水泥攪拌樁室內試驗研究

趙順利 邵景干 李文凱 黃運軍 姬小祥

（1.河南交院工程技術集團有限公司，河南 鄭州 450046；2.綠色高性能材料應用技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450046；3.河南交通職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

軟土地基在施工過程中較為常見，既具有高壓縮性和低抗剪強度，同時也具備一定的流變性，承載能力比較差。在軟土地基上修筑路基時，需要進行一定的加固處理，否則路基可能發(fā)生沉降過快的現(xiàn)象，導致路基穩(wěn)定性達不到工程要求。

水泥攪拌樁是處理軟土地基的一種常用且有效的方法［1-3］，具體方法是將水泥漿與軟土進行攪拌，使其充分融合，經(jīng)過一系列反應，實現(xiàn)對軟土地基加固的目的。在符合地基的設計要求同時兼顧經(jīng)濟性，天然土、水和水泥的混合比例需要嚴格控制。考慮到各因素對結果的影響，通過分析各原材不同比例下水泥土的無側限抗壓強度來確定最佳比例，了解水泥攪拌樁各影響因素，實現(xiàn)指導施工的目的。

1 水泥攪拌樁配比試驗原理

水泥攪拌樁是將水泥和一定含水率的天然軟土進行攪拌混合，水泥和天然土發(fā)生一系列物理化學反應，使得原狀天然土結構發(fā)生變化，膠結硬化成的水泥土固結體［4］，其反應如下。

1.1 水泥的水解和水化反應

水泥和原狀天然土及定量的水攪拌混合后，水泥里的礦物成分很快與水發(fā)生水解和水化反應，生成含水鋁酸鈣、氫氧化鈣、含水鐵酸鈣、含水硅酸鈣等化合物。這些水化產物不斷生成后，會使得溶液發(fā)生飽和，水化產物會以膠體形式析出水中。

1.2 土顆粒與水泥水化物的反應

水泥經(jīng)過水解和水化反應后，土的顆粒便可以和水泥水化產物發(fā)生反應，土的表面鈉離子、鉀離子和水化產物表面的鈣離子進行離子交換，通過離子交換過程使得較小的土顆粒變?yōu)檩^大的土團，從而提高土體強度。

1.3 碳酸化作用

水泥的水化產物有氫氧化鈣，其接觸水和空氣中二氧化碳，會發(fā)生碳酸化反應，生成碳酸鈣，即碳酸化作用［5-7］，從而進一步增加水泥土強度。

2 原材料及試驗方法

水泥攪拌樁試驗各原材料主要包括土、水泥和水，試驗原材料規(guī)格見表1。

表1 試驗原材料規(guī)格

首先，根據(jù)土的天然密度和成型試件的體積來確定試驗所需土的質量；其次，通過攪拌樁的水泥摻入比來確定水泥質量；最后，以攪拌樁配比土的設計含水率、水灰比來確定水的摻入量。按照《水泥土配合比設計規(guī)程》（JGJ 233—2011）［8］的規(guī)定，先將土和水泥拌和均勻，再灑水攪拌，澆筑成邊長為70.7 mm 的正方體水泥土試件，水泥攪拌樁試件成型時，試驗室的溫度控制在15~25 ℃，相對濕度控制在不低于50%。拆模后試件在（20±1）℃水中養(yǎng)護，相鄰試件間距離不小于10 mm，養(yǎng)護水面高出試件表面至少20 mm。養(yǎng)生到規(guī)定齡期后，取出試件用壓力試驗機以0.03~0.15 kN/s 速率均勻對試件加載，獲取試件強度。

按照《水泥土配合比設計規(guī)程》（JGJ 233—2011）的配比計算時，土的天然含水率由工地現(xiàn)場測定，而本次試驗研究天然含水率對試驗結果的影響，因此設定4 組天然初始含水率分別為30%、40%、50%、60%，水泥摻量為19%，水灰比為0.6，并取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗結果。

為分析水泥摻量對試驗結果的影響，本次試驗設定土初始含水率為30%、水灰比為0.6的定值，設計3 種水泥摻量（16%、19%和22%）來制作無側限抗壓試件，對比3 種試件試驗結果分析水泥摻量的影響。

為了研究不同水灰比對試件無側限抗壓強度的影響，試驗采用在30%初始含水率和19%的水泥摻量，并在保持不變前提下，變換水灰比，分別采用0.5、0.6、0.7、0.8 的水灰比，從試驗結果來分析水灰比對最終無側限抗壓強度的影響。在相同初始含水率和水泥摻量的基礎上，取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗結果，來確定不同齡期下試件無側限抗壓強度的變化情況。

壓力試驗機采用WDW-50 微機控制電子萬能試驗機，具體如圖1（a）所示，成型試件所用振動臺和試模如圖1（b）所示。

圖1 水泥土試驗儀器

3 土的初始含水率和最終強度相關性分析

設定水泥摻量為19%，水灰比為0.6，初始含水率分別為30%、40%、50%、60%，取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗結果見表2。含水率和無側限抗壓強度關系如圖2所示。

圖2 含水率和無側限抗壓強度關系

表2 不同含水率無側限抗壓強度（相同水灰比和水泥摻量） 單位：MPa

由表2和圖2可知，在相同的水泥摻量和水灰比下，隨著土的初始含水率的增長，水泥土試件的無側限抗壓強度呈下降趨勢，一般情況下，土的天然含水量只需滿足水泥的水化和水解等反應即可，超過反應所需的含水量，會影響水泥土的最終強度。

4 水灰比的影響

在同樣初始含水率和水泥摻量保持不變前提下，變換水灰比，分別采用0.5、0.6、0.7、0.8 的水灰比，其三個齡期的無側限抗壓強度見表3。水灰比與無側限抗壓強度關系，如圖3所示。

圖3 水灰比與無側限抗壓強度關系

表3 相同初始含水率和水泥摻量、不同水灰比無側限抗壓強度 單位：MPa

由表3 和圖3 可知，在19%的水泥摻量和初始含水率30%條件下，隨著水灰比的增加，水泥土試件的無側限抗壓強度降低。通常情況下，施工現(xiàn)場土都具備一定的天然含水率，而水泥攪拌樁中水泥摻量偏小，土的天然含水量可以滿足水泥的水化和水解等一系列反應。因此，一定水灰比中的水量滿足施工現(xiàn)場水泥泵送需要即可，在一定范圍內，水灰比越小對強度的提升越有利，但并不是越小越好，水灰比太小，水泥漿稠度高，不能和攪拌樁施工區(qū)的土充分攪拌混合，造成水泥漿在攪拌樁處分布不均勻，將無法保證攪拌樁的完整性，從而直接影響到工程質量。

5 水泥摻量的影響

在同樣水灰比和初始含水率前提下，變換水泥摻量，三種水泥摻量的水泥土無側限抗壓強度見表4。水泥摻量與無側限抗壓強度關系，如圖4所示。

圖4 水泥摻量與無側限抗壓強度關系

表4 0.6水灰比不同水泥摻量的無側限抗壓強度 單位：MPa

由表4 和圖4 可知，在水灰比同樣是0.6、含水率30%的情況下，變換水泥摻量，在各個齡期下，隨著水泥摻量的增加，試件無側限抗壓強度都有提升。這是因為隨著水泥摻量的增加，水泥的水解和水化反應、土顆粒與水泥水化物的反應及碳酸化作用都在加強，因此水泥對土的加固效果就會越明顯，強度就越高。

6 齡期的影響

由表2、表3和表4可知，在初始含水率、水泥摻量和水灰比相同的條件下，試件無側限抗壓強度隨著齡期的增加會不斷提高，而且這個強度變化是一個緩慢長期的過程。作為固化劑的水泥在剛接觸水的時候便會發(fā)生一系列化學反應。隨著時間的推移，水泥水解和水化等反應速率會變得緩慢，主要化學反應的產物附著在水泥表面，覆蓋住暫時未反應的水泥，減弱水泥的水化作用，從而導致水泥的一系列化學反應從試驗加水時刻算起直到90 d都在緩慢進行，從而使試件強度隨著齡期的增加而提高。

7 其他因素影響

除了上述試驗原材料配比對水泥攪拌樁結果影響較大之外，試驗人員試驗操作過程的規(guī)范程度也會產生一定影響。水、水泥及土拌和不均勻，也會造成試塊各部位成分不均一，造成試塊穩(wěn)定性差，強度受較大影響，因此在攪拌機中拌和時應嚴格按照規(guī)范中的先后順序加料，攪拌時間應嚴格控制。試件成型時應用搗棒插搗和振動臺振實，未用振動臺振實的試件會出現(xiàn)空隙，出現(xiàn)裂紋的概率也較大，會造成試件強度降低。養(yǎng)生條件也需要一定的控制，標準要求養(yǎng)生條件是拆模后試件應在（20±1）℃水中養(yǎng)護，各個試件間距離不小于1 cm，水面應高出試件高度2 cm 以上，養(yǎng)生條件差會造成試驗結果數(shù)值偏小。最后，試塊加載速率過快或過慢也會影響最終試驗結果，速率過快導致最終強度提高，因此應嚴格按照規(guī)范規(guī)定速率來進行，即0.03~0.15 kN/s壓至試件破壞。

因此，試件成型中各原材料的拌和均勻程度、成型后的養(yǎng)生條件控制以及試件荷載加載過程中的速率調控都會對試驗結果產生較大的影響。

8 結論

水泥攪拌樁中水泥土強度的試驗結果與原材料中水灰比、水泥摻量、試件齡期密切相關。

①天然土的初始含水率會對水泥攪拌樁的強度產生最直接的影響，強度隨著含水率的增加而減弱。

②在一定范圍內，水灰比越小對強度的提升越有利，但并非越小越好，水灰比太小，水泥漿稠度高，不能和攪拌樁施工區(qū)的土充分攪拌混合。

③水泥摻量和齡期對最終無側限抗壓強度結果影響較大，隨著摻量和齡期的增加，強度也不斷提高。

④在試驗過程中應嚴格控制原材拌和的均勻程度、試件的振實程度、養(yǎng)生條件和加載速率，以保證試驗結果的準確性。室內水泥攪拌樁配合比試驗是施工前必須要做的指導性試驗，應以滿足設計要求和經(jīng)濟實用的原則來調控配比，根據(jù)其試驗結果來指導施工。