水泥土无侧限抗压强度试验研究

2017-05-13肖桃李长江大学城市建设学院长江大学岩土力学与工程研究中心湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2017年5期

关键词：侧限试块龄期

肖桃李 (长江大学城市建设学院,长江大学岩土力学与工程研究中心，湖北荆州 434023)

何云龙，李启凤，丁卓，朱健华，周超 (长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

水泥土无侧限抗压强度试验研究

肖桃李 (长江大学城市建设学院,长江大学岩土力学与工程研究中心，湖北荆州 434023)

何云龙，李启凤，丁卓，朱健华，周超 (长江大学城市建设学院，湖北荆州 434023)

以某建筑工地常见的杂填土为原土, 加入水泥形成水泥加固土，利用微机控制电液伺服万能试验机及改装后的高速搅拌机进行室内试验。试验过程中控制水灰比不变，研究不同水泥掺量和不同龄期等条件下水泥土无侧限抗压强度的变化规律，试验得出各条件下水泥土试块抗压强度值，并通过数据分析得出可以预测水泥土强度的函数表达式。结果表明，随着水泥掺量的增加，水泥土的抗压强度逐渐增大；当掺量为25%时，水泥土的强度增长幅度最大；水泥土的抗压强度的变化与龄期增长的关系密切，呈现三次函数变化，当龄期为60d时，水泥土强度高于龄期为90d的强度。该研究成果可为以杂填土为土质的地基基础或基坑支护设计等基础工程提供理论参考依据。

水泥土；无侧限抗压强度；水泥掺量；龄期；杂填土

水泥土是土、水泥、外加剂和水混合、压实后形成的一种拌和物，是一种特殊工程性能的硬化材料，广泛应用于深基坑支护及地基处理中，具有巨大的实用价值。赫文秀等[1]的研究表明，砂土中水泥土强度随龄期的增加而呈直线增长；张石友等[2]通过试验得出，由粉质黏土制作的水泥土试块，强度随水泥掺量的增加而增大，且高水泥掺量的水泥土后期强度增长相对较快；李建军等[3]通过试验得出由粉土制作的水泥土试块的强度规律：28d的抗压强度是7d抗压强度的3倍，是14d抗压强度的2倍；黄小满[4]通过对软土地基水泥土搅拌桩的研究发现，水泥土强度随水泥掺量的增加而增大，但在实际工程中，水泥掺量宜控制在一定范围内；高松鹤[5]通过对5种土的无侧限抗压强度试验得出水泥土的破坏强度与水泥掺量和龄期的关系分别呈幂函数和对数函数变化；艾志伟等[6]的研究表明，水泥土强度随土体含水量、有机质含量的减少而增强，随水泥掺入比和养护龄期的增大而增强，水泥土搅拌越充分，强度越高；赵振亚等[7]通过对红黏土的试验，认为水泥土无侧限抗压强度随着龄期的延长而增强，养护龄期为90d 时，强度趋于稳定。

我国幅员辽阔，岩土条件差异性大，各地区的不同土质会对水泥土的试验数据产生较大影响，且大多数学者都是以砂土、黏土和淤泥质土为研究对象，很少有人以杂填土为研究对象来研究水泥土。随着城市化发展，城市垃圾越来越多，以杂填土为原土的水泥土在日后的发展应用中会越来越广泛，因此开展以杂填土为原土的水泥土研究具有实际意义。

1 试验材料与方法

试验土样取自某建筑工地基坑开挖地下深1m的杂填土，土体含有少量砖渣及碎石，均匀性较差。试验所用水泥为复合硅酸盐水泥，其强度等级为 32.5MPa，各类指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的要求。杂填土取回后先除掉土中的杂石、碎渣、树根等杂质，再进行筛分除掉粒径大于2mm的土样。试验水泥掺量分别为12%、15%、20%和25%，水灰比为0.5，分别进行7、28、60和90d这4个龄期的无侧限抗压强度试验，每组3个试块，放入标准养护箱内养护至相应龄期。

试验步骤如下：

1)把相应掺量的水泥加入处理后的土样中，采用小型搅拌机将其搅拌均匀，形成干混合物；

2)根据水灰比，量取每个掺入量所需要水的体积，并加入到干混合物中搅拌均匀；

3)将搅拌均匀的水泥土混合物倒入70.7m×70.7m×70.7m的模具中振捣5min，将试块表面抹平贴好标签，24h后拆模，所有试块均放入标准养护箱中(温度为20±2℃，相对湿度在 95%以上)养护；

4)养护到预定龄期后，采用ASTM标准的测试方法，利用微机控制电液伺服万能试验机进行无侧限抗压强度试验(加载应力速率为 0.2kN/s)，并记录试验数据。

2 试验结果及分析

2.1 水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

控制水灰比为0.5，在不同龄期下水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量的关系如图1所示。由图1可知，在龄期相同时，随着水泥掺量的增加，水泥土的无侧限抗压强度逐渐上升；当水泥掺量在12%～20%时，水泥土强度增长缓慢，当水泥掺量在20%～25%时，7d和90d水泥土的强度增长缓慢，28d和60d水泥土的强度增长速度加快；当水泥掺量在12%～20%时，水泥土7d的强度比28d的强度高，但当水泥掺量为25%时，水泥土7d的强度比28d的强度要低，60d水泥土的强度比90d时高；这一现象与陈达等[10]研究不一致，表明杂填土性质的特殊性。

通过对曲线的拟合分析，28d和60d的无侧限抗压强度-水泥掺量曲线呈二次函数关系，其拟合公式分别为:

(1)

(2)

7d和90d的无侧限抗压强度-水泥掺量曲线呈一次线性函数，其拟合公式分别为:

Y=8.3061X+0.3099 (R2=0.9641)

(3)

Y=13.316X+0.0781 (R2=0.9916)

(4)

由此说明水泥土的强度与水泥掺量有较强的相关性。

2.2 龄期对无侧限抗压强度的影响

控制水灰比为0.5，在不同水泥掺量条件下水泥土无侧限抗压强度与龄期的关系如图2所示。由图2可知，水泥土强度与龄期关系密切：水泥掺量为12%、15%和20%时水泥土28d强度普遍低于7d强度，水泥掺量为25%时水泥土强度7d到28d增长缓慢，无降低现象；28d之后水泥土强度迅速增大，增加幅度大，60d强度明显高于28d，而随龄期增长，90d强度较60d普遍降低；水泥掺量为25%时水泥土90d强度较60d的衰减明显，而其他水泥掺量的水泥土强度衰减幅度较小。

图1 无侧限抗压强度与水泥掺量百分比的关系图2 无侧限抗压强度与龄期的关系

通过对曲线的拟合分析，水泥掺量为12%、15%、20%、25%时水泥土强度与龄期的拟合公式分别为：

Y=－0.00006X3+0.0074X2－0.2389X+ 2.7274 (R2=0.9981)

(5)

Y=－0.00005X3+0.0065X2－0.2X+2.5689 (R2=0.9952)

(6)

Y=－0.00005X3+0.0069X2－0.2124X+3. 0649 (R2=0.9973)

(7)

Y=－0.00008X3+0.0088X2－0.1646X+3. 1991 (R2= 0.9962)

(8)

由此说明水泥土强度与龄期有较强的相关性。

2.3 对比分析

嵇晓雷[8]研究表明，由淤泥质粉质黏土制作的水泥土试块，水泥掺入量在10%～25%时，当水泥掺量为15%时强度增长幅度最大；而笔者的试验研究表明，由杂填土制作的水泥土试块，当水泥掺量为25%时强度增长幅度最大。

曹智国等[9]通过研究黏土、砂土得出，在水泥掺量为5%～20%时水泥土强度与养护龄期的对数近似呈线性函数关系，水泥土强度随水泥掺入量增加近似呈幂函数关系；而笔者的试验研究表明，水泥掺量为12%～25%时，水泥土强度与龄期近似呈三次函数关系；龄期为7d和90d时，水泥土强度与水泥掺量近似呈线性函数关系；龄期为28d和60d时水泥土强度与水泥掺量呈二次函数关系。

陈达[10]研究表明，由淤泥土制作的水泥土试块在28d龄期前强度快速增长，龄期在28d～90d时，强度仍有较大增长，但增长速度明显变缓；而笔者的试验研究表明，由杂填土制作的水泥土试块，在28d龄期前强度有所下降，龄期在28d～60d时，强度迅速上升，但龄期在90d时，强度又明显下降。

由于杂填土成分复杂，有机质含量较多，导致水泥土无侧限抗压强度的变化规律与其他土质大不相同，因此建议以杂填土为土样制作的水泥土搅拌桩作支护结构时，地下工程施工工期尽量不要超过60d，若在基坑支护中，应尽量除去上表面的少量杂填土。