不同水泥摻量下水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

靳 璐

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院檢測(cè)試驗(yàn)研究中心，新疆 昌吉 831100）

1 引言

水泥土是由土、水泥和水按一定比例拌合而成的混合材料，該材料與普通土相比具有強(qiáng)度高、壓縮性低、滲透性小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于渠道防滲、道路墊層和大壩護(hù)坡等配套工程中。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥土的研究也取得了一定成果，梁仁旺[1]等通過(guò)試驗(yàn)研究了水泥土的力學(xué)性能，獲得了水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線；李建軍[2]等研究了水泥土的變形模量及強(qiáng)度特性，并通過(guò)分析得到了兩者之間的關(guān)系；郝文秀[3]等分析了摻砂水泥土的力學(xué)特性，得到了最佳砂含量；周麗萍[4]探討了水泥土材料的力學(xué)特性；阮波[5]等通過(guò)試驗(yàn)研究了水泥土的抗剪強(qiáng)度；董慧[6]等研究了凍融水泥土的力學(xué)特性，得到了相關(guān)模型參數(shù)；吳剛[7]等論述了不同水泥摻量下水泥土的壓縮特性；徐海坡[8]等綜述了水泥土滲透特性與強(qiáng)度特性。本文研究了不同水泥摻量下水泥土抗?jié)B系數(shù)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗凍性能的變化，為水泥土在工程中的應(yīng)用提供了技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。

2 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥土主要原材料包括：水泥、土及水。其中土樣取樣地位于新疆北疆某粉土場(chǎng)地，土樣的物理性能指標(biāo)見表1，顆粒分析結(jié)果見表2。水泥采用新疆青松綠原公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標(biāo)見表3。水即普通自來(lái)水。

表1 土樣物理性能指標(biāo)

表2 土樣顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果

表3 水泥物理性能指標(biāo)

參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019），通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)得到得到土樣的最大干密度為1.82 g/cm，最優(yōu)含水率分別為12.5%；通過(guò)液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得塑限18.5%，液限28.6%，塑性指數(shù)10.1，液性指數(shù)0.38，土樣定名為低液限粉土。水泥經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足技術(shù)要求。

2.2 試驗(yàn)方案

為研究不同水泥摻量對(duì)水泥土性能的影響，按規(guī)范要求制作水泥摻量分別為0%、6%、9%、12%、15%和18%的水泥土試件，每組試件含水率均控制在12.5%，脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d和28 d，對(duì)到達(dá)齡期的試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)。考慮到工程應(yīng)用中溫度的極端情況，試驗(yàn)的凍結(jié)溫度為-20℃，融化溫度為20℃，一次凍融循環(huán)時(shí)間為24 h，對(duì)完成凍融循環(huán)后的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 不同水泥摻量對(duì)水泥土滲透系數(shù)的影響

成型直徑100 mm、高100 mm的圓柱體抗?jié)B試件，每組三塊。對(duì)各水泥摻量下的水泥土試件分別于3 d、7 d、14 d和28 d進(jìn)行常水頭滲透試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到不同水泥摻量下水泥土各齡期的滲透系數(shù)關(guān)系曲線見圖1。

圖1 不同水泥摻量下養(yǎng)護(hù)齡期與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到，水泥的摻入對(duì)素土的抗?jié)B性能有明顯的提升。素土28 d滲透系數(shù)為7.85×10-7cm/s，水泥摻量18%的水泥土28 d的滲透系數(shù)為4.11×10-8cm/s，相比而言滲透系數(shù)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于水泥土中的水與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，形成的膠結(jié)物填充了土體間的空隙，阻斷了連通的空隙通道，使得滲透系數(shù)明顯減小，隨著水泥摻量的增加，水化反應(yīng)形成的膠結(jié)物越多，空隙填充的就越密實(shí)。同一水泥摻量下，滲透系數(shù)隨齡期的增加而減小，各摻量下28 d齡期的水泥土滲透系數(shù)相差不大。

3.2 不同水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

成型70.7 mm的立方體抗壓試件，每組三塊。對(duì)各水泥摻量下的水泥土試件分別于3 d、7 d、14 d和28 d進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，得到不同水泥摻量下水泥土各齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表4，各摻量下28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。

表4 不同水泥摻量下水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

圖2 28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖中數(shù)據(jù)可以得到，摻入水泥后的水泥土早期強(qiáng)度較低，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，由于水泥的水化反應(yīng)更加充分，骨架結(jié)構(gòu)越發(fā)完整，28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較3 d強(qiáng)度有明顯提升；隨著水泥摻量的增加，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值提高顯著，當(dāng)水泥土中不摻水泥時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度僅為0.72 MPa，當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度為1.33 MPa，為對(duì)照組的185%，當(dāng)水泥摻量為18%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度為3.37 MPa，為對(duì)照組的468%，這是因?yàn)樗嗟膿搅吭酱螅瓿珊缶驮侥軌虬l(fā)揮水泥的強(qiáng)度骨架作用，充分說(shuō)明了水泥摻量在水泥土的強(qiáng)度中起了主要作用。

對(duì)比不同水泥摻量下的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，水泥的摻入對(duì)抗壓過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線影響很大。隨著水泥摻量的逐漸增加，曲線初始直線段的斜率越來(lái)越大，應(yīng)力峰值也不斷提高。破壞后期下降段也變得越來(lái)越陡，水泥土的破壞形式趨向于脆性剪切破壞。

3.3 凍融循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

為研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，針對(duì)各配比成型70.7 mm的立方體抗壓試件，待養(yǎng)護(hù)28 天后，分別5 次、10 次、15 次凍融循環(huán)試驗(yàn)，將完成凍融后的水泥土試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同水泥摻量下，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表5，凍融水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系曲線見圖3。

表5 水泥土凍循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

分析表中數(shù)據(jù)可以得到，在各水泥摻量配比下，伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)5 次后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的80%左右，當(dāng)凍融循環(huán)10 次后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的50%左右，當(dāng)凍融循環(huán)15 次后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的45%左右。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，水泥土中的水在凍融循環(huán)過(guò)程中，由于水固態(tài)和液態(tài)多次轉(zhuǎn)變會(huì)破壞水泥土的原有結(jié)構(gòu)，對(duì)水泥土的強(qiáng)度造成損傷，水泥土的凍融循環(huán)次數(shù)越多，凍融破壞越強(qiáng)烈，水泥土的強(qiáng)度損傷就越嚴(yán)重，因此隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小。當(dāng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)10次后，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小趨勢(shì)趨于平緩，這是因?yàn)樽銐虻膬鋈谘h(huán)次數(shù)已對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)充分破壞，剩余強(qiáng)度主要是水泥土結(jié)構(gòu)的殘余強(qiáng)度。

通過(guò)分析圖3 可以得到，隨著水泥摻量的增加，水泥土及凍融水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨著水泥占比的增加，水泥水化后與土顆粒形成了穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，并且強(qiáng)度逐漸提高，導(dǎo)致水泥土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)。由于凍融過(guò)程中水泥土的骨架結(jié)構(gòu)受到破壞，從而導(dǎo)致強(qiáng)度損失，故不同水泥摻量的凍融水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于相同摻量的未凍融水泥土。

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與水泥摻量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

（1）水泥的摻入對(duì)水泥土的抗?jié)B性能有明顯的提升。素土28 d滲透系數(shù)為7.85×10-7cm/s，水泥摻量18%的水泥土28 d的滲透系數(shù)為4.11×10-8cm/s，相比而言滲透系數(shù)提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

（2）通過(guò)研究不同水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響得到，隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)水泥摻量為18%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的468%，水泥土的破壞形式趨向于脆性剪切破壞。

（3）凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土的強(qiáng)度影響較大，當(dāng)凍融循環(huán)10 次后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為對(duì)照組的50%左右，并且抗壓強(qiáng)度減小趨勢(shì)趨于平緩，剩余強(qiáng)度主要是水泥土結(jié)構(gòu)的殘余強(qiáng)度。