水泥土抗剪抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

摘要：水泥土是指通過在土中摻入水泥來改善土的力學(xué)性能的一種工程材料，為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，研究水泥土抗壓、抗剪強(qiáng)度參數(shù)與水泥摻入比之間的變化規(guī)律，通過配制不同水泥摻入比的水泥土試件，對不同齡期和不同水泥摻入比下的各試件開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，得到其抗壓、抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并計(jì)算得水泥土的粘聚力、內(nèi)摩擦角，進(jìn)而分析水泥土的抗壓、抗剪強(qiáng)度與水泥摻入比之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨水泥摻入比增長而增大，而當(dāng)摻入比達(dá)到20%后，水泥土的抗剪強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長趨于緩慢。此外，隨著水泥土齡期的增加，不同水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度有不同幅度的增長。

關(guān)鍵詞：水泥土；水泥摻入比；齡期；抗剪強(qiáng)度；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中國分類號：TU521.3A

［定稿日期］2022-04-07

［作者簡介］黃思宇（1996—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土工程施工與技術(shù)；張可能（1962—），男，博士，教授，從事地質(zhì)工程、環(huán)境巖土工程的研究和教學(xué)工作。

0 引言

水泥土主要由土、水泥和水組成，在松散、孔隙大的土中摻入水泥可有效改善土的力學(xué)性能，水泥可吸收土中的水分，通過水化作用產(chǎn)生的膠凝粒子附著于土顆粒表面，使土顆粒間因膠結(jié)作用而形成硬骨架結(jié)構(gòu)，膠凝粒子可較好充填到土顆粒間的空隙，從而提高了土體的抗壓和抗剪強(qiáng)度。目前水泥土材料在各類工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用人員的青睞，可就地取材，具備優(yōu)良的力學(xué)性能和突出的工程效益等優(yōu)點(diǎn)，讓行業(yè)研究人員也因此開展了很多水泥土性能方面的試驗(yàn)研究。

王毓國等［1］對黃土水泥土材料進(jìn)行室內(nèi)的單軸拉伸試驗(yàn)，總結(jié)了水泥摻入量和齡期同水泥黃土抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。江國龍等［2］采用室內(nèi)試驗(yàn)分析粉質(zhì)黏土水泥土在不同的水泥摻入比和不同養(yǎng)護(hù)條件下抗拉強(qiáng)度的變化情況。目前將納米材料用于改善水泥土的性能強(qiáng)度的研究很多［3］，比如：納米SiO2、納米Al2O3的摻入可有效增大水泥土的抗壓強(qiáng)度；納米TiO2會降低水泥土的抗壓強(qiáng)度等。在一定的水泥摻入范圍內(nèi)［4］，水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增大，由于文章的研究中水泥土摻入量相差較小，對比性不強(qiáng)。梁仁旺、湯怡新［5-6］等文章研究了不同水泥摻入比和納米材料對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，未展開對水泥土抗剪強(qiáng)度相關(guān)方面的研究。抗剪強(qiáng)度是評判水泥土材料力學(xué)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前大多數(shù)研究集中于水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的規(guī)律，對其抗剪強(qiáng)度規(guī)律以及粘聚力、內(nèi)摩擦角的研究較少。本文依托長沙市區(qū)某市政工程，對不同水泥摻入比、齡期等條件下的水泥土試件分別開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，探討水泥摻入比的變化與水泥土抗壓、抗剪強(qiáng)度之間的變化關(guān)系，為相關(guān)的工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

土料：取自湖南省長沙市區(qū)某市政項(xiàng)目，其部分物理力學(xué)性能見表1。水泥基本性能指標(biāo)見表2。

1.2 試驗(yàn)方案

此次試驗(yàn)采用風(fēng)干土作為試驗(yàn)土體，水泥漿的水灰比宜取0.6。水泥摻入比（摻入的水泥質(zhì)量與被加固土的濕質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示）分別為5％、10％、15％、20％、30％、40％等多種；分別進(jìn)行7d、14d 2個(gè)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，研究分析水泥摻入比及養(yǎng)護(hù)齡期對于水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

1.3 試驗(yàn)原理和方法

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)原理：本次強(qiáng)度試驗(yàn)參照水泥砂漿混凝土抗壓強(qiáng)度的測定方法，制成立方體試塊試件，調(diào)試好設(shè)備后將配制的水泥土試件置于壓力機(jī)下壓至破壞，實(shí)時(shí)記錄試件破壞的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，記錄破壞時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度。

（2）抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)原理：每組試驗(yàn)取3個(gè)試樣共12個(gè)試件，試件為61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀樣，在垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa的壓力條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)；將每個(gè)試件的最大剪應(yīng)力點(diǎn)繪在坐標(biāo)紙上，將其線性回歸成一條直線，求得水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

采用風(fēng)干土進(jìn)行試件配樣，用于直剪試驗(yàn)的水泥土試件，可在振實(shí)后的模具立方體試件中插入環(huán)刀。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的相關(guān)試件在（20±5） ℃的環(huán)境條件下靜置48 h后拆模，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)帶環(huán)刀試件在24 h后拆模。試件的養(yǎng)護(hù)采用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7天、14天。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 水泥的齡期和水泥摻入比對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線測得各組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到表3相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1）由表3所匯總的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加而增大，但并不是水泥摻入比越大，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高越多，由圖1分析可知，在水泥摻入比為20%以后，水泥土強(qiáng)度的增長趨勢逐漸減緩。分析齡期給強(qiáng)度帶來的影響，可知土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在相同水泥摻入比下會隨齡期的增加而增大，水泥摻入比越大，水泥土的抗壓強(qiáng)度增長趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間就越長。

（2）水泥摻入比的變化影響水泥土強(qiáng)度的原因：由于水泥摻入比偏小時(shí)，土顆粒分布比較分散，進(jìn)行水化反應(yīng)生成的膠凝材料數(shù)量較少，不能有效膠結(jié)周圍的土顆粒及水化產(chǎn)物等，強(qiáng)度偏低。水泥不足難以反應(yīng)生成足夠的膠凝材料，不能有效填充土中的土顆粒孔隙。反之，隨著水泥摻入比的增加，可不斷增強(qiáng)土顆粒與膠凝粒子之間的粘結(jié)性，從而強(qiáng)度增大。

（3）養(yǎng)護(hù)齡期的影響：水泥土的強(qiáng)度形成主要是由于水泥漿液在土中需通過水化作用產(chǎn)生的膠凝粒子附著于土顆粒表面，使土顆粒間因膠結(jié)作用而形成硬骨架結(jié)構(gòu)。水泥漿液在土中需要一定的時(shí)間來完成水化反應(yīng)，反應(yīng)生成足夠的膠凝粒子。在一定時(shí)間段內(nèi)，養(yǎng)護(hù)齡期越長，水化產(chǎn)物越多，土顆粒之間的膠結(jié)作用愈明顯，進(jìn)而提升土體整體。由于水化產(chǎn)物會與土中的黏土顆粒成分發(fā)生反應(yīng)只需幾天的快速反應(yīng)，也有如硬凝反應(yīng)、反應(yīng)生成新礦物等慢速反應(yīng)，需要更長時(shí)間才能完成反應(yīng)。

2.2 水泥的齡期和水泥摻入比對水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

將直剪實(shí)驗(yàn)所得的不同摻入比下每個(gè)試件載不同垂直壓力下所得到的最大剪應(yīng)力點(diǎn)通過軟件導(dǎo)入繪出散點(diǎn)圖在坐標(biāo)紙上，并通過Origin軟件將其分析計(jì)算，線性回歸成一條直線，如圖2、圖3、表4、表5所示。

根據(jù)上述線性方程所繪制的坐標(biāo)圖，可分別求得各水泥摻入比下的土粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，水泥摻入比對其數(shù)值的影響規(guī)律分別見圖4、圖5。

分析7d養(yǎng)護(hù)齡期，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻入比從5%增加到10%、從10%增加到15%、從15%增加到20%、從20%增加到30%以及從30%增加到40%時(shí)，土的粘聚力c分別提高43％、69％、99％、124%、138%，由此可知，土的粘聚力c隨水泥摻入比的增大而增大，14d養(yǎng)護(hù)齡期也呈類似的增長趨勢。且養(yǎng)護(hù)齡期的增大對于水泥摻入比更大的水泥土的強(qiáng)度增強(qiáng)效果更加明顯。

這是由于隨著水泥的摻入比越大，與土顆粒間的水化和水解作用就越強(qiáng)烈，反應(yīng)所生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物等物質(zhì)也就充斥在土顆粒間，土的強(qiáng)度自然會得到提高。但由圖4可見在水泥摻入比為20%以后，增加的幅度是逐漸降低的，這也側(cè)面說明了水泥充當(dāng)粘粒的有效性會隨水泥摻入比的增大而逐漸下降，對粘聚力的提升作用相比早期會有所減弱。

由圖5可知，7d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，當(dāng)水泥摻入比從5%增加到10%、從10%增加到15%、從15%增加到20%、從20%增加到30%以及從30%增加到40%時(shí)，土的內(nèi)摩擦角φ分別提高47.6％、66.7％、87.6％、97.1%、101.9%， 14d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，內(nèi)摩擦角前期有相似增長趨勢，但從30%到40%時(shí)，數(shù)值還略有減小。綜上可知，隨著水泥摻入比的增加，土的內(nèi)摩擦角φ得到了較大的提高，但是增加的幅度也是逐漸降低的。

3 結(jié)論

（1）在土中摻入適當(dāng)提高水泥的摻入比，能增進(jìn)與土顆粒間的水化和水解作用，改善土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，提高土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高土的抗剪強(qiáng)度。

（2）總的來說，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨齡期、水泥摻入比的增加而增長，養(yǎng)護(hù)齡期的長短對不同水泥摻入比的水泥土試件有著不同的影響結(jié)果。水泥摻入比越大，養(yǎng)護(hù)齡期的延長對于水泥土強(qiáng)度的增大效果更加明顯。

（3）為了提高土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥摻入比大總的來講強(qiáng)度提高也大，但考慮到水泥摻入比增加到一定值后，土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大減緩，因此從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，水泥摻入比應(yīng)控制在一個(gè)合適的范圍會更好。

（4）后面還可研究水泥摻入比不同對水泥土的壓縮性的影響，以及隨著水泥摻入比的增加，試件的破壞形式是否會發(fā)生哪些變化。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王毓國，張愛軍，郭敏霞，等.水泥摻量和齡期對渠道水泥土墊層抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律［J］.中國農(nóng)村水利水電，2018（9）：144-148.

［2］ 江國龍，陳四利，毛學(xué)文，等.水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2017，34（8）：29-33+56.

［3］ 王立峰.納米硅水泥土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究和作用機(jī)理分析［J］.科技通報(bào)，2012，28（7）：102-106+129.

［4］ 曾勝華，曾娟.低摻量水泥土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2010（4）：17-19.

［5］ 梁仁旺，張明，白曉紅.水泥土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2001（2）：211-213.

［6］ 湯怡新，劉漢龍，朱偉.水泥固化土工程特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2000（5）：549-554.