水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土力學特性試驗研究

谷雷雷，張 梅，鄧先軍，吉久發，于劍波，王盛年

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇南京 211816）

0 引言

水泥土是地基加固、基坑支護、防滲帷幕等工程中常用的巖土材料，具有施工技術成熟、效率高、成本低等特點（Zhang et al.2012；陳四利等， 2018；邱浩浩等， 2020）。然而，大量工程實踐表明，隨水泥用量提高，水泥水化放熱效應將導致水泥土硬化過程溫縮體縮顯著，進而引發干縮開裂等缺陷（裴向軍等， 2000）。同時，水泥本身也是一種高成本高能耗產品，其工業生產還伴隨有海量溫室氣體排放，這是加劇全球氣候變暖危機的一個重要因素（馬忠誠和汪瀾， 2011）。因此，如何有效提升水泥土性能并減少水泥用量是資源環境可持續發展和提高土方工程經濟效益的關鍵。

使用礦物摻合料可有效改善水泥土工程性能，如強度、耐久性等，并降低水泥消耗（鄭俊杰等，2000； 何學云等， 2013； 解邦龍等， 2021）。Edil et al.（2006）研究了水泥粉煤灰對軟土的穩定效果，發現用一定量粉煤灰替代水泥可提高軟土承載力；Kolias et al.（2005）發現，粉煤灰中游離CaO與黏土成分可發生反應形成硅酸鋁鈣等水合物；Kamei et al.（2013）研究了凍融和干濕條件下廢石膏和粉煤灰對水泥土耐久性的影響，發現摻入廢石膏和粉煤灰能有效提高水泥土強度和耐久性；Wu et al.（2020）發現，海水侵蝕環境下摻入鋼渣的固化土強度隨侵蝕時間而增加，未添加鋼渣情形則相反；Choobbasti and Kutanaei（2017）研究了納米二氧化硅對水泥固化砂土微觀結構和強度的影響，結果發現摻入一定量的納米二氧化硅能夠提升固化土強度。上述提高水泥土工程性能的研究，究其原理主要是因為礦物摻合料中含有較高的CaO和硅鋁礦物，可為水泥水化提供充沛原料，形成更多凝膠，從而有效改善了土體的密實性與完整性（鄭俊杰等，2000； 何學云等， 2013）。

偏高嶺土是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O，簡稱AS2H2）經600～900℃高溫煅燒脫水形成的高活性無水硅酸鋁礦物摻合料，由于其內無定型的硅鋁成分具有極高的火山灰活性，因此常被用作無機凝膠材料外添劑（周海龍等， 2020）。Kolovos et al.（2013）發現，偏高嶺土可降低水泥固化黏土收縮率，改善微觀結構；鄧永鋒等（2016）研究偏高嶺土部分替代水泥固化海相軟黏土發現，偏高嶺土摻入可大幅提高泥土無側限抗壓強度；Wu et al.（2016）發現，偏高嶺土可提高水泥土抗壓和抗劈裂強度，并導致更多水化產物和更密集微孔分布；Zhang et al.（2020）、馬冬冬等（2021）指出，水泥土強度隨偏高嶺土摻量增加先增后減，適量偏高嶺土能夠減小孔隙直徑；Wang et al.（2018）發現，摻入偏高嶺土能夠提升水泥土強度，加速水泥水化，細化孔隙結構，并改善土顆粒和粘結劑間界面區；吳子龍等（2017）發現，偏高嶺土對水泥土壓實特性、強度性能的提升明顯優于鋼渣；Xing et al.（2018）指出，當偏高嶺土含量超過一定值時，水泥土強度不再增加，偏高嶺土摻量存在限值；談云志等（2020）研究了偏高嶺土對水泥復合石灰穩定淤泥土長期強度的改善機制。上述研究顯然可為軟弱土穩定研究與應用提供有力支撐。然而，粉砂土物質構成主要為砂粉粒，粘粒含量較低，其受水泥偏高嶺土穩定效果如何，偏高嶺土使用最大可節約水泥量如何，當前研究卻不是很充足，有待深入探究。

圍繞利用偏高嶺土提升水泥穩定粉砂土工程性能、降低水泥消耗目標，通過開展一系列強度試驗，分析探討了水泥偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養護齡期對粉砂土抗壓強度提升的影響規律，并總結完善了相關上述因素的強度經驗預測模型。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）粉砂土

試驗所用粉砂土收集于南京長江漫灘區某基坑工程。如圖1所示，該土體質地呈灰褐色，砂粉粒占比居多，少數為粘?！，F場勘測顯示，該土埋深位于-17.93 m，重度19.4 kN/m3，天然含水量24.1%，初始孔隙比0.678，粘聚力4.3 kPa，內摩擦角29.3°?？紤]到天然粉砂土中夾雜有少量粒徑大于2 mm的顆粒，對土樣烘干過2 mm篩以確保試樣均一性。

圖1 粉砂土級配曲線Fig.1 Grading curve of silty sand soil

（2）水泥

試驗所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，由江西省新余市分宜海螺水泥有限責任公司生產。

（3）偏高嶺土

試驗所用偏高嶺土為灰白色、平均粒徑10 μm的粉體，如圖2所示，其由河南省鉑潤鑄造材料有限公司生產，主要化學成分見表1所示，硅鋁礦物總含量超94%。

表1 偏高嶺土主要化學成分Table 1 Main chemical components of metakaolin

圖2 偏高嶺土Fig.2 Metakaolin powder

1.2 試驗方案

采用單一變量法探究水泥偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養護齡期對粉砂土強度提升的影響規律。文中同一方案試樣制備是一次完成的，其后續養護環境條件是一致的。

具體試驗內容包括：

（1）水泥偏高嶺土摻比

Wang et al.（2018）對水泥煤系偏高嶺土穩定砂土進行研究后建議水泥與煤系偏高嶺土摻比取4.0～6.5。因此，試驗將以水泥偏高嶺土摻比分別為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1進行。其中，凝膠總摻量設計按10%、15%、20%和25%考慮，水/水泥偏高嶺土比為0.6，養護齡期為7d。文中水/水泥偏高嶺土選擇0.6原因主要是基于兩方面考慮：一是水/水泥偏高嶺土（灰）是影響水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土強度的重要因素，通常水灰比越大，強度將越差，因此試驗設計時優先考慮小水灰比設計（儲誠富等， 2005；賈堅， 2006）；二是文中試驗制樣采用振動密實法，但這又要求制樣水灰比不宜過小，因此，為保證試樣拌合及密實容易性，制樣時通過多次試摻水調配了試樣狀態，最終根據試樣適配情況確定了該比值。

（2）水/水泥偏高嶺土比

為探究水/水泥偏高嶺土比對水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土力學性能的影響，試驗水/水泥偏高嶺土比依次選擇0.4、0.6、0.8、1.0和1.2。其中，凝膠總摻量固定為15%，水泥偏高嶺土摻比固定為上述試驗所得最佳值，養護齡期為7d。

（3）凝膠總摻量

凝膠材料用量直接決定水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土力學性能提升，因此，試驗凝膠總摻量依次選擇10%、15%、20%和25%。其中，水泥偏高嶺土摻比固定為上述試驗所得最佳值，水/水泥偏高嶺土比取試驗所得建議值，養護齡期為7d。

（4）養護齡期

分別開展3 d、7 d和28 d齡期下的水泥偏高嶺土復合穩定土力學強度測試，以探明水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土力學性能隨養護齡期的變化。其中，水泥與偏高嶺土摻比取試驗所得最佳值，水/水泥偏高嶺土比取試驗所得建議值，凝膠總摻量取15%。

1.3 試驗方法

試樣制備時，先稱量各方案粉砂土、水泥、偏高嶺土和水所需質量，將砂土、水泥、偏高嶺土干混均勻，分多次拌入水，待拌合均勻后，分四次裝入直徑50 mm、高100 mm的圓柱形模具。標準養護下靜置24小時脫模，然后繼續養護至規定齡期。

抗壓強度試驗采用微機控制電子萬能試驗機進行。該設備采用交流伺服驅動器和伺服電機，可實現應力、應變四種閉環試驗進程控制，系統設計最大軸向力為20 kN，加載速率范圍0.001～500 mm/min，調速精度為±1%，即0.001～10 mm/min，變形量測精度為±0.5%，力、位移控制范圍為0.2～100%FS（FS為滿量程）。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥偏高嶺土摻比

圖3為水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨水泥偏高嶺土摻比變化的試驗結果曲線。水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度均隨水泥偏高嶺土摻比值減小呈先增后減發展。當僅當將水泥和偏高嶺土按質量比5∶1混合用時，粉砂土可獲得最佳性能提升，也即最理想情況下可節約1/6水泥消耗，且該摻比關系不會因凝膠總摻量變化而改變。究其緣由可能是，當水泥與偏高嶺土摻比小于5∶1，也即偏高嶺土用量相對較多時，水泥水化產物Ca（OH）2僅夠與有限數量的高活性硅鋁礦物反應生成CSH凝膠，致使偏高嶺土未能被充分利用，因而使得其抗壓強度隨水泥偏高嶺土摻比減小而降低（吳子龍等， 2017）；當水泥與偏高嶺土摻比大于5∶1時，此時水泥用量相對較高，水泥水化產物Ca（OH）2可充分與偏高嶺土所含數量有限高活性硅鋁礦物反應生成CSH凝膠或使偏高嶺土中高活性硅鋁礦物發生共價聚合形成地聚物，偏高嶺土得到充分利用，因而使得水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨偏高嶺土相對用量增加而增加（顧海榮等，2022）。

圖3 不同水泥偏高嶺土摻比下的水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度變化曲線Fig.3 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different cement metakaolin ratios

2.2 水/水泥偏高嶺土比

圖4為水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比變化的試驗結果曲線?？芍?，水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比增加而非線性減少，水/水泥偏高嶺土比越大，降低幅度越大。究其原因可能是，一方面水/水泥偏高嶺土比越大，水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土硬化后內部因過多自由水蒸發而殘留的孔隙會大幅增加，另一方面，偏高嶺土比表面積較小，過多水可能反而不利于其與Ca（OH）2反應，因此，其抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比增加而減小?？紤]到粉砂土的拌合容易性以及為盡可能提升水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度，文中后續試驗采用水/水泥偏高嶺土比為0.6。

圖4 不同水/水泥偏高嶺土比水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度Fig.4 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different water / cement and metakaolin ratios

2.3 凝膠總摻量

圖5為水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨凝膠總摻量變化的試驗結果曲線?？芍?，當凝膠總摻量由10%提高至25%過程中，水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨凝膠總摻量增加而線性提高，且兩者之間存在良好的相關關系。該結論與Wang et al.（2022）研究水泥土的結論具有一致性。但需要說明的是，圖5與圖3相比水泥偏高嶺土總摻量相同而抗壓強度不同，其主要原因應是試樣養護溫度不同導致（陳昌富等， 2023； Leklou and Das， 2023）。由于文中試驗方案設計中后邊的試驗需要基于前邊試驗的結果，因此，試驗工作具有先后性。實際試驗時，前部分試驗是在春夏交接時段完成，后續試驗實在夏季完成的。盡管試驗采用標準養護試驗箱進行養護，但標準養護試驗箱在溫度不足時會自動加熱，在溫度超過標準養護溫度后卻不能降溫，因此，相同試驗方案下，后期試驗中水泥偏高嶺土總摻量相同而抗壓強度不同。

圖5 不同凝膠摻量水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度Fig.5 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different total binder contents

2.4 養護齡期

圖6為水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨養護齡期變化的試驗結果曲線?？芍?，隨養護齡期發展，水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度不斷提高，但齡期28天抗壓強度約是7天和3天的2倍和5倍，齡期7天抗壓強度約是3天的3倍。這表明，隨齡期增加，水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度提升在逐漸放緩（Gill and Siddique， 2018）。其緣由可能是，水泥作為凝膠材料主成分，為復合穩定粉砂土抗壓強度提升主控因素，一方面偏高嶺土可與水泥水化產物進一步反應，形成了更多的凝膠產物，另一方面亦有效消耗了導致水泥干縮開裂的Ca（OH）2，因此，其抗壓強度提升規律與單一水泥穩定情形類似。

圖6 不同養護齡期水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度Fig.6 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil at different curing ages

3 經驗預測模型

3.1 抗壓強度與水/水泥偏高嶺土比間關系

許多研究已指出，水泥土抗壓強度與水/水泥偏高嶺土比之間存在著某種定量關系。因此，依據水/水泥偏高嶺土比預測水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度可為工程設計和應用提供經驗參考。Horpibulsk et al.（2011） 提出了一種關于水/水泥偏高嶺土比的指數型水泥土抗壓強度預測公式

式中：qc為水泥土抗壓強度（kPa），w/c為水/水泥偏高嶺土比，a和b為試驗擬合量。

采用上述公式對試驗結果進行擬合（圖7）發現，其可很好地表征兩者間關系，因此，能用于水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度預測分析。

圖7 抗壓強度和水/水泥偏高嶺土比間關系Fig.7 Relationship of compressive strength and water /cement and metakaolin ratio

3.2 抗壓強度與凝膠總摻量間關系

圖8為水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度與凝膠總摻量間的線性擬合，所采用函數表達式為

圖8 抗壓強度和凝膠總摻量間關系Fig.8 Relationship of compressive strength and total binder content

式中：pcm為凝膠總摻量（%），λ達標表征凝膠摻量對強度的貢獻程度，與凝膠性能有關，qs為天然粉砂土的抗壓強度（kPa）。擬合結果顯示，該方程同樣可非常理想的表征兩者間的關系。

3.3 抗壓強度、凝膠總摻量、水/水泥偏高嶺土比間關系

水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度不僅受凝膠總摻量控制，亦受水/水泥偏高嶺土比影響顯著，因此，綜合抗壓強度、凝膠總摻量、水/水泥偏高嶺土比間的相關性，提出如下經驗預測模型

式中：α、k、δ和η為試驗擬合量，與土性有關。

圖9所示為采用上述經驗表達式對所得試驗結果的擬合?？芍?，該經驗預測模型可很好地表征三者間關系，其趨近1.0的相關系數則證明了該預測模型的有效性。

圖9 抗壓強度與多因素間關系Fig.9 Relationship of compressive strength and multiple influence factors

3.4 抗壓強度與養護齡期間關系

依據圖6所述試驗結果，參照Gill and Siddique（2018） 總結的關于養護齡期的水泥穩定土抗壓強度經驗預測公式，提出如下經驗預測模型

式中：m和n為試驗擬合量，T為水泥土養護齡期。

圖10所示為采用上述經驗表達式對本文所得試驗結果的擬合?？芍?，采用該公式可很好地表述水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度隨養護齡期的發展，可作為工程施工強度判斷的經驗參考。

圖10 抗壓強度與養護齡期間關系Fig.10 Relationship of compressive strength and curing age

4 結論

通過開展系列水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度試驗，探討水泥與偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養護齡期對粉砂土抗壓強度的提升規律，得到如下主要結論：

（1）水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度均隨水泥偏高嶺土摻比值減小呈先增后減發展，其峰值均在水泥與偏高嶺土摻比為5∶1時獲得，也即最理想情況下可節約1/6水泥消耗，且該摻比不受凝膠總摻量的改變而改變。

（2）水泥復合偏高嶺土穩定粉砂土抗壓強度提升與水/水泥偏高嶺土比呈負相關變化，隨凝膠總摻量線性提高，隨養護齡期發展強度提升先快后慢。

（3）歸納提出了關于水/水泥偏高嶺土比、凝膠材料用量、養護齡期的四個經驗公式，并利用試驗數據論證其有效性。研究成果可為水泥偏高嶺土復合穩定工程軟弱土提供參考。

［附中文參考文獻］

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