不同水泥摻量下水泥土力學性能試驗研究

靳 璐

（新疆水利水電勘測設計研究院檢測試驗研究中心，新疆 昌吉 831100）

1 引言

水泥土是由土、水泥和水按一定比例拌合而成的混合材料，該材料與普通土相比具有強度高、壓縮性低、滲透性小等優(yōu)勢，被廣泛應用于渠道防滲、道路墊層和大壩護坡等配套工程中。目前國內外對水泥土的研究也取得了一定成果，梁仁旺[1]等通過試驗研究了水泥土的力學性能，獲得了水泥土的應力應變關系曲線；李建軍[2]等研究了水泥土的變形模量及強度特性，并通過分析得到了兩者之間的關系；郝文秀[3]等分析了摻砂水泥土的力學特性，得到了最佳砂含量；周麗萍[4]探討了水泥土材料的力學特性；阮波[5]等通過試驗研究了水泥土的抗剪強度；董慧[6]等研究了凍融水泥土的力學特性，得到了相關模型參數；吳剛[7]等論述了不同水泥摻量下水泥土的壓縮特性；徐海坡[8]等綜述了水泥土滲透特性與強度特性。本文研究了不同水泥摻量下水泥土抗?jié)B系數、無側限抗壓強度及抗凍性能的變化，為水泥土在工程中的應用提供了技術參數和依據。

2 試驗原材料與試驗方案

2.1 試驗原材料

水泥土主要原材料包括：水泥、土及水。其中土樣取樣地位于新疆北疆某粉土場地，土樣的物理性能指標見表1，顆粒分析結果見表2。水泥采用新疆青松綠原公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表3。水即普通自來水。

表1 土樣物理性能指標

表2 土樣顆粒分析試驗結果

表3 水泥物理性能指標

參考《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019），通過擊實試驗得到得到土樣的最大干密度為1.82 g/cm，最優(yōu)含水率分別為12.5%；通過液塑限聯合測定儀測得塑限18.5%，液限28.6%，塑性指數10.1，液性指數0.38，土樣定名為低液限粉土。水泥經檢測各項數據均滿足技術要求。

2.2 試驗方案

為研究不同水泥摻量對水泥土性能的影響，按規(guī)范要求制作水泥摻量分別為0%、6%、9%、12%、15%和18%的水泥土試件，每組試件含水率均控制在12.5%，脫模后置于標準養(yǎng)護室中分別養(yǎng)護3 d、7 d、14 d和28 d，對到達齡期的試件進行滲透試驗、無側限抗壓試驗及凍融循環(huán)試驗。考慮到工程應用中溫度的極端情況，試驗的凍結溫度為-20℃，融化溫度為20℃，一次凍融循環(huán)時間為24 h，對完成凍融循環(huán)后的試件進行無側限抗壓強度試驗。

3 實驗過程與結果分析

3.1 不同水泥摻量對水泥土滲透系數的影響

成型直徑100 mm、高100 mm的圓柱體抗?jié)B試件，每組三塊。對各水泥摻量下的水泥土試件分別于3 d、7 d、14 d和28 d進行常水頭滲透試驗，取平均值作為試驗結果，得到不同水泥摻量下水泥土各齡期的滲透系數關系曲線見圖1。

圖1 不同水泥摻量下養(yǎng)護齡期與滲透系數關系曲線

根據試驗結果可以得到，水泥的摻入對素土的抗?jié)B性能有明顯的提升。素土28 d滲透系數為7.85×10-7cm/s，水泥摻量18%的水泥土28 d的滲透系數為4.11×10-8cm/s，相比而言滲透系數提升了一個數量級。這是由于水泥土中的水與水泥發(fā)生水化反應，形成的膠結物填充了土體間的空隙，阻斷了連通的空隙通道，使得滲透系數明顯減小，隨著水泥摻量的增加，水化反應形成的膠結物越多，空隙填充的就越密實。同一水泥摻量下，滲透系數隨齡期的增加而減小，各摻量下28 d齡期的水泥土滲透系數相差不大。

3.2 不同水泥摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響

成型70.7 mm的立方體抗壓試件，每組三塊。對各水泥摻量下的水泥土試件分別于3 d、7 d、14 d和28 d進行無側限抗壓強度試驗，取平均值作為試驗結果，得到不同水泥摻量下水泥土各齡期的無側限抗壓強度結果見表4，各摻量下28 d無側限抗壓強度應力應變關系曲線見圖2。

表4 不同水泥摻量下水泥土無側限抗壓強度值

圖2 28 d無側限抗壓強度應力應變關系曲線

從圖中數據可以得到，摻入水泥后的水泥土早期強度較低，隨著養(yǎng)護齡期的增加，由于水泥的水化反應更加充分，骨架結構越發(fā)完整，28 d的無側限抗壓強度較3 d強度有明顯提升；隨著水泥摻量的增加，水泥土的無側限抗壓強度值提高顯著，當水泥土中不摻水泥時，28 d的抗壓強度僅為0.72 MPa，當水泥摻量為6%時，28 d的抗壓強度為1.33 MPa，為對照組的185%，當水泥摻量為18%時，28 d的抗壓強度為3.37 MPa，為對照組的468%，這是因為水泥的摻量越大，水化完成后就越能夠發(fā)揮水泥的強度骨架作用，充分說明了水泥摻量在水泥土的強度中起了主要作用。

對比不同水泥摻量下的應力應變曲線可以看出，水泥的摻入對抗壓過程中的應力應變曲線影響很大。隨著水泥摻量的逐漸增加，曲線初始直線段的斜率越來越大，應力峰值也不斷提高。破壞后期下降段也變得越來越陡，水泥土的破壞形式趨向于脆性剪切破壞。

3.3 凍融循環(huán)后無側限抗壓強度

為研究凍融循環(huán)次數對水泥土強度的影響，針對各配比成型70.7 mm的立方體抗壓試件，待養(yǎng)護28 天后，分別5 次、10 次、15 次凍融循環(huán)試驗，將完成凍融后的水泥土試件進行無側限抗壓強度試驗，得到不同水泥摻量下，28 d無側限抗壓強度見表5，凍融水泥土無側限抗壓強度與水泥摻量關系曲線見圖3。

表5 水泥土凍循環(huán)后無側限抗壓強度值

分析表中數據可以得到，在各水泥摻量配比下，伴隨凍融循環(huán)次數的遞增，水泥土的無側限抗壓強度呈遞減趨勢。當凍融循環(huán)5 次后，其無側限抗壓強度為對照組的80%左右，當凍融循環(huán)10 次后，其無側限抗壓強度為對照組的50%左右，當凍融循環(huán)15 次后，其無側限抗壓強度為對照組的45%左右。產生上述現象的原因是，水泥土中的水在凍融循環(huán)過程中，由于水固態(tài)和液態(tài)多次轉變會破壞水泥土的原有結構，對水泥土的強度造成損傷，水泥土的凍融循環(huán)次數越多，凍融破壞越強烈，水泥土的強度損傷就越嚴重，因此隨著凍融循環(huán)次數的增加，水泥土的無側限抗壓強度減小。當循環(huán)次數超過10次后，水泥土的無側限抗壓強度減小趨勢趨于平緩，這是因為足夠的凍融循環(huán)次數已對水泥土結構充分破壞，剩余強度主要是水泥土結構的殘余強度。

通過分析圖3 可以得到，隨著水泥摻量的增加，水泥土及凍融水泥土的無側限抗壓強度均增大，出現這種現象的原因是，隨著水泥占比的增加，水泥水化后與土顆粒形成了穩(wěn)定的骨架結構，并且強度逐漸提高，導致水泥土抗壓強度的增長。由于凍融過程中水泥土的骨架結構受到破壞，從而導致強度損失，故不同水泥摻量的凍融水泥土無側限抗壓強度均小于相同摻量的未凍融水泥土。

圖3 凍融循環(huán)次數與水泥摻量關系曲線

4 結論

（1）水泥的摻入對水泥土的抗?jié)B性能有明顯的提升。素土28 d滲透系數為7.85×10-7cm/s，水泥摻量18%的水泥土28 d的滲透系數為4.11×10-8cm/s，相比而言滲透系數提升了一個數量級。

（2）通過研究不同水泥摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響得到，隨著水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加，水泥土的無側限抗壓強度逐漸增大，當水泥摻量為18%時，28 d的抗壓強度為對照組的468%，水泥土的破壞形式趨向于脆性剪切破壞。

（3）凍融循環(huán)次數對水泥土的強度影響較大，當凍融循環(huán)10 次后，其無側限抗壓強度為對照組的50%左右，并且抗壓強度減小趨勢趨于平緩，剩余強度主要是水泥土結構的殘余強度。