水泥土的工程特性研究

王方圓，肖 瑜，于春亮

(濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250014)

水泥土也稱水泥穩定土，是由一定含水量的土、水泥以及其他組分(如外加劑)按照一定比例拌合均勻，并經機械壓實、養生后形成的具有一定整體性、水穩定性和強度的結硬性混合物[1，3，5]。水泥土以其良好的承載力、低壓縮性、較高的抗剪強度、較好的抗滑穩定性能、抗滲穩定性能、抗液化性能和耐沖刷性能等工程性質，最大限度地利用場地現狀土的優勢等，在水利工程處理淺部軟弱地基土層及液化地基土層、翼(擋)墻墻后回填和河道防護中得到廣泛應用。

1 水泥土的凝結硬化與加固機理[8-9]

水泥土的凝結硬化與加固是基于水泥與一定含水量的土之間一系列的物理—化學反應，不僅存在水泥的水化硬化，而且還伴隨著土體與水泥水化物的相互作用。通常認為水泥土的凝結硬化與加固機理有：①水泥的水解和水化反應；②離子交換和團粒化作用；③硬凝反應；④水泥水化物的碳酸化作用。其中②和③兩條為土體與水泥水化物的相互作用。

2 水泥土的物理力學及其他工程性質

結合水泥土在水利工程中的實際應用來看，工程技術人員關注的水泥土的物理力學性質及其他工程性質主要有：①物理性質參數(含水量、密度和比重)；②力學性質參數(壓縮性，抗剪強度參數)；③滲透性；④抗沖刷性；⑤耐久性(抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性)。

2.1 物理性質參數

(1)含水量

由于水泥土在凝結硬化與加固過程中需要消耗原土樣中的水分參與物理—化學反應，因此水泥土的含水量通常比原土樣的含水量低。根據文獻[6]，水泥土含水量比原土樣含水量一般減少約0.5%～7.0%之間，且隨著水泥摻入比的增加原土樣含水量減少。

(2)密度

根據文獻[1]，水泥的密度(指堆積密度)取決于堆放的緊密程度，松散時約為1.0～1.3g/cm3，緊密時可達1.5～2.0g/cm3，一般與土的密度(軟土1.4～1.9g/cm3，常規土1.75～1.95g/cm3)[7]相差不多。因此水泥土的密度通常與原土樣的密度相近。根據文獻[6]，當原土樣密度1.71～1.75g/cm3，水泥摻入比在5%～20%變化時，水泥土的密度比原土樣增加約0.5%～2.5%。

(3)比重

根據文獻[1]，硅酸鹽水泥的比重一般為3.05～3.20，在進行配比計算時通常取值3.10，一般比土的比重(砂、砂壤土、壤土和黏土平均比重分別取值為2.65、2.70、2.71和2.74)[7]大，因此水泥土的比重通常比原土樣的比重稍大。根據文獻[6]，當原土樣比重2.69～2.76，水泥摻入比在5%～20%變化時，水泥土的比重比原土樣增加約0.7%～2.5%。

2.2 力學性質參數

(1)壓縮性

水泥土是由各組分按照一定比例拌合均勻，并經機械壓實、養生后形成的結硬性混合物，因此水泥土的壓縮性與原場地土相比大幅度降低，且具有低壓縮性。根據文獻[6]，水泥土的壓縮系數約為0.02～0.035MPa-1，其相應的壓縮模量為60～100MPa。

(2)抗剪強度

由于形成過程中的凝結硬化與加固，水泥土的整體性和穩定性均較原場地土有大幅度提高。根據文獻[6]，水泥土的抗剪強度隨著抗壓強度的增加而提高，當水泥土的無側限抗壓強度fcu=0.3～4.0MPa時，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，內摩擦角在20°～30°；且一般來說，原場地土中粗顆粒含量越多，內摩擦角越大[10]。

2.3 滲透性

由于水泥的水化產物將原場地土顆粒膠聚在一起，形成水穩定性較好的結硬性混合物水泥土，加之水泥土的細顆粒含量較高，使得水泥土具有較好的防滲性能和抗滲性能[11-13]；根據文獻[6]，水泥土的滲透系數隨水泥摻入比的增大和養護齡期的增長而減小，一般可達10-5～10-8cm/s數量級，具弱～極微透水性。

2.4 抗沖刷性

水泥土的整體性和水穩定性均較原場地土有大幅度提高，其抗沖刷性也較原場地土有大幅度的提高。山東省水利科學研究院與長江水利委員會合作進行的抗沖刷試驗資料見表1，其中試件采用輕粉質砂壤土(黏粒含量3%～6%)及325號硅酸鹽水泥配置，擠壓成型后干密度為1.5g/cm3，標準養護28d后經平沖及45°角斜沖試件表面2h的試驗資料。

表1 水泥土抗沖刷性能試驗資料

由表1可得，不摻水泥的夯實素土試件抗沖流速小于0.5m/s；而水泥摻量大于4%的試件，平沖的抗沖流速大于6m/s，斜沖的抗沖流速大于3m/s，抗沖刷性較夯實素土有了大幅度的提高。根據文獻[14]，土料中黏粒含量越多，水泥土的抗沖刷性越強。

2.5 耐久性(抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性)

由于水泥土形成過程中的凝結硬化與加固成為結硬性混合物，改善了原場地土的孔隙結構，降低了孔隙率，孔隙水減少，結冰產生的劈裂破壞力減弱，由此水泥土的抗凍性較原場地土有所提高；耐干濕性也較原場地土有所提高。

根據文獻[1]，山東省水利科學研究院選用魯西北平原地區侵蝕性能較強的硫酸鈉溶液進行的試驗結果表明，水泥土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力。

3 水泥土性能的影響因素

影響水泥土物理力學及其他工程性質的因素較多，包括土性(巖性、黏粒含量、土體含水量、土體有機質含量、土體酸堿性、塑性指數和黏土礦物成分等)、水泥品種與強度等級、水泥摻入比、外加劑、水泥與土的拌合及壓實程度，養護方法、養護條件、養護齡期與使用條件等。

(1)土性(巖性、土體含水量、土體有機質含量、土體酸堿性和黏土礦物成分等)

①通常原場地土中粗顆粒含量越多，水泥土的強度越大，滲透系數越大，抗沖刷性越差，抗凍性越強。

②當水泥土的配方相同時，其強度隨原場地土天然含水量的降低而增大；試驗表明，當土的含水量在50%～85%范圍內變化時，含水量每降低10%，水泥土強度可提高30%。

原場地土含水量的減少，水泥土的壓縮性降低；原場地土含水量對水泥土的抗凍性能影響較小，但是當接近原場地土的最優含水量時，水泥土的抗凍性能最優[16]。

③由于有機質會阻礙水泥的水化反應，影響水泥土強度的增長，因此有機質含量高的原場地土單純用水泥進行加固，效果較差。

④呈堿性的原場地土與水泥作用后形成的水泥土性能比呈酸性的效果好[18]。

⑤當土的塑性指數大于25時，水泥和土不易攪拌均勻。

⑥水泥與土中的黏土礦物高嶺石、蒙脫石加固效果比伊利石好。

(2)水泥品種與強度等級

抗硫酸鹽水泥的抗凍性優于礦渣硅酸鹽水泥[1]。提高水泥的強度等級可增大水泥土的強度和抗凍性。

(3)水泥摻入比

通常隨著水泥摻入比的增加，水泥土的壓縮性降低，抗剪強度增大，抗滲性、抗沖刷性、抗凍性、耐干濕性和耐腐蝕性均增強。

(4)外加劑

不同外加劑對水泥土強度有著不同的影響，如木質素磺酸鈣對水泥土強度的增長影響不大，主要起減水作用；石膏、三乙醇胺對水泥土強度有增強作用，且石膏兼有緩凝和早強的雙重作用；粉煤灰可提高水泥土的強度，增強其抗滲性，且對水泥土的膨脹有一定的抑制作用。

(5)水泥與土的拌合及壓實程度

水泥與土拌合時間越長、拌合程度越均勻，則水泥土的強度越高；水泥與土形成過程中壓實程度越好，則水泥土的強度越高，抗滲性、抗沖刷性、抗凍性、耐干濕性均越強。

(6)水泥土的養護方法、條件、齡期與使用條件

如采用蒸汽養護方法，可以使水泥充分水化，加速反應，也能改善其抗凍性能；通常水泥土的養護方法對其早期強度影響大，后期強度影響較小；堿性養護環境條件比酸性環境好；隨著養護齡期增長，水泥土的壓縮性降低，強度增大，抗滲性增強；在水泥土的使用條件中，隨著凍融循環次數的增多，水泥土的強度降低，滲透性增大。

4 工程實例

濟南高新區楊家河西小龍堂段河道治理工程位于彩石街道辦境內，治理河段長1.37km，上下游高差達15.7m，平均比降約1∶87。受城市建設影響，治理河段現狀遭到占壓。根據片區規劃，規劃后的河道軸線與現狀相比發生變化，且河道寬度受到束縛，為滿足防洪要求，河道兩岸采取垂直擋墻防護；為減少投資，并使河道水流有控制性地向下游降低水頭，沿線設置4座跌水。

工程沿線及附近場地包含黃土地貌、河流侵蝕堆積形成的河谷地貌，以及受人類活動影響較大的堆土地貌。根據工程地質勘察報告[20]，第①層雜填土分布較連續，鉆孔揭露平均層厚6.05m；結構松散、成分復雜、性質不均，存在承載力低、沉降大、穩定性差等工程地質問題；第②層黃土狀壤土分布較為連續，鉆孔揭露平均層厚6.76m；具輕微～中等濕陷性，且存在抗沖刷性能差、抗滲透能力差等工程地質問題。

鑒于河道工程對防滲、防沖刷的要求，以及擋墻與跌水構筑物對地基承載力、壓縮性、抗滑穩定性、抗滲穩定性(跌水)、抗沖刷穩定性及岸坡防護等要求，河道采取水泥土護底，擋墻和跌水采取水泥土換填墊層法處理。

5 結語

水泥土以其良好的工程特性，并且能最大限度地利用原場地土的優勢，在水利工程中得到廣泛應用。由于水泥土的性能受到原場地土性質、水泥摻入比、水泥與土的拌合及壓實程度等諸多因素的影響，小型水利工程可根據工程特征需求，結合場地土性質等條件，參照地區經驗，選擇合適的水泥品種及水泥摻入比等。大中型水利工程建議通過室內試驗、現場試驗等進行對比分析、比較研究確定更為合理的參數等，以期在保證達到工程處理目的、滿足工程特征要求的同時，實現最佳的經濟效益。