不同掺砂量及养护条件下水泥土无侧限抗压强度试验分析

曹海文

（五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020）

水泥土是由土、水泥和水混合而成的一种具有一定强度的混合物[1].水泥土搅拌桩不仅具有施工简单、效率高、成本低、工期短，而且在施工过程中具有无振动、无噪音、无泥浆和水污染，同时不会造成局部土体隆起等优点，因此水泥土在实际工程中得到大量应用，使得其研究得到迅速发展[2].赫文秀等[3]研究表明，在水泥土中掺入一定量的砂，可以明显地提高水泥土的抗压强度；曲涛[4]等通过在水泥土里面掺入一定比例的砂进去，研究表明，可以改善水泥土的物理性能，使不同龄期下的水泥土无侧限抗压强度均获得一定程度的提高；王树娟[5]等在水泥掺入比一定的条件下，用一定量的砂置换等量的土，发现掺砂对水泥土无侧限抗压强度有明显的提高.砂是一种价格低廉的掺入材料，在水泥土中掺入一定比例的砂对水泥土强度是有明显提高.因此，本试验以五邑大学现代工程综合实训中心工程为研究对象，在该工程水泥土中掺入一定比例的砂，研究不同掺砂量、龄期在不同条件养护下对水泥土无侧限抗压强度的影响，本文以现场三轴水泥土搅拌机充分搅拌均匀后的水泥土为原材料，抛弃传统中到现场取土样自行搅拌配置水泥土的繁杂模式，同时，为更加全面地反应出实际工程水泥土搅拌桩在土体中从上而下的抗压强度，本文设计了5种不同的养护条件进行模拟，从而为同类工程项目掺砂水泥土设计提供一定的指导.

1 工程概况

1.1 地质及气候概况

拟建场地位于广东省江门市五邑大学校内，其属于珠江三角冲积平原地貌地带，原为校园平地，已人工推填平，地势平缓，地面起伏小，场地地形开阔，无基岩出露.

本区地处亚热带季风区.全年降水丰沛，雨季明显，日照充足.夏季炎热，冬季一般比较温暖.

1.2 水文地质概况

在勘探孔勘探揭示的深度范围内，该场地地基土主要由人工填土、全新统湖相淤泥、一般粘性土及冲洪积相粗砾砂构成，最底层的寒武系沉积片岩主要包括全风化片岩和强风化片岩.在勘察期间，各钻孔均遇见地下水.根据区域水文地质调查结果，该场地地下水稳定水位变化幅度可按1.00 m～1.50 m考虑，主要受大气降水的影响.因此，本文结合场地地质条件，并按照国家标准相关规定，判定沿线地表水及地下水和土对混凝土结构腐蚀性等级为微，对钢结构腐蚀性等级为微.

2 水泥土无侧限抗压强度试验

2.1 试验材料

水泥土土样取自五邑大学现代工程综合训练中心工程工地，取回的水泥土是经现场三轴水泥土搅拌桩机搅拌好的水泥土，水灰比为1.5:1.

砂是产自江门市的天然河砂，含水率为12%，密度为1435 kg/m，试验采用江门市新会区生产的普通硅酸盐水泥P.O42.5，试验用水为自来水.

2.2 试验方案和养护条件

选取掺砂量分别为0%、5%、10%、15%、20%，试块选用河北安建试验仪器厂制作的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 水泥砂浆抗压三联优质绿色工程塑料试模，每种配比制作6块试样，共5组平行试验，在试块在空气中、常温塑料包裹中、标准状况养护箱中、模拟土壤中、水中，共设计5种不同养护条件下模拟，龄期设计了3个龄期，分别为7 d、14 d和28 d，总试块共有450块.

图1 微机控制电子万能试验机

不同养护条件模拟情况：桩顶暴露在空气中的部分，在空气中养护模拟；桩顶往下0.3 m左右，水分蒸发不大，用常温塑料包裹养护模拟；桩顶往下0.6 m左右，湿度加大，用标准养护箱养护模拟；桩顶往下1 m左右，临近有地下水的位置，在离现场50 m处挖掘一个长1 m，宽0.8 m，深1 m的坑，把试块放进并回填原土进行模拟；再往下就是地下水位以下的，试块直接在水中养护模拟.

2.3 试验设备及操作过程

试验使用深圳市新三思材料检测有限公司的微机控制电子万能试验机（CMT5105)，如图1所示.试验过程如图2所示.

图2 试验操作过程

2.4 试验结果

试验过程中，以速度为0.02 mm/min进行变形，试验结果如表2～6、图3～15所示.

表2 在空气中养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度（单位：MPa）

表3 在常温塑料包裹养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度（单位：MPa）

表4 在标况养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度（单位：MPa）

表5 在土壤养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度（单位：MPa）

表6 在水中养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度（单位：MPa）

图3 在空气中养护条件下不同龄期水泥土水泥土的无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图4 在常温塑料包裹养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图5 在标况养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图6 在土壤养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图7 在水中养护条件下不同龄期水泥土的无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图8 在空气中养护条件下不同掺砂量水泥土的无侧限抗压强度与龄期曲线图

图9 在常温塑料包裹养护条件下不同掺砂量水泥土的无侧限抗压强度与龄期曲线图

图10 在标况养护条件下不同掺砂量水泥土的无侧限抗压强度与龄期曲线图

图11 在土壤养护条件下不同掺砂量水泥土的无侧限抗压强度与龄期曲线图

图12 在水中养护条件下不同掺砂量水泥土的无侧限抗压强度与龄期曲线图

图13 同7 d龄期的不同养护条件下的水泥土无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

图14 同14 d龄期的不同养护条件下的水泥土无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

3 试验结果分析

3.1 掺砂量对水泥土抗压强度的影响

当水灰比均为1.5:1时，掺砂量与不同龄期水泥土的抗压强度关系如表2～6所示，图3～7所示.

根据图表数据分析得到不同掺砂量水泥土强度提高数据汇总如表7所示.

由试验数据分析可知，随着掺砂量的增加，各水泥土立方块试块无侧限抗压强度先提高后降低，最优掺砂量为15%.当掺砂量从0%增大到15%时，试块的无侧限抗压强度也随之增大而提高，当掺砂量从15%增加到20%时，则试块无侧限强度变化不大甚至减少；但是整体上来说，相对于掺砂量为0%时，各试块的无侧限抗压强度是有所提高的.

图15 同28 d龄期的不同养护条件下的水泥土无侧限抗压强度与掺砂量曲线图

最优掺砂量为15%时，水泥土试块的无侧限抗压强度是显著提高的.这是因为在掺砂水泥土中，砂颗粒起到了相当于混凝土中骨料的作用，当水泥发生水化反应产生的胶结作用时，将产生以砂颗粒为中心，砂颗粒及土将和水泥水化产物形成的最优级配无数联接结构，硬化后将具有较高的强度[6].

3.2 龄期对水泥土抗压强度的影响

当水灰比均为1.5时，龄期与不同掺砂量水泥土的抗压强度关系如图8～12所示.

根据图表数据分析得到不同龄期水泥土强度提高数据汇总如表8所示.

表8 不同掺砂量下的不同龄期水泥土强度提高数据汇总

由此可知，当其他条件相同时，水泥土无侧限抗压强度随龄期增长而增大.

3.3 养护条件对水泥土抗压强度的影响

当水灰比均为1.5:1时，同一龄期不同养护条件下水泥土的抗压强度与掺砂量关系如图13～15可以看出，当其他条件相同时，不同的养护条件下对水泥土无侧限抗压强度是不同的，其养护条件下强度逐渐递减：空气中、常温包裹中、标准状况中、土壤中、水中.

4 结论

本文通过对江门五邑大学现代工程综合训练中心项目水泥土无侧限抗压强度进行试验研究，得出以下结论：

1）影响水泥土搅拌墙抗压强度的因素包括掺砂量、龄期和养护条件等.

2）当掺砂量从0%～15%时，水泥土的抗压强度随着掺砂量的增加而增大，当掺砂量在15%～20%时，强度到了一定的极限值后，强度变化不大，甚至减少.

3）当其他条件相同时，不同的养护条件下对水泥土无侧限抗压强度是不同的，其养护条件下强度顺序：空气中＞常温包裹中＞标准状况中＞土壤中＞水中.

本文结果对江门地区以及类似土层类别的地区实际项目具有一定的指导意义，今后希望对水泥土的抗折强度和抗渗性能等进行进一步的研究.