掺膨胀剂的水泥土无侧限抗压强度试验研究

鲁文浩 马 波 戴 康

(三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002)

工程实践证明，注浆是治理各类工程地质灾害的有效技术手段与工程措施。水泥土即为将膨胀剂水泥混合浆液注入土体中形成的固结体。无侧限抗压强度是评价水泥或其他胶结材料对土壤固化效果的重要指标之一。

国内外学者对水泥土强度、渗透性、耐久性及其含水率、水泥掺入比、龄期等因素之间的关系已经做了大量的研究，并取得了很多突破性的成就[1-3]。但在水泥土因凝结硬化而产生体积收缩，影响加固效果方面以及通过改善水泥土性能实现基础抬升和结构纠偏的研究较少。因此，本文对掺膨胀剂水泥土的膨胀特性及承载力变化展开了研究，目的在于解决水泥土固相收缩的同时，为地基加固、基础抬升和结构纠偏提供可靠的理论依据。

1 试验作用机理

1.1 材料相互作用

水泥、水、膨胀剂发生反应后会生成水泥土，水泥在反应过程中产生的凝胶类物质会随着自身的强度慢慢强化而变硬，从而形成水泥石类骨架。这些凝胶类物质能和土粒进行包裹，形成密实的结构，提高土体强度，经过一系列的物理和化学反应，部分继续硬化，形成水泥石骨架，部分则与周围活性粘土颗粒继续反应[4]。

1.2 改良原状土

水泥土中Ca(OH)2会溶解水泥土中的Al2O3和SiO2，导致粘土中胶体成分减少，降低水泥土的塑性和膨胀性，主要因为Ca2+与土颗粒附近其他阳离子发生交换。水泥土的包裹作用可以看成水泥与土颗粒进行反应后的产物形成一层外包层，把没有参加反应的粘土和粘性物质包裹起来，使整体的塑性和膨胀性降低。

水泥土中水泥的掺量较多时，其经过水化反应产生的水泥石结构就较多，土体中有塑性改良效果的物质，比如粘土颗粒被包裹在水泥石骨架中，此时水泥对水泥土强度提高的效果不够显著。在水泥掺量较少时，水泥可以有效降低水泥土塑性，此时水泥对水泥土整体强度的影响效果较大，见图1。

2 试验研究

2.1 试验材料

试验用土取自三峡库区粘土，具体物理指标见表1。原状土取回后，经过风干、碾碎，通过2.36 mm方孔筛，制成试验用土样。基本系数见表1。

试验选用湖北省三峡牌水泥，膨胀剂为硫铝酸钙和氧化钙复合膨胀剂，具体参数见表1，表2。

表1 水泥性能指标

表2 膨胀剂性能指标

2.2 试验原理及方案

由相关规范，本试验选取JGJ/T 233—2011水泥土配合比设计规程，选取相应的试验用器材[5]。

在表3中，本文选择水灰比、土体含水率、水泥掺入比、外加剂掺入量和龄期5个主要因素作为正交试验因素，每个因素取5个水平。以水泥土无侧限抗压强度为试验指标，选取L25(56)正交表进行正交试验设计，此处单独列出一个空列，用于估算误差和衡量数据的可靠。试验共安排25组，每组均制备3个平行试样，具体情况见表3。

表3 正交试验因素水平表

2.3 试验结果分析

图2中以5个因素的变化为横坐标，试验指标的抗压强度为纵坐标，绘制水灰比、含水率、水泥掺入比、膨胀剂掺量、龄期与抗压强度关系的直观图，结果见图2。

1)水灰比越大，测得的抗压强度的值就越小。当含水率变大，大于30%时，水泥土抗压强度明显降低。

2)含水率较小时，水泥和膨胀剂颗粒发生水化反应所需水分不足，不能充分发挥其固结和膨胀效应，水泥土强度增大不明显。含水率较大时，水泥和膨胀剂颗粒扩散速度增大，未发生反应即进入孔洞中沉淀。同时，水泥土中存在多余游离水分子，使其强度降低。

3)随水泥掺入比的增大，试验得到的结果是先提高到某一峰值后再降低，若继续增大水泥掺入比，则其强度会降低。

4)膨胀剂掺入量越多，水泥土抗压强度就会越大，但到达一定峰值时，则会出现下降。试验结果表明：当膨胀剂掺量为8%时，试验结果达到最高值，较不掺膨胀剂提高了1.51 MPa。

5)随着养护时间的增长，水泥土内部物理和化学反应越来越完全，水泥土内部逐渐形成胶结物，使土体内部的孔洞和裂缝减少，使水泥土整体的密实度增强，从而其整体的稳定性增强。水泥土中各种空隙会随着养护时间的增长逐渐减少。因此，在任何条件下，随着时间的延长，水泥土强度的变化幅度会越来越趋于缓和。

3 结语

1)土颗粒、水泥、膨胀剂之间通过水化作用产生硬凝、离子互相交换和团粒化、碳酸化作用、结晶作用、骨架作用来改良原状土，将土体结构进行压实，从而提高强度，降低土颗粒的分散度。

2)本试验采用正交试验，并采用极差和方差分析，通过试验结果，按影响程度排序为含水率>水泥掺入比>龄期>膨胀剂掺量>水灰比。

3)水泥土抗压强度随着水灰比增大而减小，随膨胀剂掺量增加先增大后减小。含水率达到某特定值时，土颗粒排列紧密，水泥和膨胀剂反应充分，整体强度较高。由试验结果，水泥掺入30 %左右，可达到最大值。水泥土抗压强度随时间而逐渐增大，龄期30 d之前增幅较大，近似直线增长，30 d后，增长幅度趋缓。

4)由试验结果可以得到：含水率30%、水泥掺入比30%、龄期60 d、膨胀剂掺量8%、水灰比0.4∶1的配比为该正交试验得到的最优方案。该方案得到的试验结果为8.0 MPa，高于第二节中任一组试验数据，表明该正交试验优选结果可靠。

[1] 周承刚,高俊良.水泥土强度的影响因素[J].煤田地质与勘探,2001,29(1):45-48.

[2] 储诚富,洪振舜,刘松玉,等.用似水灰比对水泥土无侧限抗压强度的预测[J].岩土力学,2005,25(6):645-649.

[3] 郑 继.水泥土耐久性能试验研究[J].水利水电技术,2011,42(8):8-10.

[4] 陈 达,庄 宁,廖迎娣,等.水泥土力学特性随龄期发展规律试验研究[J].水利水运工程学报,2012(1):26-29.

[5] JGJ/T 233—2011,水泥土配合比设计规程[S].