摻膨脹劑的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗研究

魯文浩 馬 波 戴 康

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

工程實踐證明，注漿是治理各類工程地質(zhì)災(zāi)害的有效技術(shù)手段與工程措施。水泥土即為將膨脹劑水泥混合漿液注入土體中形成的固結(jié)體。無側(cè)限抗壓強度是評價水泥或其他膠結(jié)材料對土壤固化效果的重要指標(biāo)之一。

國內(nèi)外學(xué)者對水泥土強度、滲透性、耐久性及其含水率、水泥摻入比、齡期等因素之間的關(guān)系已經(jīng)做了大量的研究，并取得了很多突破性的成就[1-3]。但在水泥土因凝結(jié)硬化而產(chǎn)生體積收縮，影響加固效果方面以及通過改善水泥土性能實現(xiàn)基礎(chǔ)抬升和結(jié)構(gòu)糾偏的研究較少。因此，本文對摻膨脹劑水泥土的膨脹特性及承載力變化展開了研究，目的在于解決水泥土固相收縮的同時，為地基加固、基礎(chǔ)抬升和結(jié)構(gòu)糾偏提供可靠的理論依據(jù)。

1 試驗作用機理

1.1 材料相互作用

水泥、水、膨脹劑發(fā)生反應(yīng)后會生成水泥土，水泥在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的凝膠類物質(zhì)會隨著自身的強度慢慢強化而變硬，從而形成水泥石類骨架。這些凝膠類物質(zhì)能和土粒進行包裹，形成密實的結(jié)構(gòu)，提高土體強度，經(jīng)過一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，部分繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架，部分則與周圍活性粘土顆粒繼續(xù)反應(yīng)[4]。

1.2 改良原狀土

水泥土中Ca(OH)2會溶解水泥土中的Al2O3和SiO2，導(dǎo)致粘土中膠體成分減少，降低水泥土的塑性和膨脹性，主要因為Ca2+與土顆粒附近其他陽離子發(fā)生交換。水泥土的包裹作用可以看成水泥與土顆粒進行反應(yīng)后的產(chǎn)物形成一層外包層，把沒有參加反應(yīng)的粘土和粘性物質(zhì)包裹起來，使整體的塑性和膨脹性降低。

水泥土中水泥的摻量較多時，其經(jīng)過水化反應(yīng)產(chǎn)生的水泥石結(jié)構(gòu)就較多，土體中有塑性改良效果的物質(zhì)，比如粘土顆粒被包裹在水泥石骨架中，此時水泥對水泥土強度提高的效果不夠顯著。在水泥摻量較少時，水泥可以有效降低水泥土塑性，此時水泥對水泥土整體強度的影響效果較大，見圖1。

2 試驗研究

2.1 試驗材料

試驗用土取自三峽庫區(qū)粘土，具體物理指標(biāo)見表1。原狀土取回后，經(jīng)過風(fēng)干、碾碎，通過2.36 mm方孔篩，制成試驗用土樣。基本系數(shù)見表1。

試驗選用湖北省三峽牌水泥，膨脹劑為硫鋁酸鈣和氧化鈣復(fù)合膨脹劑，具體參數(shù)見表1，表2。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 膨脹劑性能指標(biāo)

2.2 試驗原理及方案

由相關(guān)規(guī)范，本試驗選取JGJ/T 233—2011水泥土配合比設(shè)計規(guī)程，選取相應(yīng)的試驗用器材[5]。

在表3中，本文選擇水灰比、土體含水率、水泥摻入比、外加劑摻入量和齡期5個主要因素作為正交試驗因素，每個因素取5個水平。以水泥土無側(cè)限抗壓強度為試驗指標(biāo)，選取L25(56)正交表進行正交試驗設(shè)計，此處單獨列出一個空列，用于估算誤差和衡量數(shù)據(jù)的可靠。試驗共安排25組，每組均制備3個平行試樣，具體情況見表3。

表3 正交試驗因素水平表

2.3 試驗結(jié)果分析

圖2中以5個因素的變化為橫坐標(biāo)，試驗指標(biāo)的抗壓強度為縱坐標(biāo)，繪制水灰比、含水率、水泥摻入比、膨脹劑摻量、齡期與抗壓強度關(guān)系的直觀圖，結(jié)果見圖2。

1)水灰比越大，測得的抗壓強度的值就越小。當(dāng)含水率變大，大于30%時，水泥土抗壓強度明顯降低。

2)含水率較小時，水泥和膨脹劑顆粒發(fā)生水化反應(yīng)所需水分不足，不能充分發(fā)揮其固結(jié)和膨脹效應(yīng)，水泥土強度增大不明顯。含水率較大時，水泥和膨脹劑顆粒擴散速度增大，未發(fā)生反應(yīng)即進入孔洞中沉淀。同時，水泥土中存在多余游離水分子，使其強度降低。

3)隨水泥摻入比的增大，試驗得到的結(jié)果是先提高到某一峰值后再降低，若繼續(xù)增大水泥摻入比，則其強度會降低。

4)膨脹劑摻入量越多，水泥土抗壓強度就會越大，但到達一定峰值時，則會出現(xiàn)下降。試驗結(jié)果表明：當(dāng)膨脹劑摻量為8%時，試驗結(jié)果達到最高值，較不摻膨脹劑提高了1.51 MPa。

5)隨著養(yǎng)護時間的增長，水泥土內(nèi)部物理和化學(xué)反應(yīng)越來越完全，水泥土內(nèi)部逐漸形成膠結(jié)物，使土體內(nèi)部的孔洞和裂縫減少，使水泥土整體的密實度增強，從而其整體的穩(wěn)定性增強。水泥土中各種空隙會隨著養(yǎng)護時間的增長逐漸減少。因此，在任何條件下，隨著時間的延長，水泥土強度的變化幅度會越來越趨于緩和。

3 結(jié)語

1)土顆粒、水泥、膨脹劑之間通過水化作用產(chǎn)生硬凝、離子互相交換和團粒化、碳酸化作用、結(jié)晶作用、骨架作用來改良原狀土，將土體結(jié)構(gòu)進行壓實，從而提高強度，降低土顆粒的分散度。

2)本試驗采用正交試驗，并采用極差和方差分析，通過試驗結(jié)果，按影響程度排序為含水率>水泥摻入比>齡期>膨脹劑摻量>水灰比。

3)水泥土抗壓強度隨著水灰比增大而減小，隨膨脹劑摻量增加先增大后減小。含水率達到某特定值時，土顆粒排列緊密，水泥和膨脹劑反應(yīng)充分，整體強度較高。由試驗結(jié)果，水泥摻入30 %左右，可達到最大值。水泥土抗壓強度隨時間而逐漸增大，齡期30 d之前增幅較大，近似直線增長，30 d后，增長幅度趨緩。

4)由試驗結(jié)果可以得到：含水率30%、水泥摻入比30%、齡期60 d、膨脹劑摻量8%、水灰比0.4∶1的配比為該正交試驗得到的最優(yōu)方案。該方案得到的試驗結(jié)果為8.0 MPa，高于第二節(jié)中任一組試驗數(shù)據(jù)，表明該正交試驗優(yōu)選結(jié)果可靠。

[1] 周承剛,高俊良.水泥土強度的影響因素[J].煤田地質(zhì)與勘探,2001,29(1):45-48.

[2] 儲誠富,洪振舜,劉松玉,等.用似水灰比對水泥土無側(cè)限抗壓強度的預(yù)測[J].巖土力學(xué),2005,25(6):645-649.

[3] 鄭 繼.水泥土耐久性能試驗研究[J].水利水電技術(shù),2011,42(8):8-10.

[4] 陳 達,莊 寧,廖迎娣,等.水泥土力學(xué)特性隨齡期發(fā)展規(guī)律試驗研究[J].水利水運工程學(xué)報,2012(1):26-29.

[5] JGJ/T 233—2011,水泥土配合比設(shè)計規(guī)程[S].