水泥摻量和養護溶液對水泥改良黃土力學強度的影響

■牛 瑞

（山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司，運城 044000）

水泥土具有良好的抗壓強度和穩定性，廣泛應用于機場、道路、鐵路等基礎工程建設[1-2]。水泥摻量是影響水泥土力學強度的主要因素之一，且水泥土強度的發展與外界養護環境緊密相關。 目前，針對水泥土力學強度發展規律及影響因素，國內外學者展開了一定研究。 Shihata 等[3]研究了Ca2+溶度對水泥土強度影響規律。 韓鵬舉等[4]研究了MgSO4溶液對水泥土樁力學性能的影響，發現適當的MgSO4含量促進水泥土強度增長。 范凌燕[5]、阮慶等[6]研究發現水泥摻量對水泥改良黏土抗壓強度影響顯著。 于英霞等[7]研究了夯實成型水泥改良黃土無側限抗壓強度影響因素，發現抗壓強度與養護齡期線性相關，當水泥摻量增加至一定值后抗壓強度提高效果弱化。 歐陽克連等[8]研究了水泥摻量、養護齡期及侵蝕環境對水泥改良粉質黏土無側限抗壓強度影響，低濃度化學溶液可提高水泥土抗壓強度。 賈景超等[9]研究發現硫酸鹽溶液環境促進水泥土強度增長，且SO42-對水泥土長齡期強度影響較顯著。 上述研究以水泥摻量、養生齡期等因素對水泥土力學強度影響為主，而不同養護環境對水泥土強度發展影響效果不一，且不同土體技術性質差別明顯。 因此，本文以水泥改良黃土為研究對象，通過室內無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗，研究水泥摻量和養護環境對水泥改良黃土力學強度影響規律，為黃土地區基礎工程設計和施工提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

黃土土樣取自河南地區，取土深度為1.5 m，按TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》確定物理力學性質，見表1。 水泥選用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，技術性質見表2。養護溶劑選用某化工有限公司生產的NaCl、NaOH、Na2SO4。

表1 黃土物理力學性質

表2 水泥技術性質

1.2 試驗方案

（1）水泥劑量影響

通過無側限抗壓強度試驗和劈裂強度試驗，研究水泥摻量對水泥改良黃土力學強度影響規律。 試驗中， 擬水泥摻量為5%、7%、9%、11%、12%、15%，試件尺寸為Φ50 mm×h50 mm、Φ100 mm×h100 mm，養生齡期為7 d、28 d，養生方式為標準養生方式。

（2）養護環境影響

①研究鹽溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量對水泥改良黃土無側限抗壓強度影響規律。 成型最佳水泥摻量的改良黃土試件，采用正交試驗方法，見表3，分析NaCl、NaOH、Na2SO4含量對水泥改良黃土抗壓強度影響規律，設計最優養護溶液。

表3 正交試驗因素及水平（單位：mol/L）

②結合現場路基養護條件，對比研究最優養護溶液環境、飽和石灰水溶液環境、清水環境與標準養生室養護的水泥改良黃土抗壓強度關系，建立改良黃土抗壓強度增長方程。 試驗中，結合水泥土強度增長機理，擬水泥改良黃土養護齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d。

1.3 試件成型及養護

（1）試件成型

風干土樣過5 mm 土壤圓孔篩， 測定土樣風干含水率，采用手工拌和水泥改良黃土混合料。按表4中最佳含水率，采用靜壓法成型水泥改良黃土試件。結合TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》對基床底層化學改良土填料壓實質量要求，水泥改良黃土試件壓實度為95%。

表4 水泥改良黃土擊實試驗結果

（2）試件養護

試件成型完畢后，放入標準養生室。 養生溶液養護的試件在標準養生1 d 后，放入（20±2）℃溶液中養護至規定齡期。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥劑量影響

水泥改良黃土無側限抗壓強度和劈裂強度見圖1。 由圖1 可知，同一試件尺寸和養生齡期下，水泥改良黃土力學強度隨水泥摻量增加逐漸增大，且無側限抗壓強度與劈裂強度增長曲線基本一致。 當試件尺寸為Φ50 mm×h50 mm，水泥摻量由5%增加至9%時，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側限抗壓強度和劈裂強度分別平均提高9.0%和9.5%；水泥摻量≥9%時，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側限抗壓強度和劈裂強度分別平均提高3.1%和2.6%。當試件尺寸為Φ100 mm×h100 mm，水泥摻量由5%增加至9%時，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側限抗壓強度和劈裂強度分別平均提高9.3%和10.3%；水泥摻量≥9%，水泥摻量每增加1%，改良黃土無側限抗壓強度和劈裂強度分別平均提高2.9%和1.9%。 說明水泥摻量對不同試件尺寸的改良黃土力學強度影響規律基本一致，當水泥摻量≥9%，通過增加水泥摻量提高改良黃土力學強度作用弱化，技術經濟性變差。 對此，本文選用9%水泥摻量的改良黃土，開展養護溶劑對水泥改良黃土力學強度影響研究。

圖1 水泥摻量對水泥改良黃土力學強度影響

2.2 養護環境影響

2.2.1 最優鹽溶液設計

水泥改良黃土無側限抗壓強度正交試驗方案及結果分析見表5、6，養護溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量對水泥改良黃土無側限抗壓強度影響見圖2。

圖2 試驗因素及水平對水泥改良黃土無側限抗壓強度影響

表5 水泥改良黃土7 d 無側限抗壓強度正交試驗方案及結果分析

表6 水泥改良黃土28 d 無側限抗壓強度正交試驗方案及結果分析

由表5、6 和圖2 可知，（1）同一養生齡期下，NaCl 含量列的水泥改良黃土無側限抗壓強度極差最大，說明NaCl 含量對改良黃土無側限抗壓強度影響最大。隨NaCl 含量增加，水泥改良黃土無側限抗壓強度逐漸增大，增長速率減小，NaCl 含量由0.1 mol/L增加至0.4 mol/L，其抗壓強度提高了10.5%；隨NaOH含量增加， 改良黃土抗壓強度呈線性降低，NaOH 含量增加0.1 mol/L，其抗壓強度降低約2.8%。 另外，Na2SO4含量由0.1 mol/L 增加至0.2 mol/L，其抗壓強度變化微小。 根據NaCl、NaOH、Na2SO4含量對水泥改良黃土抗壓強度影響規律可知， 當養生溶液中NaCl、NaOH 含量分別為0.4 mol/L、0.1 mol/L 時，水泥改良黃土無側限抗壓強度最大， 建議溶液中Na2SO4含量為0.02 mol/L。

（2）對水泥改良黃土正交試驗結果進行方差分析，NaCl 含量列的水泥改良黃土抗壓強度的F 值最大， 且NaCl、NaOH、Na2SO4含量的F 值均顯著低于F0.10（2，2）=9，說明NaCl、NaOH、Na2SO4含量對水泥改良黃土無側限抗壓強度變化影響較小。 另外，同一影響因素下，隨養生齡期延長，改良黃土抗壓強度的F 值增大， 說明養護溶劑對改良黃土抗壓強度影響增大，對改良黃土強度增長具有促進作用。

2.2.2 水泥改良黃土強度增長規律

不同養護環境下水泥改良黃土無側限抗壓強度見圖3。 水泥劑量為9%。 由圖3 可知：

圖3 養護環境對水泥改良黃土無側限抗壓強度影響

（1）隨養護齡期延長，不同養護環境下水泥改良黃土無側限抗壓強度增長趨勢相同，改良黃土養護28 d 后的抗壓強度增長趨勢減緩。 這是因為水泥改良黃土成型初期， 水泥發生初步水化反應，土粒間的物理作用構成水泥土初始強度，而隨著養護齡期延長，水泥水化反應不斷進行，水泥熟料逐漸被消耗殆盡，水泥改良黃土強度不再增長，達到極限強度。 故結合水泥改良黃土強度增長規律，建立強度增長模型，見式（1），回歸系數見表3。

式中：Rc—水泥改良黃土無側限抗壓強度，MPa；Rc∞—水泥改良黃土極限無側限抗壓強度，MPa；Rc0—水泥改良黃土初始無側限抗壓強度，MPa；α—強度增長系數；T—養護齡期，d。

（2）標準養護環境下改良黃土無側限抗壓強度增長最快，最優鹽溶液環境次之。 當養護齡期相同時，最優鹽溶液環境下水泥改良黃土抗壓強度約是飽和石灰水環境下改良黃土抗壓強度的1.28 倍，約是清水環境下改良黃土抗壓強度的1.28 倍，說明最優鹽溶液環境較飽和石灰水或清水環境對改良黃土抗壓強度增長抑制效果相對較小。 這是因為在養護初期，標準養護環境下水泥改良黃土抗壓強度顯著高于其他養生環境下抗壓強度，抗壓強度主要由土粒間物理作用及土粒、水泥與水三者間物理化學作用組成，抵抗水破壞能力較弱，從而標準養護環境下水泥改良黃土抗壓強度較高且增長較快。 另外，當養護齡期≤14 d 時，飽和石灰水和清水環境下水泥改良黃土抗壓強度增長曲線相近，隨養護齡期延長，飽和石灰水環境較清水環境促進改良黃土抗壓強度增長。

3 結論

（1）隨水泥摻量增加，不同試件尺寸的水泥改良黃土無側限抗壓強度與劈裂強度增長趨勢一致，當水泥摻量≥9%時， 增加水泥摻量對改良黃土力學強度提高效果弱化。 （2）養護溶液中NaCl 含量對改良黃土無側限抗壓強度影響明顯，NaOH 含量次之，當NaCl 含量由0.1 mol/L 增加至0.4 mol/L，抗壓強度提高了10.5%。 建議最優養護溶液NaCl、NaOH、Na2SO4含量分別為0.4 mol/L、0.1 mol/L 和0.2 mol/L。（3）隨養護齡期延長，養護環境對水泥改良黃土無側限抗壓強度增長規律影響相近，標準養護環境下改良黃土無側限抗壓強度增長最快，最優鹽溶液環境次之；當養護齡期≥28 d 時，抗壓強度趨勢減緩，基于水泥改良黃土強度增長規律，建立強度增長模型。