洞庭湖區摻粉煤灰水泥土性能試驗研究

王 崳， 黃耀英， 方國寶， 黃緒泉， 蔡 忍， 殷曉慧

(1.三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌443002； 2.長江勘測規劃設計研究院， 湖北 武漢430010)

1 研究背景

洞庭湖位于我國湖南省北部，長江荊江河段以南，古稱“云夢”。洞庭湖區[1-2]屬于湖相沉積平原區，地形較平坦，其軟土屬于湖泊相沉積軟土。湖區地基條件具有凝聚力小、抗剪強度低等特點，不宜直接作為建筑物的地基。近年來隨著洞庭湖區經濟的快速發展和大批的水利工程及道路交通工程的實施，洞庭湖區淤泥質地基軟弱的問題越來越引起人們的重視，目前常采用水泥土攪拌樁加固的方法來提高地基強度。水泥土攪拌樁具有經濟耐久、施工簡便等特點[3]。粉煤灰作為一種常用的礦物外加劑，在混凝土工程中廣泛應用，也可將其應用到水泥土地基處理中，可以起到減少水泥用量，降低工程成本的作用。

針對以水泥中摻入粉煤灰作為膠凝材料的水泥土樁法在加固地基工程中表現出的優良特性，目前國內外專家針對摻粉煤灰水泥土開展了一系列研究[4-7]，認為粉煤灰可作為膠凝材料來替代部分水泥，并不影響其最終強度。但上述研究僅限于對水泥土強度的定性認識。而關于摻粉煤灰水泥土無側限抗壓強度模型研究方面，Cheng等[8]通過引入粉煤灰水泥摻量的不確定性參數α和攪拌過程中不均性參數β兩個隨機變量，建立了摻粉煤灰水泥土的強度預測模型，并且利用試驗數據對預測模型進行了驗證；周海龍[9]通過室內試驗數據建立了考慮水泥摻入比、粉煤灰摻量、齡期的非線性水泥土強度預測模型，并且進行了驗證；Jongpradist等[10]通過水泥土室內實驗數據，建立了關于水膠比的水泥土無側限抗壓強度預測公式；蒙強等[11]通過水泥土室內試驗，提出了水泥粉煤灰固化土的強度預測經驗公式。雖然上述模型可以求解不同齡期、不同粉煤灰摻量下的水泥土無側限抗壓強度，但是模型形式較為復雜，并且擬合效果較為一般。同時，粉煤灰對于水泥土強度的影響與所使用粉煤灰及當地土壤的化學成分有很強的相關性，具有一定的地域性[12]；在對洞庭湖區水泥土的研究中，現有研究多是針對水泥摻入比、水泥標號及含水率等因素對水泥土無側限抗壓強度的影響[13-14]。為此，本文結合洞庭湖區某分洪閘地基加固工程，選取現場地基土樣，首先開展室內試驗，對于不同粉煤灰摻量的水泥土試件進行無側限抗壓強度、含水率及pH值的測定，得到洞庭湖區粉煤灰水泥土在不同粉煤灰摻量下的物理特性變化規律。進而參考混凝土抗壓強度模型中常用的組合指數式表達式[15]，考慮粉煤灰摻量對粉煤灰水泥土無側限抗壓強度的影響，基于無側限抗壓強度試驗數據，建立洞庭湖區考慮不同粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度組合指數式預測模型。

2 粉煤灰水泥土特性試驗設計

2.1 試驗材料

本次試驗所用土樣取自洞庭湖區某分洪閘閘基部位，取土深度約為3～4 m，土質較為粘稠，顏色為深棕色，有腥味，土的物理力學參數及Ⅱ級粉煤灰的基本化學成分如表1、2所示；水泥采用P.O.42.5石門海螺牌普通硅酸鹽水泥；試驗用水采用符合國家標準的試驗室自來水。

2.2 試驗方案

本次試驗為了研究洞庭湖區粉煤灰水泥土在不同粉煤灰摻量下的無側限抗壓強度、含水率及pH值的變化規律，根據《水泥土配合比試驗規程》(JGJ/T 233-2011)[16]及洞庭湖區某分洪閘工程施工現場水泥土攪拌樁所用配合比(水膠比為0.7，膠凝材料摻量為18%)，結合室內試驗相關設備以及原材料，設計了標準養護狀態下4種不同粉煤灰摻量水泥土試驗組S1～S4，每種試驗組下設計7、14、28、60、90 d共計5種典型齡期，每個齡期下成型3個7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm試件。當水泥土達到試驗齡期時，取出該齡期下所有試件，測定無側限抗壓強度、含水率以及中心部位土樣溶液pH值，由此得到不同摻量水泥土試驗方案如表3所示。由《水泥土配合比試驗規程》(JGJ/T233-2011)[16]以及設計的水膠比得到4組試驗的材料配比。

2.3 試驗方法

按照2.2節設計方案，進行室內水泥土試件成型，成型后將試件放入恒溫恒濕養護箱(養護溫度為20±5℃，養護濕度≥95%)進行養護，待到設計齡期時取出試件，進行水泥土無側限抗壓強度測定、土樣含水率測定及土樣pH值測定。

表1 試驗土樣的主要物理力學參數

表2 試驗粉煤灰主要化學成分及含量 %

表3 摻粉煤灰水泥土試驗方案

2.3.1 水泥土抗壓強度測試 待試件養護至設計齡期，即取出該齡期下所有試件，進行水泥土無側限抗壓強度測試，室內試驗儀器實物圖如圖1(a)所示。

圖1 水泥土抗壓強度、含水率及pH值測定儀器

2.3.2 土樣含水率測定 取已測試件中心部位土體15～30 g，按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)[17]進行測定。首先測定干燥盒質量ms，然后將土樣放入的干燥盒中，進行稱重，記錄濕土與干燥盒的總質量m1，之后在干燥箱內進行干燥后再次稱重，得到干燥后土樣與干燥盒的總質量m2，計算得到土樣含水率α如公式(1)所示，儀器實物圖如圖1(b)所示。

(1)

2.3.3 土樣pH值測定 取已測試件中心部位土體10 g，碾壓至細粒狀，在燒杯中配置土水比為1∶5制備土樣溶液。靜置30 min后，測定其上層清液的pH值，儀器實物圖如圖1(c)所示。

3 試驗結果與分析

根據第2節的試驗方法，得到S1～S4號試件組在設計齡期的的無側限抗壓強度值、含水率及配制土樣溶液測定上清液的pH值的試驗結果如表4所示。

表4 摻粉煤灰水泥土不同齡期試驗結果

注：由于實驗室pH計損壞，未測定90d齡期水泥土試件土樣溶液pH值。

3.1 摻粉煤灰水泥土無側限抗壓強度試驗結果分析

由表4所得數據，得到4組試驗組抗壓強度隨齡期變化曲線和抗壓強度隨配合比變化曲線如圖2所示。

從圖2(a)中可以發現在同一組試驗組中，水泥土試件無側限抗壓強度隨著齡期增大而增大，但增長速率隨齡期逐漸減小；在早齡期(28 d齡期之前)，4組試件的無側限抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而減小，這是由于4組試件組水膠比一致，粉煤灰摻量的提高使得水泥土中的水泥用量相應減少，抗壓強度隨著水泥用量的減少而降低。

由圖2(b)可知，在60 d齡期以前，試件強度隨著粉煤灰摻量的增加而降低；但在90 d齡期時，4組試件抗壓強度較為接近。這是由于水泥土中的水化反應已趨近完成，粉煤灰首先改善了土體的顆粒級配，使原本內部較為松散的結構變得更加緊密，其次粉煤灰具有非均質性，在水泥漿體中具有良好的填充作用[4]。另外，由于粉煤灰的容重只有水泥的2/3左右，摻入粉煤灰能夠提高水泥土試塊微觀結構的密實性，所以適當摻加粉煤灰能夠提高水泥土的后期強度。

3.2 摻粉煤灰水泥土含水率試驗結果分析

由表4所得試驗數據，得到4組試驗組含水率隨齡期的變化曲線和含水率隨配合比變化曲線如圖3所示。

從圖3(a)中可以發現，在14 d齡期以前，S1、S4號試件組的含水率隨齡期的增加而增加，S2、S3號試件組的含水率隨齡期的增加而減小；在14～28 d齡期時，4組試件組的含水率隨齡期的增加而增加；在28 d齡期以后，4組試件組的含水率隨齡期的增加而減小。

由圖3(b)中可以發現，在同一齡期下，4組試件的含水率隨著粉煤灰摻量的增加而增加，在0～90 d齡期、10%和20%粉煤灰摻量(S1和S2號)試件組含水率始終小于無粉煤灰摻量(S4號)試件組，30%粉煤灰摻量(S3號)試件組含水率始終大于無粉煤灰摻量(S4號)試件組，10%、20%粉煤灰摻量(S1、S2號)試件組由于粉煤灰的摻入，粉煤灰在水泥漿體中發生水化反應，消耗了部分水量，導致10%、20%粉煤灰摻量(S1、S2號)試件組含水量較無粉煤灰摻量(S4號)試件組低；但30%粉煤灰摻量(S3號)試件組由于粉煤灰摻量過高，導致水泥土中有效水膠比上升，在高水膠比的漿體中，由于粉煤灰水化程度有限，消耗的水分較少，所以其含水率較無粉煤灰摻量(S4號)試件組高。

3.3 摻粉煤灰水泥土pH值試驗結果分析

由表4所得試驗數據，得到4組試驗組pH值隨齡期的變化曲線和pH值隨配合比的變化曲線如圖4所示。

土木工程建筑結構的設計合理與否，關乎到建筑施工是否可以得到順利開展與建筑本身是否可以得到有效應用。但是在具體施工過程中，由于設計方案中一些具體標識不夠規范與標準，使施工的相關人員產生誤解，影響到設計方案的正確運用，使建筑結構設計價值不能充分發揮其價值，這需要設計人員對后續設計工作的開展加強重視，與施工方保持良好的聯系，保證設計方案能夠得到有效的實施。

從圖4(a)中可以發現在同一組試驗組中水泥土土樣溶液pH值隨著齡期的增加而降低；這是由于隨著齡期的增長，試件內部的水泥被消耗，導致土樣溶液的pH值隨著齡期的增加而降低。4組試件土樣溶液的pH值均在12以上，處于強堿環境，強堿環境有助于水泥土的強度增長。

由圖4(b)可知，同一齡期下，4組試件的pH值隨粉煤灰摻量的增加而降低，這是由于4組試件組的水膠比一致，粉煤灰摻量的提高會減少水泥用量，導致同一齡期下，S1～S4號試件組的pH值隨粉煤灰摻量的增加而減小。

4 考慮粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度模型

從上述試驗結果可以看出，水泥土中粉煤灰摻量以及齡期對其力學性能的發展具有重要影響。目前的水泥土工程中，各種外加劑和新型材料的廣泛使用，使得影響水泥土力學性能發展的因素越來越多，水泥土力學性能發展更為多變，現有文獻報導的考慮粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度模型多是采用非線性經驗模型，但是此類模型形式較為復雜，并且擬合效果較為一般。為此，本文在混凝土抗壓強度模型中常用的組合指數表達式[15]的基礎上，考慮粉煤灰摻量對粉煤灰水泥土無側限抗壓強度影響，建立考慮粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度模型：

e-(1-wFA/A)miτ)]

(2)

式中：θcs為水泥土抗壓強度，MPa；τ為齡期，d；wFA為粉煤灰摻量，%；λ、mi、A均為常數。考慮到組合指數式便于進行數學計算，對于常規90 d齡期試驗資料，可取2項；對于長齡期試驗資料，可取3～4項。考慮到本次試驗粉煤灰摻量較大，水泥水化作用延遲，齡期為90 d，故在公式(2)中取2項可滿足精度，即：

e-(1-wFA/A)m1τ]+θ2[1-e-(1-wFA/A)m2τ]}

(3)

(4)

上述屬于非線性規劃約束極值問題，可用非線性規劃的方法求解，如復合形法、序列線性規劃法、粒子群法等[18]，由于復合形法適合解決有約束的優化問題[19]，且算法較簡單，故本文采用復合形法求解待確定參數。根據3.1節試驗數據，采用復合形法的優化算法對考慮不同粉煤灰摻量水泥土無側限抗壓強度的計算模型進行參數標定，具體參數如表5所示。

圖2 無側限抗壓強度試驗結果

圖3 含水率試驗結果

圖4 pH值試驗結果

為了驗證本文模型的實用性和準確性，在之前試驗的基礎上，補充一組相同條件下粉煤灰摻量25%的試件組，該試件組下設計3、7、14 d共計3種典型齡期，每個齡期下成型3個用于進行無側限抗壓強度試驗的水泥土試件。之后結合試驗實測數據與模型擬合數據對模型預測效果進行對比分析，具體預測結果如圖5所示。

表5 考慮粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度模型參數

由圖5可以看出，建立的水泥土無側限抗壓強度組合指數式模型能較好地描述粉煤灰摻量和齡期對水泥土強度增長規律的影響，相關系數分別為0.9993、0.9908、0.9959、0.9884、0.9977；相對誤差分別為12.78%、13.05%、4.85%、11.35%、8.09%。

5 不同粉煤灰摻量方案比選

通過上述試驗結果與分析可以發現，不同粉煤灰摻量會導致水泥土試件無側限抗壓強度、含水率及試件中心部位土樣溶液pH值的不同；同時粉煤灰作為工業固體廢料，在水泥土樁工程中作為部分膠凝材料替代物，既做到了廢物利用，又可節約施工成本。為此，本節選取水泥土試件無側限抗壓強度、含水率、pH值以及施工成本4項指標，對水泥土不同粉煤灰摻量方案進行綜合比選，具體如表6所示。

圖5 不同粉煤灰參量抗壓強度隨齡期變化實測值與模型擬合值對比

表6 不同粉煤灰摻量方案比選

注：通過查找資料，常用的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥均價為：450元/t，Ⅱ級粉煤灰均價為：200元/t。

由表6可知，從安全性角度來看，20%、30%粉煤灰摻量(S2、S3號)試件組，在90 d齡期時抗壓強度最大，其中20%粉煤灰摻量(S2號)試件組在28 d時強度較高；從經濟性角度來看，20%、30%粉煤灰摻量(S2、S3號)試件組施工成本最低，分別為95.96、83.78元/m3；從適用性角度來看，在施工過程中，摻加粉煤灰無需增添其他工序，施工工藝也較為便捷。綜合上述分析，建議洞庭湖區水泥土中粉煤灰摻量應在20%左右為宜。

6 結 論

結合洞庭湖區某分洪閘淤泥質地基處理工程，首先在室內開展了不同粉煤灰摻量的水泥土試件的無側限抗壓強度、含水率以及中心部位土樣溶液pH值的測定試驗，然后探討建立了不同粉煤灰摻量的水泥土無側限抗壓強度的組合指數式模型；通過對試驗數據以及計算結果的分析得出以下結論：

(1)水泥土試件無側限抗壓強度在60 d齡期前，隨著粉煤灰摻量的增加而降低；但在90 d齡期時，4組試件強度值較為接近，20%粉煤灰摻量試件組抗壓強度最大；水泥土試件含水率在28 d齡期之前規律不明顯，28 d齡期之后，含水率隨著粉煤灰摻量的增加而增加；水泥土試件中心部位土樣溶液的pH值始終隨著粉煤灰摻量的增加而降低。

(2)通過組合指數表達式擬合考慮粉煤灰摻量的水泥土抗壓強度模型，并進一步通過復合形優化算法對模型中相關參數進行標定，得到在水膠比為0.7、粉煤灰摻入比為0～30%的水泥土抗壓強度模型，模型計算值與實測值擬合精度良好，相對誤差均小于15%，這種研究方法及所得結果可為實際工程設計提供參考。

(3)對于洞庭湖區這類淤泥質土，不宜摻加過多粉煤灰，過多粉煤灰會使水泥土中有效水膠比上升，導致含水率的升高，對水泥土的強度不利，從上述試驗結果來看，建議洞庭湖區水泥土中粉煤灰摻量在20%左右為宜。