摻礦粉的水泥土力學性能試驗研究

陳潔瑤 王飛 陳秀敏 陳甦 陳輝

摘 要：水泥土是基坑止水帷幕的基本材料，因此必須具有一定的強度和抗滲性能，而礦粉的摻入能夠改善水泥土的性能，因此，研究礦粉摻量和齡期對水泥土性能的影響對止水帷幕施工有較大的參考價值。本文選取蘇州具有代表性的粉砂夾粉土，按7種不同配合比加入水泥和礦粉，對水泥礦粉土進行室內抗壓強度和滲透試驗，采用不同擬合函數對水泥礦粉土實測強度值進行數學擬合。研究表明：在一定固化劑總摻入比（30%）和水灰比（1.5）條件下，水泥礦粉土強度隨齡期增加而增加、隨礦粉摻入比增加而先增加后減小，礦粉摻入比為15%時水泥礦粉土強度值最大，水泥礦粉土強度大于水泥土強度;水泥礦粉土滲透系數小于水泥土滲透系數，礦粉摻入比為15%時滲透系數較小;采用多項式擬合水泥礦粉土實測值，擬合精度較高。綜上，可以在止水帷幕施工中摻入適量的礦粉增強墻體的性能。

關鍵詞：水泥礦粉土;礦粉摻入比;抗壓強度;滲透系數;預測公式

中圖分類號：TU411.3 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2019）05-0113-06

Abstract：Cement-soil is the basic material of foundation pit water-proof curtain， so it must have certain strength and impermeability， and the addition of mineral powder can improve the performance of cement-soil. Therefore， the study of the influence of mineral powder content and age on the performance of cement-soil has great reference value for the construction of water-proof curtain. In this paper， representative samples of silty sand with silt in Suzhou are selected， and then cement and slag powder are added according to 7 different proportions. The indoor compressive strength and permeability tests of the slag powder soil-cement are carried out. The measured strength values are fitted mathematically with different fitting functions. The results are as following： under the condition of a fixed amount of stabilizer （30%） and water cement ratio （1.5）， the strength of slag powder soil-cement increases with age; the strength increases first and then decreases with the increase of the ratio of slag powder， and reaches the maximum when the ratio of slag powder is 15%; the strength of slag powder soil-cement is greater than that of soil-cement without slag powder， while the permeability coefficient is smaller; when the ratio of slag powder is 15%， the permeability coefficient is rather small; the polynomial fitting method is used to fit the measured value of slag powder soil-cement， and the fitting accuracy is satisfactory. In conclusion， the performance of the wall can be enhanced by adding appropriate amount of mineral powder in the construction of water-proof curtain.

Keywords：Slag powder soil-cement; mixing ratio of slag powder; compressive strength; permeability coefficient; prediction formula

0 引言

水泥攪拌樁、TRD工法墻[1-4]（Trench cutting Re-mixing Deep wall）、CSM[5-6] （Cutter Soil Mixing）工法墻等常用于地基加固或基坑止水帷幕，為滿足其承載或止水要求，作為復合地基中的豎向樁體或基坑四周的止水墻體，應具有一定的強度或抗滲性能。水泥攪拌樁、TRD工法墻和CSM工法墻等，是通過一定的施工機具和工藝將土與水泥攪拌而形成的，樁體或墻體水泥土強度或抗滲性能受土體與水泥性質、水泥摻入比、養護齡期與方式、外摻劑種類與摻入比以及施工工藝與方法等諸多因素的影響。

陳甦等[7-8]、胡漢兵等[9]分別針對水泥有機質土、水泥淤泥質土、水泥粘性土和粉細砂，研究了水泥土強度與水泥摻入比、齡期，變形模量與強度以及滲透系數與水泥摻入比、齡期等的關系。黃宏偉等[10]、劉順妮等[11]、荀勇[12]、董邑寧等[13]、王文軍[14]、饒彩琴等[15]、燕仲彧[16]、龐文臺[17]以及馬曉宇[18]分別研究了摻入礦粉、石膏、ZDYT -1（固化劑）、納米礦粉、JM-HF灌漿劑、粉煤灰及復合粉煤灰、復合礦粉等各種外摻劑后的水泥土強度、滲透性及耐久性。雖然很多學者對水泥土力學性能進行了較為深入的探討研究，并取得了很多的研究成果，但由于影響水泥土力學性能的因素眾多，因此針對不同性質的土體，進一步開展水泥土力學性能研究仍然十分必要。本文選取蘇州粉砂夾粉土，以水泥和礦粉作為固化劑，按不同配合比制備水泥土試樣，通過室內試驗，較為系統地研究了水泥礦粉加固土強度、滲透等力學性質。

1 試驗用原材料

試驗所用土料為蘇州軌道交通3號線某車站施工現場④ 2層粉砂夾粉土（該土層的編號和土層性質由本工程地鐵車站工程勘察報告中所得），該土的物理力學性質見表1。

試驗所用水泥為天山牌42.5普通硅酸鹽水泥。

試驗選用蘇鋼集團生產的礦粉，其化學成分見表2。

2 水泥礦粉土配合比設計

在混合固化劑總摻入比為30%、水灰比為1.5的前提下，改變水泥、礦粉的摻入比，設計7個不同配合比，見表3（為敘述方便，在后文中以表3中的序號表示相應的各配合比）。

3 試驗方法、結果及其分析

3.1 試驗方法

首先稱取過5 mm篩孔的試驗用量風干土，然后分別按表3配合比加入固化劑，手工拌勻后再加入所需水量（考慮風干土含水率并滿足土的天然含水率和水灰比要求）制備成水泥礦粉土。

將制備好的水泥礦粉土裝入邊長70.7 mm的立方體試模中搗實成型（成型高度為70.7 mm），試件在標準養護條件下（溫度為20±2 ℃、相對濕度大于95%）進行養護。每個配合比按7、14、28、60、90 d 5個齡期制作試件，共計35組152塊試件（除1組8塊、1組9塊和3組5塊外，其余各組均為4塊）。達到齡期的試件在YAW-300微機控制電液伺服壓力機上，以0.125kN/s的速度進行無側限抗壓強度試驗，試驗過程中同時測量試件的壓力和豎向變形。

將制備好的水泥礦粉土裝入內徑61.8、高40 mm的環刀中搗實成型，試件在標準養護條件下進行養護。每個配合比按齡期28 d制作2個試件，共計14塊。對達到齡期的試件進行室內變水頭滲透試驗。

3.2 試驗結果

不同配合比的水泥礦粉土強度與齡期關系如圖1所示，不同齡期的水泥礦粉土強度與礦粉摻入比關系如圖2所示。不同配合比、齡期的水泥礦粉土強度實測值見表4，相同配合比、不同齡期的水泥礦粉土強度比值（qui/quj，i、j表示不同齡期、單位為d）見表5，相同齡期、不同配合比的水泥礦粉土強度比值見表6。28 d齡期和各配合比的水泥礦粉土滲透系數實測結果見表7。

3.3 試驗結果分析

由圖1-圖2和表4-表7可知：

（1） 不同配合比試塊強度隨養護齡期增加而增長。水泥土（配合比1）試塊28、90 d與7 d以及90 d與28 d的試塊強度比值分別為qu28/qu7=2.41、qu90/qu7=2.73和qu90/qu28=1.14;水泥礦粉土各配合比（配合比2～7）試塊28、90 d與7 d以及90 d與28 d的試塊強度比值分別為 qu28/qu7=1.99～2.28（平均為2.12）、qu90/qu7=2.15～2.44（平均為2.29）和qu90/qu28=1.06～1.14（平均為1.08）。

水泥土強度主要源于水泥的水化反應和土粒與水泥水化物的作用，加入礦粉后，增加了火山灰效應，水泥土強度進一步得到提高。上述這些反應或作用，都隨著時間的推移而逐步發生，因此水泥土、水泥礦粉土強度也隨養護齡期增加逐步增長。

（2）養護齡期為7、14、28、60、90 d時，配合比2～7的試塊強度與配合比1試塊強度的比值分別為1.33～1.66（平均為1.49）、1.12～1.42（平均為1.27）、1.15～1.45（平均為1.31）、1.12～1.41（平均為1.27）、1.08～1.38（平均為1.25）。

由于礦粉顆粒粒徑較小，摻入水泥土后顆粒細小的礦粉可以填充水泥土孔隙，使得形成的水泥礦粉土變得更加致密;同時礦粉中含有的活性物質SiO2和Al2O3會與水泥水化產物Ca（OH）2發生火山灰反應而生成具有粘結力的C-S-H凝膠[14，18]。因此，水泥土中摻入礦粉后，形成的水泥礦粉土試塊強度要高于水泥土試塊強度。

（3） 當礦粉摻入比由6%增至15%時，水泥礦粉土強度隨礦粉摻入比的增加而增加;而當礦粉摻入比由15%增至21%時，水泥礦粉土強度則隨礦粉摻入比增加而減小。礦粉摻入比為15%，水泥礦粉土強度最高。

當礦粉摻入比較小時，水泥礦粉土的強度增長主要由于礦粉充填水泥土孔隙而使土體變得密實所致，此時強度增長相對較小;隨著礦粉摻入比不斷增大，礦粉火山灰效應得到充分發揮，在礦粉充填和火山灰反應的共同作用下，強度增長較大;當礦粉摻入比超過一定值后（本次試驗為15%），未參與火山灰反應的礦粉細粒會占據一部分水泥和土粒的空間，使得水泥和土粒形成的團粒結構減少，同時水泥的摻入比相應減少，因此水泥礦粉強度反而有所降低[18-19]。

（4） 水泥礦粉土早期強度增速高于水泥土增速早期強度，但其后期強度增速則低于水泥土強度增速。

（5）水泥土中摻入礦粉后，由于礦粉的充填作用而使得水泥礦粉土變得更加密實，因此其滲透系數減小，滲透性明顯降低。當礦粉摻入比為15%時，滲透系數降低的較多。

4 水泥礦粉土實測強度擬合分析

4.1 擬合公式

4.2 水泥礦粉土實測強度擬合精度

多項式、偏態概率密度函數與雙曲線函數乘積的復合函數強度擬合值與實測值如圖3-圖4所示。

由圖3-圖4可知：多項式擬合值與實測值相對誤差最大和最小值分別為11.80%和-11.11%，擬合值與實測值相對誤差絕對值的平均值為|3.64|%;復合函數擬合值與實測值相對誤差最大和最小值分別為14.89%和-9.06%，擬合值與實測值相對誤差絕對值的平均值為|5.88|%;多項式、復合函數擬合度分別為0.98和0.95;采用多項式、復合函數擬合其擬合精度均較高，相對而言多項式的擬合精度更高。

5 結論

（1）水泥礦粉土強度高于水泥土強度，且隨礦粉摻入比增加而先增加后減小，當礦粉摻入比為15%時，其強度值最大。

（2）相對于水泥土，水泥礦粉土早期強度增速較快而后期強度增速較慢。在實際工程，考慮到施工工期和基坑止水帷幕強度的工程實際要求等因素，對止水帷幕的水泥礦粉土強度宜取28 d齡期試塊的無側限抗壓強度。

（3）水泥礦粉土滲透系數小于水泥土滲透系數。相對于本次試驗的其它礦粉摻入比，當礦粉摻入比為15%時，水泥礦粉土滲透系數較小。

（4）采用多項式、復合函數的擬合精度均較高，但多項式擬合精度高于復合函數擬合精度。

（5）水泥礦粉土的強度高于水泥土強度、滲透系數小于水泥土滲透系數，而且礦粉是一種工業廢料，其價格低于水泥價格，因此建議在水泥攪拌樁或止水帷幕墻體中可摻入適量礦粉。

【參 考 文 獻】

[1]EVANS J C. Alamitos gap： A case study using the trench remixing and deep wall method[C]. Proceedings of 6th International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering， Arlington， VA， 2008.

[2]GARBIN E， HUSSIN J， KAMI C. Earth retention using the TRD method[C]. Earth Retention Conference， Washington， US， 2010.

[3]EVANS J C. The TRD method： slag-cement materials for in situ mixed vertical barries[C]. Conference Proceedings， Geo Denver， 2007.

[4]謝兆良，李星，葉錫東.TRD工法在緊鄰地鐵深基坑工程中的應用[J].地下空間與工程學報，2015，11（s1）：163-166.

XIE Z L， LI X， YE X D. TRD method and its applications in the deep excavation engineering[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2015， 11（s1）： 163-166.

[5]ARNOLD M， BECKHAUS K， WIEDENMANN U. Cut‐off wall construction using cutter soil mixing： a case study[J]. Geotechnik， 2011， 34（1）： 11-21.

[6]祝紫燕，李涵寧，胡日清.CSM工法在武漢地區深基坑工程中的應用[J].施工技術，2017（s1）：157-161.

ZHU Z Y， LI H N， HU R Q. Application of CSM in deep foundation excavation engineering in Wuhan[J]. Construction Technology， 2017（s1）： 157-161.

[7]陳甦，宋少華，沈劍林，等.水泥粉噴樁樁體水泥黑土力學性質試驗研究[J].巖土工程學報，2001，23（3）： 303-305.

CHEN S， SONG S H， SHEN J L， et al. Experimental study on mechanical property of cement-stabilized dark soil in DJM pile[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2001， 23（3）： 303-305.

[8]陳甦，宋少華，沈劍林，等.水泥土配合比試驗研究[J].中外公路，2006，26（6）：166-170.

CHEN S， SONG S H， SHEN J L， et al. Experimental study on cement-soil mixture ratio[J]. Journal of China and Foreign Highway， 2006， 26（6）： 166-170.

[9]胡漢兵，胡勝剛，劉芳.粉細砂水泥土力學與滲透特性試驗研究[J].長江科學院院報，2013，30（10）：48-53.

HU H B， HU S G， LIU F. Experimental study on mechanics and permeability of silty sand cement-soil[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2013， 30（10）： 48-53.

[10]黃宏偉，梁偉平，陸善飛，等.粉噴樁固花劑新型材料試驗與分析[J].巖石力學與工程學報，1998，17（1）：88-93.

HUANG H W， LIANG W P， LU S F， et al. Test and analysis of new material for DJM pile curing agent[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering， 1998， 17（1）： 88-93.

[11]劉順妮，林宗壽，陳云波.高含水量粘土固化劑的研究[J].巖土工程學報，1998，20（4）：72-75.

LIU S N， LIN Z S， CHEN Y B. On the stabilizer for the soil with higher water content[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1998， 20（4）： 72-75.

[12]荀勇.含工業廢料的水泥系固化劑加固軟土試驗研究[J].巖土工程學報，2000，22（2）：210-213.

XUN Y. Test on strengthening soft soil with cementatory solidifying agent containing industrial waste[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2000， 22（2）： 210-213.

[13]董邑寧，徐日慶，龔曉南.固化劑ZDYT-1加固土試驗研究[J].巖土工程學報，2001，23（4）：472-475.

DONG Y N， XU R Q， GONG X N. The experimental research of the clay stabilized with solidified agent ZDYT-1[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2001， 23（4）： 472-475.

[14]王文軍.納米礦粉水泥土固化機理及損傷特性研究[D].杭州：浙江大學，2004.

WANG W J. Study on reinforcement mechanism and damage performance of cemented soil stabilized with nanometer material[D]. Hangzhou： Zhejiang University， 2004.

[15]饒彩琴，黃漢盛.深圳軟土水泥土抗壓強度的影響因素研究[J].華中科技大學學報：城市科學版，2009（2）：99-102.

RAO C Q， HUANG H S. Study on influencing factors of compressive strength of Shenzhen soft soli cement-soil[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology： Urban Science Edition， 2009（2）： 99-102.

[16]燕仲彧.水泥土添加劑室內試驗研究[D].南京：東南大學，2010.

YAN Z Y. Experimental research on cement - stabilized soil with additive in laboratory[D]. Nanjing： Southeast University， 2010.

[17]龐文臺.摻合粉煤灰的復合水泥土力學性能及耐久性試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.

PANG W T. Blending fly ash compound cement soil mechanical properties and durability research[D]. Hohehot： Inner Mongolia Agricultural University， 2013.

[18]馬曉宇.復合礦粉水泥土力學性能及耐久性能試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2014.

MA X Y. Study on composite powder soil cement mechanical properties and durability[D]. Hohehot： Inner Mongolia Agricultural University， 2014.

[19]劉成才，郭艷坤，郭樂工.粉煤灰摻量對水泥礫質土力學效應影響[J].公路工程，2017，42（6）：148-151.

LIU C C， GUO Y K， GUO L G. Effects of fly ash content on mechanical effect of cement gravel soil[J]. Highway Engineering， 2017， 42（6）：148-151.

[20]李慶揚.數值分析基礎教程[M].北京：高等教育出版社，2001.

LI Q Y. Basic course of numerical analysis[M]. Beijing： Higher Education Press， 2001.