低摻量水泥拌合土物理力學性能研究

何勝黨

（招商局漳州開發區有限公司，福建 漳州 363105）

0 引言

利用疏浚吹填土圍海造地是緩解土資源緊張的有效手段，近十幾年來我國圍海造地面積超過1000 km2。圍海造地建造海上圍埝和護岸多采用拋石斜坡堤和吹填砂被堤形式，需要使用大量的中粗砂或塊石等建筑材料，工程造價高昂。為此，在天津和連云港地區開發出了一種新型圍埝形式[1-3]，利用低摻量的水泥拌合土（水泥摻量為原地基土質量的8%）替代砂石材料作為圍埝堤心取得了成功。本文結合現場施工需求，對低摻量的水泥拌合土的工程特性進行了研究。

1 研究方法

以往對低摻量水泥拌合土工程性質的研究主要集中在無側限抗壓強度的影響因素方面，對其表觀特征的研究相對較少[4-6]。為此，根據實際工程需要，采用室內試驗和現場試驗相結合的方法進行研究。通過現場試驗重點研究低摻量水泥拌合土的表觀特征及稠度，詳細分析坍落度法、微型十字板強度檢驗法和貫入試驗法表征其稠度的優缺點；通過室內試驗重點研究其與原地基土、高摻量水泥攪拌土在物理力學特性上的差異，便于工程人員對其物理力學特性能夠充分了解并合理利用。

2 試驗用基本材料

原地基土、水、水泥經攪拌即可形成低摻量水泥拌合土。為便于與現場實際工程的試驗結果相比較，室內試驗所用原地基土以及海水也取自工程現場所在地，試驗用原地基土主要為淤泥質黏土、淤泥，其主要物理力學性質指標見表1。水泥采用淺野牌P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，同現場工程使用的水泥品牌一致。

表1 拌合前原地基土的主要指標統計Table 1 Key indicators of the original-ground soil before mixing

3 試驗成果

3.1 表觀特征

低摻量水泥拌合土與拌合前的原淤泥質土在結構和狀態方面有很大的不同。拌合前的原淤泥質土為軟塑～流塑態，為了使拌合土具有更好的流動性，在原地基土中加入一定量的水，然后加入水泥漿進行拌合（水泥漿的水灰比為0.8）。

隨著時間的推移，盡管拌合土的含水率和重度基本沒有變化，但拌合土的結構和狀態發生了很大的變化；剛拌合好的水泥拌合土呈流塑狀態，便于充灌施工。現場也是利用該狀態快速充灌形成堤心，見圖1。

圖1 充灌施工Fig.1 Irrigation construction

拌合1 h后，水泥的初凝基本完成，低摻量水泥拌合土由流塑狀態轉變為軟塑狀態，現場施工可以利用該時間段對圍埝堤心通過踩壓的方式進行整平，必要時可進行補充灌。

拌合10 h后，水泥的終凝基本完成，這時低摻量水泥拌合土由軟塑狀態向可塑狀態逐漸轉變，在24 h以內形成一定的強度，成為塊狀結構，見圖2。這種塊狀結構具有一定的黏結強度，抗風浪和抗沖刷能力較強，在一定時間內可保持很好的完整性，給圍埝護坡施工帶來了時間上的極大便利。

圖2 拌合土24 h以后的狀態Fig.2 Cement soil state after 24 h

低摻量水泥拌合土由于水泥摻量低，拌合過程中又摻入了一定量的水，因此含水率高，孔隙率大，重度小，呈一定的蜂窩狀。

3.2 攪拌初期的稠度特征

拌合土形成初期的稠度是拌合土充灌施工最關鍵的影響因素之一，稠度越大，形成的拌合土強度越高，但施工的難度也越大。主要表現在拌合土充灌管道容易堵塞、模袋不易充滿和整平。如果降低稠度，拌合土的強度又將受到一定影響，因此選擇合適的充灌稠度對施工是非常重要的。

對于拌合土的稠度評價目前還沒有一個合適的辦法，由于拌合土的形成初期處于半流動狀態，同流泥相比具有一定的強度，但是與淤泥質土相比，強度又非常小。稠度大小的主要影響因素在于拌合土含水量的大小以及水泥摻入量、固化時間等。為了保證拌合土的強度，水泥的摻入量是不宜再降低的，因此調節稠度的最簡單的方法是在拌合土形成時適量添加水分，增加拌合土的含水量，從而增加形成初期的和易性和流動性。

為了找到現場充灌拌合土稠度的檢驗辦法，采取了3種評價方法，其一是借用混凝土的坍落度法，其二是采用微型十字板進行強度檢驗，其三是貫入試驗。以下分別就這3種方法的優缺點進行說明。

3.2.1 坍落度法

試驗方法參照混凝土的相關規程進行，分別進行了原狀土樣擾動后的坍落度試驗和土樣中添加水泥后的拌合土的坍落度試驗，試驗結果見圖3。

圖3 坍落度與含水量變化關系Fig.3 Relationship of slumps changes with water content

試驗結果表明，在同等含水量條件下，拌合土的坍落度值比原地基土擾動后的值小，當含水量達到60%左右，拌合土的坍落度值增長幅度很快，當拌合土的含水量在70%～80%時坍落度值均超過15 cm，用坍落度方法已很難來評價稠度。

3.2.2 微型十字板檢驗法

微型十字板法是檢驗超軟土剪切強度的主要手段之一，國外的研究較多，我國主要集中在部分高校或研究機構。該方法最大的優勢在于操作方便，讀數直觀；主要缺陷在于測試點小、只能測試表面軟土的強度、需要測試的代表點數量不能太少。

試驗結果表明，拌合土充灌前的最佳剪切強度值一般在30 kPa以內，如果剪切強度大，充灌效率將會受到一定影響。

3.2.3 貫入試驗法

為了方便進行現場拌合土稠度檢測，曾試制一個簡單儀器，其下為平底的圓形探頭，通過剛性的連接桿與測力環連接，測力環的另一側連接操作手柄。通過測試拌合土貫入阻力來確定其強度。試驗時將探頭輕輕壓入拌合土中，觀察測力環受力后的變形量，以計算貫入時的貫入阻力做為稠度的衡量方法。

拌合土的初期強度非常低，貫入阻力也比較小，該方法在室內試驗時，由于拌合土的均勻性較好，雖然測出來的拌合土強度值不高，數據基本上具有一定的規律性；在現場施工檢測時原計劃采用該方案進行質量檢測，但施工過程中發現試驗的數據離散性非常大。經分析，主要原因在于貫入速度和貫入垂直方向在現場很難把握，后來在施工中沒有采用該方法。

綜合3種檢驗方法，對拌合土形成初期的稠度最大的影響因素為拌合土的含水量，只要在攪拌過程中保持土、固化材料、水的比例基本不變，現場拌合土的稠度基本上穩定在一個范圍內。

3.3 物理力學特征

由于拌合土中摻入了一定量的水泥，水泥與水和地基土通過水化反應、離子交換和碳酸化反應等一系列物理化學反應，生成多種水化產物，并釋放水化熱，使其結構和狀態發生較大的變化，從而與原地基土在物理力學性質上有較大的不同，且隨著水泥摻量的增加，這種差異也有明顯變化。

3.3.1 物理特征

原地基土主要為淤泥質黏土和淤泥，含水率為40%～70%，重度為15.5～17.8 kN/m3，孔隙比為1.0～1.9；低摻量水泥拌合土的含水率為65%～120%，高于原地基土的含水率，重度為14.5～15.7 kN/m3，低于原地基土的重度，孔隙比為2.0～4.0，大于原地基土的孔隙比。對該地區高摻量水泥攪拌土的性質進行分析，水泥攪拌樁施工時只是按照一定的水灰比將水泥漿摻入到原地基土中，不再額外摻加水，因此總的摻水量要少于低摻量水泥拌合土，且由于水泥摻量高（水泥摻量為原地基土質量的20%），水化反應要消耗大量的水，且釋放出大量的水化熱，所以含水率比原地基土小，密度也比原地基土大，詳見表2。

表2 拌合土與原地基土的指標對比Table 2 Indicator contrast of the cement soil and the original-ground soil

3.3.2 強度特征

高摻量水泥攪拌土水泥摻量較高，無側限抗壓強度也很高，14 d齡期可達0.7～0.9MPa，90 d齡期高達1.5～2.5MPa，進行無側限抗壓強度試驗時破壞形式表現為脆性破壞。低摻量水泥拌合土由于水泥摻入量低，所以其無側限抗壓強度要比高摻量水泥攪拌土小得多，現場成型室內標養條件下14 d齡期無側限抗壓強度一般只有0.23MPa左右。盡管如此，其強度同原地基土相比還是有了很大程度的提高，破壞形式盡管表現為塑性破壞，但破壞時的變形量很小。隨著拌合土中的含水量降低或水泥摻量適量增加，這種破壞特征逐漸由塑性破壞向脆性破壞轉化。

在直剪快剪強度方面，低摻量水泥拌合土更接近于老黏土的一些特性，但是其直剪強度要比一般老黏土的強度大一些，通過對多組室內試驗數據進行統計，28 d齡期的拌合土黏聚力在58 kPa左右，內摩擦角在29°左右，見圖4。

圖4 低摻量水泥拌合土室內剪切試驗結果（28 d齡期）Fig.4 Indoor shear test results of the cement soil with low additions（28 d age）

3.3.3 變形特性

淤泥及淤泥質黏土的壓縮e-P曲線常表現為“雙曲線”型，前期較低固結壓力下孔隙比減小幅度較大，隨著固結壓力的增加，孔隙比減小幅度變小。低摻量水泥拌合土由于強度有了明顯提高，物理力學性質也有了較大變化，壓縮e-P曲線同常規淤泥及淤泥質黏土相比也有明顯不同，不再呈現“雙曲線”型，而是基本為直線，且在150～200 kPa的荷重下出現一個明顯向下的拐點，見圖5。

圖5 120 d齡期的拌合土壓縮試驗曲線Fig.5 compression test curve of the cement soil in 120 d age

4 結語

1）低摻量水泥拌合土剛拌合好時呈流塑狀態，拌合1 h后逐漸由流塑狀態轉變為軟塑狀態，非常便于拌合土的沖灌施工和整平。

2）影響低摻量水泥拌合土形成初期稠度的主要因素為拌合土的含水量，只要在攪拌過程中保持原地基土、固化材料、水的比例基本不變，現場拌合土的稠度基本上穩定在一個范圍內。

3）低摻量水泥拌合土盡管其強度同高摻量水泥攪拌土相比有一定的差距，但是同原地基土相比，已經有了較大程度的提高，基本滿足作為堤心材料的需要。

4）低摻量水泥拌合土的壓縮曲線同常規淤泥及淤泥質黏土相比明顯不同，壓縮e-P曲線基本為直線，且存在一個明顯向下的拐點。

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