL減小時，在0.925處出現(xiàn)強度峰值，w0/wL小于該值的區(qū)域成為強度不穩(wěn)定區(qū)域。本次試驗的粘土出現(xiàn)最高強度意義上的“最佳含水率”為0.925wL左右。歸一化含水率小于某一值時，固化處理土的強度變得很難測量。

如上所述，采用海相粘土計算水泥固化土的強度，這是基于在0.9至3.0的歸一化含水率范圍內(nèi)沒有混合質(zhì)量影響的假設(shè)。根據(jù)研究的結(jié)果，考慮到混合質(zhì)量的劣化，可以說有必要重新研究歸一化含水率在0.925以下的強度。

在本試驗所用的試樣中，當固化土的強度達到峰值的w0/wL為0.925時，加入水泥后的w0*/wL*約為0.70。本文計算了充分攪拌粘土的剪切強度sur與歸一化含水率的關(guān)系，并提出了以下方程：

sur=1.40/w0/wL4.5（15）

由式（15）可知，w0/wL為0.925時，水泥添加前強度為2.0 kN/m2；添加后的w0*/wL*為0.70時，強度為7.0 kN/m2。當歸一化含水率在添加水泥前為0.85和添加水泥后為0.64時，這似乎降低了混合質(zhì)量，攪拌期間的強度從添加前的2.9 kN/m2增加到添加后的10.4 kN/m2。當含水率低時和加入水泥強度增加，導(dǎo)致流動性迅速降低并妨礙均勻混合。

4 結(jié)語

（1）使用粘土的水泥固化土在初始含水率0.925wL以下時，強度隨著初始含水率的降低而增加。然而，強度在0.850wL以下變得不穩(wěn)定。許多試件的強度低于初始含水率為0.925wL的試件，當初始含水率進一步降低至0.775wL時，強度進一步降低;

（2）使用初始含水率為1.00wL和1.20wL的樣品強度得到的強度估算公式，在初始含水率為0.925wL、0.850wL和0.775wL時養(yǎng)護28 d后測得的強度分別為82%、67%、47%。初始含水率越低，估計強度的降低率越大。這表明由于含水率的減少而導(dǎo)致混合質(zhì)量下降;

（3）固化土強度達峰值時的w0/wL為0.925，這與粉體噴射攪拌法的結(jié)果基本一致;

（4）本研究中使用的海相粘土在加入水泥后顯示液限增加、歸一化含水率降低、強度增加。除了粘土含水率降低外，由于添加水泥強度增加而導(dǎo)致的流動性降低被認為是混合物質(zhì)量劣化的原因。

【參考文獻】

［1］ 劉輝，劉亞斐.水泥深層攪拌樁在海相粘土層中加固的應(yīng)用及質(zhì)量控制［J］.價值工程，2020，39（16）：91-93.

［2］ 王文軍，劉用海，朱向榮.寧波海相軟土工程特性研究［J］.工程勘察，2008，10（1）：19-24.

［3］ 聶年圣.海相軟土成因及其工程特性的研究［J］.基礎(chǔ)工程設(shè)計，2010，12（1）：72-74.

［4］ 田強.連云港海相軟土地基處治及其工程特性［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2020.

［5］ 米海珍，應(yīng)賽，王月禮等.水泥灰土力學(xué)行為影響因素的試驗研究［J］.建筑科學(xué)，2014，30（5）：58-62.

［6］ 張景富，林波，王珣等.單軸應(yīng)力條件下水泥石強度與彈性模量的關(guān)系［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（21）：5249-5253.

［7］ 袁哲.碎石水泥膠結(jié)充填體強度特性與養(yǎng)護時間的相關(guān)關(guān)系［J］.世界采礦快報，1990（25）：16-17.

［8］ 楊斌財，劉維正，余勇等.初始含水率和有機質(zhì)對水泥土強度影響規(guī)律試驗研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2023，20（10）：3798-3808.

［9］ 張文濤，程新俊，梁海安等.水泥加固黏土強度及應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特征研究［J］.水力發(fā)電，2023，49（1）：100-105.

［10］ 姚達，姜舒，張玉婷等.考慮初始含水率與養(yǎng)護齡期影響固化軟土的強度和流動特性研究［J］.江蘇水利，2022（3）：10-14.

［11］ 王榮，董俊全，范衍琦等.超高含水率泥炭土的固化機理及強度特性［J］.建筑材料學(xué)報，2022，25（10）：1047-1054.

［12］ 殷曉慧，費大偉，黃耀英等.考慮攪拌時間的洞庭湖區(qū)水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗及模型探討［J］.中國農(nóng)村水利水電，2019（11）：188-193.

［13］ 丁宇，肖磊，方國寶等.基于正交試驗法的洞庭湖區(qū)水泥土影響因素重要性探討［J］.三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，41（3）：64-68.

［14］ 郭浩然，吳建林.攪拌時間對粉煤灰水泥凈漿流動性及早期抗壓強度的影響［J］.武漢輕工大學(xué)學(xué)報，2014，33（1）：72-76.

［15］ 劉娜.攪拌時間對摻減水劑混凝土強度均勻性的影響分析［J］.居舍，2021（13）：74-78.

收稿日期：2023-11-21；修回日期：2024-01-21

作者簡介：魏衍杰（1969-），男，高級工程師，研究方向：水利工程規(guī)劃設(shè)計及建設(shè)管理;E-mail：1903096202@qq.com。

通訊作者：何 君（1985-），男，高級工程師，研究方向：水利工程規(guī)劃設(shè)計；E-mail：pi0965295518441@163.com。

引文格式：魏衍杰，何 君.水泥增強固化海相粘土的含水率影響及強度測試研究［J］.粘接，2024，51（3）：111-115.