水泥改良砂土無側限抗壓強度試驗研究

陳維超，楊偉軍

(1.湖南建工集團有限公司，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學)

水泥改良土作為一種建筑材料，已廣泛應用于公路及鐵路路堤基床填筑、深基坑攪拌樁及軟土地基處理等工程領域。中國許多學者對水泥改良土的物理力學特性以及工程應用做了深入的研究。顏勝才以粉土為原材料，通過試驗研究了水泥改良土擊實性、水穩性、強度特性、剛度特性等物理力學特性，結果表明水泥摻量對水泥改良土水穩性的影響及養護齡期對強度的影響顯著；陳瑞生等分析了深層攪拌樁水泥土無側限抗壓強度的影響因素，其中水泥摻入量對樁體強度的影響較大；肖桃李等以雜填土為原土，研究了不同水泥摻入量和不同齡期等條件下水泥土無側限抗壓強度的變化規律，增加水泥摻入量其水泥土的抗壓強度增大，水泥土的抗壓強度與齡期增長呈三次函數變化；任輝明等開展了水泥改良風積沙無側限抗壓強度試驗，研究了不同水泥摻量、養護齡期、壓實系數和水泥強度等級下試件強度變化規律，結果表明：水泥改良風積沙強度隨水泥摻量、壓實系數的增大而提高，并存在良好的線性和多項式擬合關系，齡期效應對其強度影響顯著，前期強度增長速率較快，而后期強度增長速率較慢；高建喜等研究了小齡期黏土水泥土無側限抗壓強度隨養護齡期、水泥摻入比的變化規律，結果表明：水泥土無側限抗壓強度隨水泥摻入比增加而增加，在實際工程中，建議合理的摻入比控制為10%～16%；水泥土無側限抗壓強度與養護齡期呈線性增加。阮錦樓等研究了粉質黏土水泥土無側限抗壓強度與水泥摻入比及齡期的變化關系，結果表明：水泥土的無側限抗壓強度隨著水泥摻入比和養護齡期的增加而增大;水泥土無側限抗壓強度的增大速率隨齡期的增大而逐漸減小,隨著水泥摻入比的增加而增大；隨著水泥摻入比的增加,水泥土的破壞模式由塑性破壞逐漸變為脆性破壞；通過回歸分析,建立了水泥土的無側限抗壓強度隨摻入比及齡期的數學表達式。

該文依托加蓬共和國Port Gentil-Omboue道路，由于該路段地層結構以松散-中密的細砂、中砂為主，其砂土黏聚力低、承載力差，難以滿足道路路基床填筑的要求，因而采用水泥改良砂土應用于路基基床填筑。對水泥改良砂土的力學性能進行研究以指導工程施工。

1 試驗設計

根據現場砂土地質情況，試驗對3種類型的砂土進行改良，研究水泥改良砂土的力學特性，砂土的滲透系數k分別為0.11、0.13、0.93 cm/s，其物理力學性質見表1；改良劑采用P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥的物理力學性質見表2；試模采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，其中試驗設計參數為：水泥摻入量為10%、15%、20%、25%、30%，水灰比為0.4、0.5、0.6、0.8、1.0，養護齡期為3、7、14、28、56、90 d。

試樣制作時，根據水泥摻入量及水灰比在砂土中摻入相應質量的水泥，均勻攪拌后將試料分兩層裝入試模內并予以壓實，試塊表面抹平并蓋上防水分蒸發塑料布后放置陰涼處，試塊24 h后脫模，并放入養護溫度為(20±1) ℃、相對濕度為95%的保濕箱進行恒溫養護至規定的齡期，每種試樣制備3個。達到齡期后采用液壓壓力機進行無側限抗壓強度試驗，加載時采用應變控制方式進行加載。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥摻入量對無側限抗壓強度的影響特性

在砂土中摻入水泥，水泥水化反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等產物，通過一系列離子交換、膠結、凝硬作用與土體顆粒發生物理化學作用，增加土體的強度。圖1～3為水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水泥摻入量變化的試驗結果。

表1 砂土物理力學性質

表2 水泥物理力學性質

圖1 無側限抗壓強度與水泥摻入量的關系(S1)

從圖1～3可以看出：水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水泥摻入量增加而提高，齡期越長，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨之增大；以水灰比0.6為例，齡期從3 d增長至90 d，水泥摻入量為10%時，砂土樣S1的水泥改良砂土無側限抗壓強度由3.16 MPa增至10.43 MPa，S2無側限抗壓強度由1.97 MPa增至6.56 MPa，S3無側限抗壓強度由2.94 MPa增至5.74 MPa，增加水泥摻入量所引起的無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而增大。

圖2 無側限抗壓強度與水泥摻入量的關系(S2)

圖3 無側限抗壓強度與水泥摻入量的關系(S3)

水灰比為0.5、0.6時,水泥改良砂土無側限抗壓強度與水泥摻入量基本呈冪函數關系，當水泥摻入量達到25%時，水泥改良砂土28 d后期無側限抗壓強度增長幅度較小。水灰比為0.8、1.0，水泥摻入量大于20%時，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水泥摻入量的增加而趨向平緩。水泥摻入量小于25%的水泥改良砂土無側限抗壓強度隨齡期增長幅度小，這主要由于少量的水泥與砂土反應較弱，水泥改良砂土固化程度低，強度離散性較大。

通過以上分析可得，在水灰比不變的前提下，水泥改良砂土無側限抗壓強度與水泥摻入量存在一定的關系，根據水泥摻入量可將水泥改良砂土分為非反應區、反應區和惰性區3個階段,當水泥摻入量低于10%時，水泥改良砂土強度增長緩慢，這是因為土粒間水泥水化反應產物過少,對土體強度提升不明顯，將這一區段劃分為非反應區；隨著水泥摻入量的增加，土粒間的水泥水化反應產物增多，土粒之間形成較強的黏結力，水泥改良砂土強度增加速率逐漸變大，進入反應區；當進一步增加水泥摻入量，土體中過多的水泥得不到充分利用，水泥改良砂土的強度隨水泥摻入量增加而增長的速率減緩，進入惰性區。水泥改良砂土無側限抗壓強度fcu與水泥摻入量aw存在較好的冪函數關系：

fcu=a·awb

(1)

以滲透系數k1=0.11 cm/s土樣、齡期28 d為例，水灰比為0.5時，a=0.034 71，b=2.011 07，相關系數R2=0.983 86；水灰比為0.6時，a=0.0211 9，b=2.079 59，相關系數R2=0.987 96。

2.2 養護齡期對無側限抗壓強度的影響特性

圖4～6為水泥改良砂土無側限抗壓強度隨養護齡期變化的試驗結果。

圖4 齡期對無側限抗壓強度的影響(S1)

圖5 齡期對無側限抗壓強度的影響(S2)

圖6 齡期對無側限抗壓強度的影響(S3)

從圖4～6可看出：在同一水灰比、水泥摻入量條件下，養護齡期28 d前，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨齡期增加快速提高；養護齡期28～90 d時，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨齡期增加緩慢增長并趨于穩定。對以上數據進行統計分析，在同一條件下，若以28 d的強度為標準強度值，則水泥改良砂土各齡期無側限抗壓強度與標準強度的關系如表3所示，水灰比小于等于0.6、水泥摻入量15%～25%時取大值。

表3 水泥改良砂土無側限抗壓強度fcu,t與fcu,28 d的關系

以砂土樣S1為例，若以90 d的水泥改良砂土無側限抗壓強度為標準值，對120組水泥改良砂土各齡期無側限抗壓強度進行統計，水灰比為0.5、0.6、0.8時，各齡期無側限抗壓強度比值為：

fcu,3 d∶fcu,7 d∶fcu,14 d∶fcu,28 d∶fcu,56 d∶fcu,90 d=0.30∶0.50∶0.60∶ 0.80∶0.90∶1.0 ，其中fcu,t表示齡期為t的水泥改良砂土無側限抗壓強度。從各齡期無側限抗壓強度相對比值可看出：水泥改良砂土0～3、3～7、7～14、14～28、28～56、56～90 d的日均強度增長值分別約為fcu,90 d標準值的10%、5%、1.4%、1.4%、0.36%、0.18%，其水泥改良砂土早期強度增加速度快，后期強度增長速度變緩。

當水灰比為1.0時，則各齡期無側限抗壓強度比值為：

fcu,3 d∶fcu,7 d∶fcu,14 d∶fcu,28 d∶fcu,56 d∶fcu,90 d=0.25∶0.35∶0.40∶ 0.75∶0.90∶1.0。

由圖4～6還可知：水泥改良砂土無側限抗壓強度與齡期呈較好的指數函數關系式，可用下式表示：

fcu=a-b·ct

(2)

式中：fcu為水泥改良砂土齡期為t的無側限抗壓強度(MPa)；a、b、c為回歸系數。

以砂土樣S1為例，對圖4試驗數據進行回歸分析，其回歸分析結果見表4。

表4 砂土樣S1回歸分析結果

續表4

由表4可知：擬合曲線相關系數R2均在0.95以上，說明水泥改良砂土無側限抗壓強度與齡期的關系按照指數函數來擬合，其結果較好。隨著齡期的增長，水泥改良砂土無側限抗壓強度逐漸增大，并趨向于穩定，水泥改良砂土無側限抗壓強度與齡期的指數函數，其常數a可選取fcu,90 d的強度為標準值，b為關于水灰比、水泥摻入量的函數，常數c的回歸分析值為0.93～0.98，可取c值為0.95。

2.3 水灰比對無側限抗壓強度的影響特性

圖7、8為水灰比對水泥改良砂土無側限抗壓強度影響的試驗結果。

由圖7、8可知：① 在同一水泥摻入量、同一齡期的條件下，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水灰比的增大而降低；在同一水泥摻入量下，齡期越長，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水灰比增加其衰減率增大；15%、20%水泥摻入量的強度衰減率比25%、30%水泥摻入量的強度衰減率要小，但25%、30%水泥摻入量低水灰比改良砂土的早期強度及后期強度均較高；② 各齡期的水泥改良砂土無側限抗壓強度曲線隨著水灰比增大逐漸收攏，表明在同一水泥摻入量、同一水灰比條件下，隨齡期增長水泥改良砂土無側限抗壓強度增長值逐漸減??；對于采用水泥漿液注漿加固的砂土，根據已有工程經驗，建議注漿漿液水灰比為0.5～0.6。

3 水泥改良砂土強度綜合表征參數

水泥改良砂土隨水泥摻入量增加或齡期的增長，水化反應生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等化學產物填充砂土顆粒的孔隙，從而減少水泥改良砂土的孔隙比或空隙率，增加土體的密實度及土體顆粒之間的接觸面積，提高了水泥改良砂土的強度?；谠囼灲Y果，采用綜合表征參數PCT反映水泥摻入量、齡期、水灰比及空隙率對水泥改良砂土無側限抗壓強度的影響：

圖7 水灰比對無側限抗壓強度的影響(S1)

(3)

式中：n為土體空隙率(%)；wc為水灰比；aw為水泥摻入量(%)；T為養護齡期(d)。

圖9、10為砂土樣S1、S2、水泥改良砂土無側限抗壓強度與PCT的關系。

由圖9、10可知：水泥改良砂土無側限抗壓強度與綜合表征系數呈較好的冪函數關系；空隙率為40.13%的砂土，水泥摻入量30%時，其相關系數R2為0.86,水泥摻入量為15%、20%、25%時，其相關系數R2均大于0.90，表示采用綜合表征系數PCT可以描述90%以上水泥改良砂土強度的因素；對于空隙率為40.63%的砂土，水泥摻入量為15%時，其相關系數R2大于0.92，水泥摻入量為20%、25%、30%時，其相關系數R2均大于0.82，表明采用綜合表征系數PCT可描述82%以上水泥改良砂土強度的因素，滿足工程需要。

圖9 無側限抗壓強度與PCT的關系(n=40.31%)(S1)

圖10 無側限抗壓強度與PCT的關系(n=40.63%)(S2)

通過以上回歸分析，水泥改良砂土無側限抗壓強度可采用以下公式進行計算：

fcu=A·PCT-B

(4)

式中：A、B為經驗參數(正值)，與土體性質有關，可依靠經驗或試驗獲得。

由式(3)、(4)可知：水泥改良砂土無側限抗壓強度可通過增加水泥摻入量、增加養護齡期、降低水灰比和提高土樣壓實度等措施來提高，工程應用中，可根據工程實踐情況對參數進行優化設計來滿足工程的實際需求。

4 結論

通過試驗研究了水泥摻入量、養護齡期、水灰比對水泥改良砂土無側限抗壓強度的影響，并根據試驗結果，提出了有效表征水泥改良砂土無側限抗壓強度變化規律的綜合表征參數，并取得了以下主要結論：

(1) 增加水泥摻入量能有效提高水泥改良砂土無側限抗壓強度，其強度與水泥摻入量呈冪函數增長，水灰比為0.5～0.6時，水泥摻入量宜為15%～25%，水灰比為0.8～1.0時，水泥摻入量宜為15%～20%。

(2) 0～28 d齡期，水泥改良砂土無側限抗壓強度快速增長到標準強度fcu,90 d的75%～80%；28～90 d齡期，水泥改良砂土無側限抗壓強度增長速度放緩，并趨于穩定，無側限抗壓強度與齡期呈指數函數關系增長。

(3) 相同水泥摻入量、養護齡期下，水泥改良砂土無側限抗壓強度隨水灰比增大而降低，齡期越長，無側限抗壓強度隨水灰比增加的衰減率越大；在實際工程應用中，采用水泥漿液加固或注漿砂土體的水灰比宜為0.5～0.6，具體根據土體特性及試驗確定。

(4) 采用表征水泥空隙率、水灰比、水泥摻入量以及養護齡期因素綜合影響的綜合表征系數PCT，能較好地反映各因素對水泥改良砂土無側限抗壓強度的影響，其強度與綜合表征系數PCT呈較好的冪函數關系，能滿足工程的實際需求。