水泥土抗剪抗壓強(qiáng)度的試驗研究

摘要：水泥土是指通過在土中摻入水泥來改善土的力學(xué)性能的一種工程材料，為了更好地指導(dǎo)工程實踐，研究水泥土抗壓、抗剪強(qiáng)度參數(shù)與水泥摻入比之間的變化規(guī)律，通過配制不同水泥摻入比的水泥土試件，對不同齡期和不同水泥摻入比下的各試件開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和直剪試驗，得到其抗壓、抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并計算得水泥土的粘聚力、內(nèi)摩擦角，進(jìn)而分析水泥土的抗壓、抗剪強(qiáng)度與水泥摻入比之間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨水泥摻入比增長而增大，而當(dāng)摻入比達(dá)到20%后，水泥土的抗剪強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長趨于緩慢。此外，隨著水泥土齡期的增加，不同水泥摻入比的水泥土強(qiáng)度有不同幅度的增長。

關(guān)鍵詞：水泥土；水泥摻入比；齡期；抗剪強(qiáng)度；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

中國分類號：TU521.3A

［定稿日期］2022-04-07

［作者簡介］黃思宇（1996—），男，在讀碩士，研究方向為巖土工程施工與技術(shù)；張可能（1962—），男，博士，教授，從事地質(zhì)工程、環(huán)境巖土工程的研究和教學(xué)工作。

0 引言

水泥土主要由土、水泥和水組成，在松散、孔隙大的土中摻入水泥可有效改善土的力學(xué)性能，水泥可吸收土中的水分，通過水化作用產(chǎn)生的膠凝粒子附著于土顆粒表面，使土顆粒間因膠結(jié)作用而形成硬骨架結(jié)構(gòu)，膠凝粒子可較好充填到土顆粒間的空隙，從而提高了土體的抗壓和抗剪強(qiáng)度。目前水泥土材料在各類工程項目中得到應(yīng)用人員的青睞，可就地取材，具備優(yōu)良的力學(xué)性能和突出的工程效益等優(yōu)點，讓行業(yè)研究人員也因此開展了很多水泥土性能方面的試驗研究。

王毓國等［1］對黃土水泥土材料進(jìn)行室內(nèi)的單軸拉伸試驗，總結(jié)了水泥摻入量和齡期同水泥黃土抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。江國龍等［2］采用室內(nèi)試驗分析粉質(zhì)黏土水泥土在不同的水泥摻入比和不同養(yǎng)護(hù)條件下抗拉強(qiáng)度的變化情況。目前將納米材料用于改善水泥土的性能強(qiáng)度的研究很多［3］，比如：納米SiO2、納米Al2O3的摻入可有效增大水泥土的抗壓強(qiáng)度；納米TiO2會降低水泥土的抗壓強(qiáng)度等。在一定的水泥摻入范圍內(nèi)［4］，水泥土的抗剪強(qiáng)度隨著水泥摻入量的增加而增大，由于文章的研究中水泥土摻入量相差較小，對比性不強(qiáng)。梁仁旺、湯怡新［5-6］等文章研究了不同水泥摻入比和納米材料對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，未展開對水泥土抗剪強(qiáng)度相關(guān)方面的研究?？辜魪?qiáng)度是評判水泥土材料力學(xué)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。目前大多數(shù)研究集中于水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的規(guī)律，對其抗剪強(qiáng)度規(guī)律以及粘聚力、內(nèi)摩擦角的研究較少。本文依托長沙市區(qū)某市政工程，對不同水泥摻入比、齡期等條件下的水泥土試件分別開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和直剪試驗，探討水泥摻入比的變化與水泥土抗壓、抗剪強(qiáng)度之間的變化關(guān)系，為相關(guān)的工程實踐提供理論指導(dǎo)。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

土料：取自湖南省長沙市區(qū)某市政項目，其部分物理力學(xué)性能見表1。水泥基本性能指標(biāo)見表2。

1.2 試驗方案

此次試驗采用風(fēng)干土作為試驗土體，水泥漿的水灰比宜取0.6。水泥摻入比（摻入的水泥質(zhì)量與被加固土的濕質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示）分別為5％、10％、15％、20％、30％、40％等多種；分別進(jìn)行7d、14d 2個齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、抗剪試驗、壓縮試驗，研究分析水泥摻入比及養(yǎng)護(hù)齡期對于水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

1.3 試驗原理和方法

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗原理：本次強(qiáng)度試驗參照水泥砂漿混凝土抗壓強(qiáng)度的測定方法，制成立方體試塊試件，調(diào)試好設(shè)備后將配制的水泥土試件置于壓力機(jī)下壓至破壞，實時記錄試件破壞的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，記錄破壞時試件的抗壓強(qiáng)度。

（2）抗剪強(qiáng)度試驗原理：每組試驗取3個試樣共12個試件，試件為61.8 mm、高20 mm的環(huán)刀樣，在垂直壓力分別為100、200、300、400 kPa的壓力條件下進(jìn)行剪切試驗；將每個試件的最大剪應(yīng)力點繪在坐標(biāo)紙上，將其線性回歸成一條直線，求得水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

采用風(fēng)干土進(jìn)行試件配樣，用于直剪試驗的水泥土試件，可在振實后的模具立方體試件中插入環(huán)刀。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的相關(guān)試件在（20±5） ℃的環(huán)境條件下靜置48 h后拆模，抗剪強(qiáng)度試驗帶環(huán)刀試件在24 h后拆模。試件的養(yǎng)護(hù)采用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，按照試驗設(shè)計齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)7天、14天。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 水泥的齡期和水泥摻入比對水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線測得各組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得到表3相關(guān)數(shù)據(jù)。

（1）由表3所匯總的試驗結(jié)果可以看出，土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加而增大，但并不是水泥摻入比越大，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高越多，由圖1分析可知，在水泥摻入比為20%以后，水泥土強(qiáng)度的增長趨勢逐漸減緩。分析齡期給強(qiáng)度帶來的影響，可知土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在相同水泥摻入比下會隨齡期的增加而增大，水泥摻入比越大，水泥土的抗壓強(qiáng)度增長趨于穩(wěn)定所需的時間就越長。

（2）水泥摻入比的變化影響水泥土強(qiáng)度的原因：由于水泥摻入比偏小時，土顆粒分布比較分散，進(jìn)行水化反應(yīng)生成的膠凝材料數(shù)量較少，不能有效膠結(jié)周圍的土顆粒及水化產(chǎn)物等，強(qiáng)度偏低。水泥不足難以反應(yīng)生成足夠的膠凝材料，不能有效填充土中的土顆?？紫?。反之，隨著水泥摻入比的增加，可不斷增強(qiáng)土顆粒與膠凝粒子之間的粘結(jié)性，從而強(qiáng)度增大。

（3）養(yǎng)護(hù)齡期的影響：水泥土的強(qiáng)度形成主要是由于水泥漿液在土中需通過水化作用產(chǎn)生的膠凝粒子附著于土顆粒表面，使土顆粒間因膠結(jié)作用而形成硬骨架結(jié)構(gòu)。水泥漿液在土中需要一定的時間來完成水化反應(yīng)，反應(yīng)生成足夠的膠凝粒子。在一定時間段內(nèi)，養(yǎng)護(hù)齡期越長，水化產(chǎn)物越多，土顆粒之間的膠結(jié)作用愈明顯，進(jìn)而提升土體整體。由于水化產(chǎn)物會與土中的黏土顆粒成分發(fā)生反應(yīng)只需幾天的快速反應(yīng)，也有如硬凝反應(yīng)、反應(yīng)生成新礦物等慢速反應(yīng)，需要更長時間才能完成反應(yīng)。

2.2 水泥的齡期和水泥摻入比對水泥土的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

將直剪實驗所得的不同摻入比下每個試件載不同垂直壓力下所得到的最大剪應(yīng)力點通過軟件導(dǎo)入繪出散點圖在坐標(biāo)紙上，并通過Origin軟件將其分析計算，線性回歸成一條直線，如圖2、圖3、表4、表5所示。

根據(jù)上述線性方程所繪制的坐標(biāo)圖，可分別求得各水泥摻入比下的土粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，水泥摻入比對其數(shù)值的影響規(guī)律分別見圖4、圖5。

分析7d養(yǎng)護(hù)齡期，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥摻入比從5%增加到10%、從10%增加到15%、從15%增加到20%、從20%增加到30%以及從30%增加到40%時，土的粘聚力c分別提高43％、69％、99％、124%、138%，由此可知，土的粘聚力c隨水泥摻入比的增大而增大，14d養(yǎng)護(hù)齡期也呈類似的增長趨勢。且養(yǎng)護(hù)齡期的增大對于水泥摻入比更大的水泥土的強(qiáng)度增強(qiáng)效果更加明顯。

這是由于隨著水泥的摻入比越大，與土顆粒間的水化和水解作用就越強(qiáng)烈，反應(yīng)所生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣和膠凝物等物質(zhì)也就充斥在土顆粒間，土的強(qiáng)度自然會得到提高。但由圖4可見在水泥摻入比為20%以后，增加的幅度是逐漸降低的，這也側(cè)面說明了水泥充當(dāng)粘粒的有效性會隨水泥摻入比的增大而逐漸下降，對粘聚力的提升作用相比早期會有所減弱。

由圖5可知，7d養(yǎng)護(hù)齡期時，當(dāng)水泥摻入比從5%增加到10%、從10%增加到15%、從15%增加到20%、從20%增加到30%以及從30%增加到40%時，土的內(nèi)摩擦角φ分別提高47.6％、66.7％、87.6％、97.1%、101.9%， 14d養(yǎng)護(hù)齡期時，內(nèi)摩擦角前期有相似增長趨勢，但從30%到40%時，數(shù)值還略有減小。綜上可知，隨著水泥摻入比的增加，土的內(nèi)摩擦角φ得到了較大的提高，但是增加的幅度也是逐漸降低的。

3 結(jié)論

（1）在土中摻入適當(dāng)提高水泥的摻入比，能增進(jìn)與土顆粒間的水化和水解作用，改善土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，提高土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高土的抗剪強(qiáng)度。

（2）總的來說，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨齡期、水泥摻入比的增加而增長，養(yǎng)護(hù)齡期的長短對不同水泥摻入比的水泥土試件有著不同的影響結(jié)果。水泥摻入比越大，養(yǎng)護(hù)齡期的延長對于水泥土強(qiáng)度的增大效果更加明顯。

（3）為了提高土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥摻入比大總的來講強(qiáng)度提高也大，但考慮到水泥摻入比增加到一定值后，土的抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大減緩，因此從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，水泥摻入比應(yīng)控制在一個合適的范圍會更好。

（4）后面還可研究水泥摻入比不同對水泥土的壓縮性的影響，以及隨著水泥摻入比的增加，試件的破壞形式是否會發(fā)生哪些變化。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王毓國，張愛軍，郭敏霞，等.水泥摻量和齡期對渠道水泥土墊層抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律［J］.中國農(nóng)村水利水電，2018（9）：144-148.

［2］ 江國龍，陳四利，毛學(xué)文，等.水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗研究［J］.公路交通科技，2017，34（8）：29-33+56.

［3］ 王立峰.納米硅水泥土抗壓強(qiáng)度的試驗研究和作用機(jī)理分析［J］.科技通報，2012，28（7）：102-106+129.

［4］ 曾勝華，曾娟.低摻量水泥土強(qiáng)度特性試驗研究［J］.路基工程，2010（4）：17-19.

［5］ 梁仁旺，張明，白曉紅.水泥土的力學(xué)性能試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2001（2）：211-213.

［6］ 湯怡新，劉漢龍，朱偉.水泥固化土工程特性試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2000（5）：549-554.