水泥土強度特性的室內(nèi)試驗研究

廣東省建筑科學研究院 陳 燃

水泥土強度特性的室內(nèi)試驗研究

廣東省建筑科學研究院 陳 燃

采用室內(nèi)配比和超聲波測試試驗對廣州南沙區(qū)軟土進行了水泥土強度試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果，分析了多種因素對水泥土強度的影響以及超聲波聲速與水泥土強度的相關(guān)關(guān)系，可為該地區(qū)應(yīng)用水泥土攪拌樁提供參考和建議。

水泥土 無側(cè)限抗壓強度 水泥摻入比 超聲波聲速

水泥土攪拌法是加固軟土地基的一種常用而有效的方法，其形成的水泥土攪拌樁常用作加固樁、水泥土墻和止水帷幕等。但在實際工程中，水泥土攪拌法形成的水泥土強度受土體性質(zhì)的影響，在不同地區(qū)的樁體強度特性有所不同。廣州南沙區(qū)的深厚軟土層具有有機物含量高、含水率高、壓縮性大、強度低等特點，針對此類土體開展水泥土強度特性的室內(nèi)試驗研究，對在該地區(qū)采用水泥土攪拌法具有重要意義。

一、試驗方案

試驗用土呈灰－灰黑色，飽和、流塑，含有機質(zhì)，有臭味；局部夾少量粉砂及薄層，夾小貝殼。其物理力學性能指標：含水率為70%，天然重度15.6kN/m2，比重2.63，孔隙比為1.890。

本試驗方案見表1，每組做6個平行試樣，養(yǎng)護齡期為7d、15d、28d、90d及180d，測定各試件在各齡期內(nèi)的無側(cè)限抗壓強度及養(yǎng)護期內(nèi)的超聲波聲速。

表1 室內(nèi)試驗方案

二、試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

1.試驗結(jié)果

水泥土試塊達到養(yǎng)護齡期（7d、15d、28d、90d及180d）后，用試驗機測得其抗壓強度，剔除偏差較大的數(shù)值，取6個試件的測定值的平均值作為該組試件的試驗結(jié)果。其試驗結(jié)果如表2所示。

表2 水泥土試塊抗壓強度試驗數(shù)據(jù)（單位：MPa）

2.試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，將從水泥摻入比、養(yǎng)護齡期、摻細砂和摻石膏等四個方面對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響進行分析。

（1）水泥摻入比對強度的影響

限于篇幅，僅列出配比中僅摻水泥的水泥土強度與水泥摻入比的關(guān)系曲線如圖1所示（其他配比亦有相同規(guī)律）。

圖1 強度與摻入比的關(guān)系曲線（只摻水泥）

由圖1可知，當在試驗用土中只摻入水泥時，在水泥摻入比從15%提高到20%時，水泥土試塊的強度增幅較大，在各個養(yǎng)護齡期內(nèi)的強度增幅普遍達到130%以上，90d標準齡期的增幅可達到217.6%；但當水泥摻入比從20%提高到25%后，雖然水泥土強度亦有所提高，但提高的幅度已大大減小，在各個齡期的強度增長幅度位于11.68%～32.62%之間。可見，水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而提高，其增長幅度在一定水泥摻入比范圍內(nèi)較大，但當水泥摻入比達到某一比例后，水泥土強度增長幅度明顯減小。

對于水泥摻量為25%的配比而言，雖然其90d標準齡期強度較高（介于3.586～5.042MPa），但由于摻入的水泥較多，在拌和時加固土體的流動性較差，不利于施工。因此，對于加固土體而言，水泥的摻量并非越大越好，而是具有最優(yōu)的水泥摻入比，該摻入比使加固土具有較高的強度，也可達到良好的經(jīng)濟效益。

（2）齡期對強度的影響

由于篇幅所限，僅列出水泥摻入比為20%時的水泥土無側(cè)限抗壓強度與齡期的關(guān)系曲線圖，如圖2所示。

圖2 強度與齡期的關(guān)系曲線圖

由圖2可知，當水泥摻量為20%時，四種配合比15d的強度增幅為45.36%～85.93%；90d的增幅為52.84%～63.60%；180d的增幅為6.37%～11.82%。水泥土強度隨養(yǎng)護齡期的發(fā)展而提高，90d內(nèi)提高的較大，180d的強度亦有所增長，但增幅較小，其強度發(fā)展趨于穩(wěn)定。規(guī)范定義的水泥土立方體抗壓強度以90d為齡期，但90d的時間太長，可通過28d的強度估算90d的強度。通過統(tǒng)計上述試驗數(shù)據(jù)，可得出該水泥加固土的28d和90d的強度具有下列關(guān)系：（不摻砂）和（摻砂）。

（3）細砂對水泥土強度的影響

本試驗中，除改變水泥的摻入比外，還添加了一定比例的細砂（10%和20%），以尋求此類外摻料對水泥土強度的影響規(guī)律。

當水泥摻量為15%時，摻砂量為10%的90d齡期強度為2.014 MPa，是同齡期僅摻水泥的強度的1.99倍；摻砂量為20%的水泥土90d齡期強度為2.281MPa，是同齡期僅摻水泥的強度的2.25倍。當水泥摻量為20%時，摻砂量為10%的水泥土90d齡期強度為3.456MPa，是同齡期僅摻水泥的強度的1.08倍；摻砂量為20%的水泥土90d齡期強度3.611MPa，是同齡期僅摻水泥的強度的1.12倍。當水泥摻量為25%時，摻砂量為10%的水泥土90d齡期強度5.042MPa，是同齡期僅摻水泥的強度的1.41倍。

由上可知，摻砂后，水泥土強度有不同程度的提高。對于本次試驗土樣，當水泥摻量為15%時，摻入的細砂作用最為明顯。通過加入細砂，改變了加固土體的顆粒組成，使得細砂作為細骨料對水泥土強度的形成有較大的貢獻。淤泥（質(zhì)粘土）是一種“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)材料，細砂的存在便可以相對地減少粘粒含量，改善顆粒級配，增強骨架的剛性，使“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)向“粒狀骨架”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，大大有利于水泥土強度的提高，這就是含淤泥（質(zhì)粘土）水泥土性能得到改善的微觀機理。

（4）摻石膏對水泥土強度的影響

當水泥摻量為15%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土的7d和15d強度分別提高36.7%和47.3%；當水泥摻量為20%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土7d和15d早期強度分別提高11.26%和6.43%；當水泥摻量為25%，摻石膏粉的水泥土比不摻的水泥土7d和15d早期強度分別提高13.49%和7.86%。可見石膏粉具有早強的作用，摻入石膏后，通過與水泥水化反應(yīng)，生成具有膨脹性的水化硫鋁酸鈣質(zhì)，它不僅可消耗軟土中自由水，還可填充水泥土復(fù)合體中的微孔隙，提高水泥土的密實度。因此，對于南沙地區(qū)的軟土，由于其含水量較高、孔隙比較大，土顆粒之間的聯(lián)系比較疏松，適當加大生石膏的摻量，加固的效果會更好。

三、超聲波波速傳播規(guī)律分析

通過使用瑞士出產(chǎn)的TICO混凝土檢測儀對水泥土試塊在180d養(yǎng)護期內(nèi)不定期進行超聲波波速測試，尋求超聲波波速在水泥土傳播的規(guī)律。

1.波速與養(yǎng)護齡期的關(guān)系

由于篇幅所限，僅列出水泥摻量為15%的試塊的波速與齡期關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 摻入比為15%的試塊的波速與齡期關(guān)系曲線圖

圖4 超聲波速與水泥土強度散點圖

由圖可知，隨著齡期的發(fā)展，超聲波在水泥土傳播的速度總的趨勢是不斷提高的。一般情況下，聲速能反映水泥土試塊的密實度，而水泥土試塊的密實度又與其強度有關(guān)，水泥土試塊越密實，聲波在其中的傳播時間越短，聲速越大，水泥土試塊強度就越高。隨著齡期的發(fā)展，水泥土強度也隨著提高，因此，超聲波在水泥土試塊中的傳播速度也隨著提高。

2.波速與水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

為尋求隨著齡期的發(fā)展，超聲波波速與水泥土無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系，將上述匯總值用散點圖表示，如圖4所示。由圖可知，超聲波速與水泥土強度存在著一定的相關(guān)關(guān)系。為進一步揭示這種關(guān)系，采用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合上述數(shù)據(jù)，擬合情況如下所示：指數(shù)函數(shù)：冪函數(shù)：

可知，水泥土的彈性波速與其無側(cè)限抗壓強度有很好的相關(guān)關(guān)系。由指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合情況來看，兩者的非線性關(guān)系較明顯。

四、結(jié)論

（1）水泥土無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻入比的增加而提高，其增長幅度在一定水泥摻入比范圍內(nèi)較大，但當水泥摻入比達到某一比例后，水泥土強度增長幅度明顯減小。宜通過室內(nèi)配比試驗確定其最優(yōu)配合比，以達到較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

（2）水泥土無側(cè)限抗壓強度在90d內(nèi)增長較大，180d后趨于穩(wěn)定。可通過水泥土28d的強度預(yù)測90d的強度。

（3）通過摻入細砂可改善水泥土的顆粒組成，使其從“粘土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)材料向“粒狀骨架”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而提高水泥土的強度。在施工中，可考慮通過摻砂來提高水泥土強度。

（4）對于含水量較高、孔隙比較大，土顆粒之間的聯(lián)系較疏松的軟土，摻入生石膏的可提高其早期強度，減小含水量。

（5）超聲波在水泥土中傳播的速度隨齡期的發(fā)展而提高，其與水泥土無側(cè)限抗壓強度強度具有顯著的非線性相關(guān)關(guān)系。

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陳然 （1982- ），廣東梅州，碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)工程檢測及鑒定 。