超細礦粉水泥土配合比設計及耐久性試驗研究

羅振京

(湖南省湘鈞建設有限公司， 湖南 長沙 410004)

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌合，經壓實、養生后具有一定強度的硬化材料，因其取材方便、施工簡便、經濟實惠等優點，在軟土地基加固、路基填筑、基坑圍護等工程中得到廣泛應用。但水泥土強度影響因素較多，致使水泥土在工程應用中存在不足，如水泥土抗壓強度隨著水泥摻量的增加逐漸提高，但強度增長速率降低、抗拉性能降低。選用合適的外摻劑改善水泥土的力學性能，既可避免水泥摻量過高，又能提高水泥土的耐久性。吳燕開等的研究表明，將適量鋼渣粉摻入水泥土中，可有效提高其強度。夏永杰等的研究表明，水泥土中摻入10%摻量的鋼渣，抗剪性能最優，且鋼渣水泥土脆性程度隨養生齡期增加逐漸提高。尹鈺婷的研究表明，脫硫石膏和粉煤灰改良水泥土的力學性能和耐久性優于普通水泥土。許士釗采用水泥-堿渣改良軟土，結果表明，水泥摻量為10.5%、堿渣摻量為4.5%時，土體壓縮性顯著降低。柯開展的研究表明，隨著鎳鐵渣粉摻量的增加，水泥土早期微觀結構致密性逐漸提高。上述研究表明，水泥土中摻入礦物摻合料可提高其性能，而不同土樣對水泥土力學強度的影響不一樣。另外，超細礦粉含有較多礦物活性成分，在砼材料中應用廣泛，而摻超細礦粉水泥土設計及應用研究較少。為此，該文采用正交試驗設計超細礦粉水泥土配合比，通過室內凍融循環試驗和抗腐蝕試驗評價超細礦粉水泥土的耐久性，為實際工程應用提供參考。

1 原材料與試驗方案

1.1 試驗材料

土樣選用黏土，其物理性質見表1。水泥選用盾石牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其技術性質見表2。超細礦粉的比表面積為520 m2/kg，化學組成見表3。激發劑選用Ca(OH)2，Ca(OH)2含量≥95%。

表1 黏土的物理性質

表2 水泥的技術性質

表3 超細礦粉的化學組成

1.2 試驗方案

(1) 超細礦粉水泥土配合比設計。采用正交試驗設計超細礦粉水泥土配合比，試驗方案見表4。

表4 超細礦粉水泥土正交試驗方案

(2) 超細礦粉水泥土耐久性分析。按超細礦粉水泥土最佳配合比制備試件，對照普通水泥土，采用室內凍融循環試驗和抗腐蝕性試驗評價超細礦粉水泥土的耐久性。凍融循環試驗中，水泥摻量為6%、8%、10%，養生齡期為28 d，凍融循環次數為0、1、3、5、7、9、12、15次。抗腐蝕性試驗中，選用Na2SO4溶液，Na2SO4濃度為1.5、3.0、4.5、6、9 g/L，養生齡期為7、14、28、60 d。

1.3 試件制備及養生

超細礦粉水泥土由黏土、水泥、超細礦粉、Ca(OH)2和水組成。土樣風干碾碎，過5 mm圓孔篩，測定其風干含水率；根據摻超細礦粉水泥土室內最佳含水率，采用靜壓法成型壓實度96%的試樣。試樣制備完成后，用塑料薄膜包裹，放入(20±2) ℃、濕度95%以上的標準養生室進行養護。水泥和超細礦粉采用外摻法。試樣尺寸為直徑100 mm×高度100 mm。

1.4 性能測試方法

(1) 無側限抗壓強度試驗。按JTG E40—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中無側限抗壓強度試驗方法測定超細礦粉水泥土的力學強度，試驗儀器選用壓力試驗機MYL-2000D，加載速率為1 mm/min。

(2) 凍融循環試驗。試件養生28 d后，測定試件質量m0并放入冷凍箱中，在-15 ℃條件下凍結12 h；凍結完成后放入20 ℃恒溫箱中融化12 h，測定試件質量mn和無側限抗壓強度，此為一次凍融循環過程。試件凍結與融化過程中，不拆除其表面塑料薄膜，以減少試件水分散失引起的誤差。凍融循環試驗結束后，按式(1)、式(2)分別計算試件的凍融殘留強度比和質量損失率。

ηn=Rcn/Rc0×100

(1)

(2)

式中：η為凍融殘留強度比(%)；Rcn為凍融循環n次時試件無側限抗壓強度(MPa)；Rc0為凍融循環前試件無側限抗壓強度(MPa)；η′為質量損失率(%)；m0為凍融循環前試件質量(g)；mn為凍融循環n次時試件質量(g)。

(3) 抗腐蝕性試驗。試件標準養生1 d后，分別放入Na2SO4溶液和清水中養生到養生齡期，測定其無側限抗壓強度，按式(3)計算抗腐蝕系數。

K=Rc1/Rc0

(3)

式中：K為抗腐蝕系數；Rc1為Na2SO4溶液中養生n天時試件無側限抗壓強度(MPa)；Rc0為清水中養生n天時試件無側限抗壓強度(MPa)。

2 試驗結果與分析

2.1 配合比設計

超細礦粉水泥土正交試驗結果見圖1，正交試驗極差見表5。

由圖1和表5可知：水泥摻量對超細礦粉水泥土無側限抗壓強度的影響最顯著，Ca(OH)2摻量次之，水泥摻量8%、超細礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量1.8%的改良土的抗壓強度最大，為7.55 MPa。水泥摻量、超細礦粉摻量、Ca(OH)2摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響見圖2。

表5 超細礦粉水泥土正交試驗極差與方差

圖1 超細礦粉水泥土正交試驗結果

從圖2可看出：1) 隨水泥摻量或Ca(OH)2摻量增加，水泥土無側限抗壓強度逐漸提高。水泥摻量≤6%時，水泥摻量增加對提高超細礦粉水泥土抗壓強度效果顯著，水泥摻量增加1%，抗壓強度提高約20.8%；水泥摻量由6%增加至8%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高微小；Ca(OH)2摻量由0增加至0.6%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高顯著，提高28.8%；Ca(OH)2摻量≥0.6%時，超細礦粉水泥土抗壓強度提高緩慢。建議水泥摻量和Ca(OH)2摻量分別取6%、0.6%。2) 超細礦粉水泥土的無側限抗壓強度隨超細礦粉摻量的增加先降低后增加，超細礦粉摻量為4%時，抗壓強度最低，為4.48 MPa；超細礦粉摻量≥4%時，超細礦粉摻量增加1%，抗壓強度提高8.1%以上。超細礦粉摻量對水泥土抗壓強度的影響較大，建議超細礦粉摻量取8%。

圖2 固化劑對水泥土無側限抗壓強度的影響

2.2 耐久性分析

2.2.1 抗凍性

分別按水泥摻量6%、8%、10%制備普通水泥土試件，按水泥摻量6%、超細礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%制備超細礦粉水泥土試件進行凍融循環試驗，結果見圖3。

由圖3可知：凍融循環條件下，普通水泥土與超細礦粉水泥土的質量損失率和凍融殘留強度比變化規律一致，超細礦粉水泥土的抗凍性能優于普通水泥土。1) 凍融循環次數一致時，隨水泥摻量增加，水泥土的質量損失率減小、凍融殘留強度比增大，抗凍性能提高；水泥土的質量損失率與水泥劑量大致呈線性負相關，水泥摻量增加1%，水泥土的質量損失率降低16.3%以上，凍融殘留強度比增長率逐漸增大。隨凍融循環次數增加，水泥土的凍融殘留強度比呈線性趨勢增大(見圖4)；水泥摻量增加1%，水泥土凍融循環1次的殘留強度比提高約1.2%，凍融循環15次的殘留強度比提高約14.1%，說明水泥摻量增加，水泥土的抗凍性能提高較顯著。2) 凍融循環次數一致時，與10%水泥摻量水泥土的抗凍性能相比，超細礦粉水泥土的質量損失率降低約36.0%、凍融殘留強度比提高約2.7%。這是因為超細礦粉中SiO2、Al2O3等活性成分與水泥水化產物Ca(OH)2發生火山灰反應，生成硅酸鈣等凝膠物質填充土粒間孔隙，提高了土體密實度，改善了水泥土結構，使超細礦粉水泥土的抗凍性能優于普通水泥土。3) 隨凍融循環次數增加，水泥土與超細礦粉水泥土的質量損失率呈線性增長，凍融殘留強度比不斷降低。這是因為凍結過程中，試件表面發生凍結，體積膨脹且不斷向其內部深入，當凍脹應力大于結構強度時，膠凝材料與土粒界面結合處產生微裂縫；在融化階段，水在壓力作用下沿微裂縫流入試件內部較大孔隙，導致在凍結作用下凍脹應力增大，進一步破壞試件結構，使試件質量損失增加、承載能力降低。

圖3 超細礦粉水泥土凍融循環試驗結果

圖4 凍融循環次數-水泥土殘留強度比增長率關系

2.2.2 抗腐蝕性

按水泥摻量10%制備普通水泥土試件，按水泥摻量6%、超細礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%制備超細礦粉水泥土試件，在Na2SO4溶液環境下進行抗腐蝕試驗，結果見圖5、圖6。

圖5 普通水泥土抗腐蝕試驗結果

圖6 超細礦粉水泥土抗腐蝕試驗結果

從圖5～6可以看出：1) 同齡期的超細礦粉水泥土的抗腐蝕性優于普通水泥土，其無側限抗壓強度提高11.5%以上；隨Na2SO4溶液濃度升高，不同養生齡期水泥土和超細礦粉水泥土的無側限抗壓強度、抗腐蝕系數變化規律一致，抗壓強度和抗腐蝕系數先增加后減少。Na2SO4溶液濃度為1.5 g/L時，抗壓強度和抗腐蝕系數最大，水泥土和超細礦粉水泥土的結構更穩定。Na2SO4溶液濃度從4.5 g/L升高至9.0 g/L時，水泥土和超細礦粉水泥土的抗壓強度呈線性緩慢降低，且兩者降低速率相近，Na2SO4溶液濃度增加1.5 g/L，抗壓強度降低約3.9 g/L；Na2SO4溶液濃度≤3 g/L時，水泥土和超細礦粉水泥土的抗腐蝕系數>1，即抗壓強度提高，一定濃度的Na2SO4溶液可促進水泥土和超細礦粉水泥土抗壓強度的提高。2) 隨養生時間增加，不同Na2SO4溶液濃度時，水泥土與超細礦粉水泥土的抗壓強度增長規律一致(見圖7)。前28 d抗壓強度增長顯著，隨后抗壓強度緩慢增長。養生齡期由28 d增加至60 d時，水泥土與超細礦粉水泥土的抗壓強度分別平均提高14.7%、15.3%。這是因為隨養生時間增加，水泥熟料逐漸被消耗，在養生齡期28 d時，水泥水化反應基本完成，抗壓強度增長減緩。另外，Na2SO4溶液濃度為9.0 g/L時，水泥土與超細礦粉水泥土的抗壓強度最小，較清水條件下抗壓強度至少降低9.9%。可能是由于大量SO42-與水泥水化產物反應產生膨脹力，使土粒間黏聚力減弱，導致試件出現微裂縫，因而抗壓強度降低。

圖7 不同Na2SO4溶液濃度時水泥土與超細礦粉水泥土抗壓強度增長規律

3 結論

(1) 水泥摻量對超細礦粉水泥土無側限抗壓強度的影響最顯著，Ca(OH)2摻量次之。水泥摻量≥6%或Ca(OH)2摻量≥0.6%時，抗壓強度提高幅度較小；超細礦粉摻量≥4%，超細礦粉摻量對水泥土抗壓強度的影響較大。建議超細礦粉水泥土配合比為水泥摻量6%、超細礦粉摻量8%、Ca(OH)2摻量0.6%。

(2) 超細礦粉水泥土的抗凍性能優于普通水泥土。水泥土的質量損失率與水泥摻量呈線性負相關，水泥摻量增加1%，水泥土的質量損失率降低16.3%以上；凍融循環次數一致時，超細礦粉水泥土的質量損失率較10%水泥摻量改良土降低約36.0%，凍融殘留強度比提高約2.7%。

(3) 超細礦粉水泥土的抗腐蝕性優于普通水泥土。Na2SO4溶液濃度為1.5 g/L時，超細礦粉水泥土的抗壓強度和抗腐蝕系數最大，其抗壓強度較水泥土提高約12.8%；Na2SO4溶液下超細礦粉水泥土前28 d抗壓強度增長顯著，齡期由28 d增加至60 d時，抗壓強度平均提高15.3%。