基于強度特性的超細礦粉水泥土配合比設計研究

殷 俊

(湖南中大設計院有限公司 長沙市 410075)

0 引言

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌和，在壓實、養生等工序后具有一定強度的硬化材料，因其取材方便、施工簡便等優點，在道路、鐵路等基礎設施中應用廣泛[1-2]。但水泥土強度影響因素較多，主要有水泥標號及摻量、土樣性質、齡期、養生條件等，其中水泥土抗壓強度隨水泥摻量增加逐漸提高，但強度增長速率及抗拉性相對降低[3]。對此，選用合適的外摻劑改善水泥土的力學性能，既可避免水泥摻量過高，又能提高水泥土工程應用效果。韓天等[4]研究表明，水泥土摻入鋼渣粉和硫酸鈉后，鋼渣粉與水泥的水化反應加快，其早期抗壓強度提升明顯。張彬等[5]研究了鐵尾礦粉摻量對水泥土抗壓強度和動力特性的影響規律，在鐵尾礦粉摻量6%時，其性能最佳。夏永杰等[6]研究表明水泥土摻入10%的鋼渣后，抗剪性能最優，且鋼渣水泥土脆性程度隨養生齡期增長逐漸提高。柯開展[7]研究了鎳鐵渣粉對水泥土早期微觀結構的影響，隨鎳鐵渣粉摻量增加，其微觀結構致密性逐漸提高。馬曉宇[8]研究了復合礦粉對水泥土力學性能的影響規律，并結合土樣、水泥、復合礦粉技術性質解釋了復合礦粉改良水泥土的固化機理。

上述研究表明，水泥土中摻入礦物摻合料可提高其性能，而不同土樣對水泥土力學強度影響不一[9]。另外，超細礦粉含有較多礦物活性成分，在混凝土材料中應用廣泛，而摻超細礦粉水泥土設計及應用研究較少。因此，筆者采用超細礦粉等量取代部分水泥摻量，研究超細礦粉水泥土的強度特性，并選用Ca(OH)2為激發劑，通過正交試驗設計摻超細礦粉水泥土的配合比。

1 研究方案

1.1 試驗材料

(1)黏土：黏土土樣物理性質見表1。土樣取自天津某路基施工現場，按《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)確定土樣物理力學性質。

表1 黏土物理性質

(2)水泥：水泥選用盾石牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，技術性質見表2。

表2 水泥技術性質

(3)超細礦粉：超細礦粉比表面積為520m2/kg，化學組成見表3。

表3 超細礦粉化學組成

(4)激發劑：激發劑選用氫氧化鈣，Ca(OH)2含量≥95.0%。

1.2 試驗方案

(1)超細礦粉水泥土力學強度研究

研究水泥摻量、超細礦粉摻量及養生齡期對普通水泥土(以下簡稱“水泥土”)力學強度的影響規律。試驗中，控制固化劑(水泥和超細礦粉)摻量為10%，超細礦粉取代率分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%。固化劑摻量為固化劑質量與土粒質量的比值。超細礦粉取代率為超細礦粉質量與固化劑質量的比值。超細礦粉水泥土強度增長率按式(1)計算。

(1)

式中：ρ(n)—超細礦粉取代率n的水泥土強度增長率，%；

Rc(n)—超細礦粉取代率n的水泥土強度，MPa；

(2)超細礦粉水泥土配合比設計

基于超細礦粉水泥土的力學強度，選用Ca(OH)2激發超細礦粉活性，采用正交試驗設計超細礦粉水泥土。正交試驗方案見表4。

表4 超細礦粉水泥土正交試驗方案

1.3 試驗方法

(1)試樣制備及養護方法

土樣風干碾碎，過5mm圓孔篩，測定其風干含水率；根據摻超細礦粉水泥土室內最佳含水率，采用靜壓法成型壓實度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%以上的養生室進行養護。水泥和超細礦粉采用外摻法。試樣尺寸為Φ100×h100mm。

(2)強度特性試驗方法

按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E40-2009)中無側限抗壓強度試驗測定超細礦粉水泥土的力學強度。試驗儀器選用壓力試驗機MYL-2000D，加載速率為1mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 超細礦粉水泥土強度特性

水泥土和超細礦粉水泥土無側限抗壓強度代表值見圖1、圖2。無側限抗壓強度代表值采用3倍均方差確定。

圖1 水泥土無側限抗壓強度

圖2 超細礦粉水泥土無側限抗壓強度

由圖1、圖2可知：

(1)水泥土無側限抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性增長，超細礦粉水泥土無側限抗壓強度隨超細礦粉取代率增加而逐漸降低，且水泥摻量較超細礦粉摻量對水泥土抗壓強度提高效果顯著。養生齡期一致條件下，水泥摻量增加2%，水泥土抗壓強度提高17.2%以上；固化劑摻量一致條件下，超細礦粉取代率增加至20%，超細礦粉水泥土抗壓強度平均降低6.4%；超細礦粉取代率在20%～40%時，其抗壓強度降低顯著，超細礦粉取代率增加10%，抗壓強度平均降低10.3%；超細礦粉取代率由60%增加至80%時，其抗壓強度逐漸趨于穩定。

(2)水泥摻量一致條件下，隨超細礦粉取代率增加，超細礦粉水泥土強度較水泥土(10%水泥摻量)呈負增長，如表5所示，在齡期7d時強度降低最顯著，強度增長率隨養生齡期增加逐漸增大。這是因為水泥摻量降低導致水化產物氫氧化鈣含量降低，氫氧化鈣與超細礦粉中礦物成分水化反應速率減緩，生成硅酸鈣凝膠相對減少，因此超細礦粉取代率增加，其抗壓強度降低。

表5 超細礦粉水泥土無側限抗壓強度

另外，水泥土與超細礦粉水泥土無側限抗壓強度增長規律一致，隨養生齡期延長，前28d抗壓強度增長速率顯著大于后期，齡期28d后抗壓強度增長緩慢。水泥土28d抗壓強度約是其180d抗壓強度的73.2%，超細礦粉水泥土28d抗壓強度約是其180d抗壓強度的71.3%。對此，筆者選用超細礦粉水泥土28d無側限抗壓強度進行配合比設計。

2.2 超細礦粉水泥土配合比設計

超細礦粉水泥土正交試驗結果見圖3，正交試驗極差見表6。

圖3 超細礦粉水泥土正交試驗結果

表6 超細礦粉水泥土正交試驗極差

由圖3和表6可知，水泥摻量對超細礦粉水泥土無側限抗壓強度影響效果最顯著，氫氧化鈣摻量次之，其中水泥摻量8%、超細礦粉摻量8%、氫氧化鈣摻量1.8%的改良土抗壓強度最大，為7.55MPa。水泥摻量、超細礦粉摻量、氫氧化鈣摻量對水泥土無側限抗壓強度影響見圖4。

圖4 固化劑對水泥土無側限抗壓強度的影響

由圖4可知，隨水泥摻量或氫氧化鈣摻量增加，水泥土無側限抗壓強度逐漸提高。當水泥摻量≤6%，水泥摻量增加對提高超細礦粉水泥土抗壓強度效果顯著，水泥摻量增加1%，其抗壓強度約提高了20.8%；水泥摻量由6%增加至8%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高微小；氫氧化鈣摻量由0%增加至0.6%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高顯著，提高了28.8%；氫氧化鈣摻量≥0.6%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高緩慢。對此，建議水泥摻量和氫氧化鈣摻量分別為6%、0.6%。

而隨超細礦粉水泥土無側限抗壓強度隨超細礦粉摻量增加先降低后增加，在超細礦粉摻量4%時，其抗壓強度最低，為4.48MPa；當超細礦粉摻量≥4%，超細礦粉摻量增加1%，其抗壓強度提高8.1%以上，說明超細礦粉摻量對水泥土抗壓強度影響較大。因此，建議超細礦粉摻量為8%。

3 結論

基于室內無側限抗壓強度試驗，選用Ca(OH)2為激發劑，采用正交試驗設計超細礦粉水泥土的配合比。得到以下結論：

(1)固化劑摻量一定條件下，水泥土無側限抗壓強度與水泥摻量線性正相關，隨超細礦粉取代率增加，水泥土無側限抗壓強度逐漸降低。水泥摻量增加2%，水泥土抗壓強度提高17.2%以上；超細礦粉取代率由20%增加至40%，抗壓強度降低顯著，為20.6%。

(2)水泥摻量對超細礦粉水泥土無側限抗壓強度影響效果最顯著，氫氧化鈣摻量次之。水泥土抗壓強度隨水泥摻量或氫氧化鈣摻量增加逐漸提高，當水泥摻量≥6%或氫氧化鈣摻量≥0.6%，抗壓強度提高幅度較小；當超細礦粉摻量≥4%，超細礦粉摻量對水泥土抗壓強度影響較大，超細礦粉摻量增加1%，其抗壓強度提高8.1%以上。