洞庭湖区掺粉煤灰水泥土性能试验研究

王 嵛， 黄耀英， 方国宝， 黄绪泉， 蔡 忍， 殷晓慧

(1.三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌443002； 2.长江勘测规划设计研究院， 湖北 武汉430010)

1 研究背景

洞庭湖位于我国湖南省北部，长江荆江河段以南，古称“云梦”。洞庭湖区[1-2]属于湖相沉积平原区，地形较平坦，其软土属于湖泊相沉积软土。湖区地基条件具有凝聚力小、抗剪强度低等特点，不宜直接作为建筑物的地基。近年来随着洞庭湖区经济的快速发展和大批的水利工程及道路交通工程的实施，洞庭湖区淤泥质地基软弱的问题越来越引起人们的重视，目前常采用水泥土搅拌桩加固的方法来提高地基强度。水泥土搅拌桩具有经济耐久、施工简便等特点[3]。粉煤灰作为一种常用的矿物外加剂，在混凝土工程中广泛应用，也可将其应用到水泥土地基处理中，可以起到减少水泥用量，降低工程成本的作用。

针对以水泥中掺入粉煤灰作为胶凝材料的水泥土桩法在加固地基工程中表现出的优良特性，目前国内外专家针对掺粉煤灰水泥土开展了一系列研究[4-7]，认为粉煤灰可作为胶凝材料来替代部分水泥，并不影响其最终强度。但上述研究仅限于对水泥土强度的定性认识。而关于掺粉煤灰水泥土无侧限抗压强度模型研究方面，Cheng等[8]通过引入粉煤灰水泥掺量的不确定性参数α和搅拌过程中不均性参数β两个随机变量，建立了掺粉煤灰水泥土的强度预测模型，并且利用试验数据对预测模型进行了验证；周海龙[9]通过室内试验数据建立了考虑水泥掺入比、粉煤灰掺量、龄期的非线性水泥土强度预测模型，并且进行了验证；Jongpradist等[10]通过水泥土室内实验数据，建立了关于水胶比的水泥土无侧限抗压强度预测公式；蒙强等[11]通过水泥土室内试验，提出了水泥粉煤灰固化土的强度预测经验公式。虽然上述模型可以求解不同龄期、不同粉煤灰掺量下的水泥土无侧限抗压强度，但是模型形式较为复杂，并且拟合效果较为一般。同时，粉煤灰对于水泥土强度的影响与所使用粉煤灰及当地土壤的化学成分有很强的相关性，具有一定的地域性[12]；在对洞庭湖区水泥土的研究中，现有研究多是针对水泥掺入比、水泥标号及含水率等因素对水泥土无侧限抗压强度的影响[13-14]。为此，本文结合洞庭湖区某分洪闸地基加固工程，选取现场地基土样，首先开展室内试验，对于不同粉煤灰掺量的水泥土试件进行无侧限抗压强度、含水率及pH值的测定，得到洞庭湖区粉煤灰水泥土在不同粉煤灰掺量下的物理特性变化规律。进而参考混凝土抗压强度模型中常用的组合指数式表达式[15]，考虑粉煤灰掺量对粉煤灰水泥土无侧限抗压强度的影响，基于无侧限抗压强度试验数据，建立洞庭湖区考虑不同粉煤灰掺量的水泥土抗压强度组合指数式预测模型。

2 粉煤灰水泥土特性试验设计

2.1 试验材料

本次试验所用土样取自洞庭湖区某分洪闸闸基部位，取土深度约为3～4 m，土质较为粘稠，颜色为深棕色，有腥味，土的物理力学参数及Ⅱ级粉煤灰的基本化学成分如表1、2所示；水泥采用P.O.42.5石门海螺牌普通硅酸盐水泥；试验用水采用符合国家标准的试验室自来水。

2.2 试验方案

本次试验为了研究洞庭湖区粉煤灰水泥土在不同粉煤灰掺量下的无侧限抗压强度、含水率及pH值的变化规律，根据《水泥土配合比试验规程》(JGJ/T 233-2011)[16]及洞庭湖区某分洪闸工程施工现场水泥土搅拌桩所用配合比(水胶比为0.7，胶凝材料掺量为18%)，结合室内试验相关设备以及原材料，设计了标准养护状态下4种不同粉煤灰掺量水泥土试验组S1～S4，每种试验组下设计7、14、28、60、90 d共计5种典型龄期，每个龄期下成型3个7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm试件。当水泥土达到试验龄期时，取出该龄期下所有试件，测定无侧限抗压强度、含水率以及中心部位土样溶液pH值，由此得到不同掺量水泥土试验方案如表3所示。由《水泥土配合比试验规程》(JGJ/T233-2011)[16]以及设计的水胶比得到4组试验的材料配比。

2.3 试验方法

按照2.2节设计方案，进行室内水泥土试件成型，成型后将试件放入恒温恒湿养护箱(养护温度为20±5℃，养护湿度≥95%)进行养护，待到设计龄期时取出试件，进行水泥土无侧限抗压强度测定、土样含水率测定及土样pH值测定。

表1 试验土样的主要物理力学参数

表2 试验粉煤灰主要化学成分及含量 %

表3 掺粉煤灰水泥土试验方案

2.3.1 水泥土抗压强度测试 待试件养护至设计龄期，即取出该龄期下所有试件，进行水泥土无侧限抗压强度测试，室内试验仪器实物图如图1(a)所示。

图1 水泥土抗压强度、含水率及pH值测定仪器

2.3.2 土样含水率测定 取已测试件中心部位土体15～30 g，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)[17]进行测定。首先测定干燥盒质量ms，然后将土样放入的干燥盒中，进行称重，记录湿土与干燥盒的总质量m1，之后在干燥箱内进行干燥后再次称重，得到干燥后土样与干燥盒的总质量m2，计算得到土样含水率α如公式(1)所示，仪器实物图如图1(b)所示。

(1)

2.3.3 土样pH值测定 取已测试件中心部位土体10 g，碾压至细粒状，在烧杯中配置土水比为1∶5制备土样溶液。静置30 min后，测定其上层清液的pH值，仪器实物图如图1(c)所示。

3 试验结果与分析

根据第2节的试验方法，得到S1～S4号试件组在设计龄期的的无侧限抗压强度值、含水率及配制土样溶液测定上清液的pH值的试验结果如表4所示。

表4 掺粉煤灰水泥土不同龄期试验结果

注：由于实验室pH计损坏，未测定90d龄期水泥土试件土样溶液pH值。

3.1 掺粉煤灰水泥土无侧限抗压强度试验结果分析

由表4所得数据，得到4组试验组抗压强度随龄期变化曲线和抗压强度随配合比变化曲线如图2所示。

从图2(a)中可以发现在同一组试验组中，水泥土试件无侧限抗压强度随着龄期增大而增大，但增长速率随龄期逐渐减小；在早龄期(28 d龄期之前)，4组试件的无侧限抗压强度随粉煤灰掺量的增大而减小，这是由于4组试件组水胶比一致，粉煤灰掺量的提高使得水泥土中的水泥用量相应减少，抗压强度随着水泥用量的减少而降低。

由图2(b)可知，在60 d龄期以前，试件强度随着粉煤灰掺量的增加而降低；但在90 d龄期时，4组试件抗压强度较为接近。这是由于水泥土中的水化反应已趋近完成，粉煤灰首先改善了土体的颗粒级配，使原本内部较为松散的结构变得更加紧密，其次粉煤灰具有非均质性，在水泥浆体中具有良好的填充作用[4]。另外，由于粉煤灰的容重只有水泥的2/3左右，掺入粉煤灰能够提高水泥土试块微观结构的密实性，所以适当掺加粉煤灰能够提高水泥土的后期强度。

3.2 掺粉煤灰水泥土含水率试验结果分析

由表4所得试验数据，得到4组试验组含水率随龄期的变化曲线和含水率随配合比变化曲线如图3所示。

从图3(a)中可以发现，在14 d龄期以前，S1、S4号试件组的含水率随龄期的增加而增加，S2、S3号试件组的含水率随龄期的增加而减小；在14～28 d龄期时，4组试件组的含水率随龄期的增加而增加；在28 d龄期以后，4组试件组的含水率随龄期的增加而减小。

由图3(b)中可以发现，在同一龄期下，4组试件的含水率随着粉煤灰掺量的增加而增加，在0～90 d龄期、10%和20%粉煤灰掺量(S1和S2号)试件组含水率始终小于无粉煤灰掺量(S4号)试件组，30%粉煤灰掺量(S3号)试件组含水率始终大于无粉煤灰掺量(S4号)试件组，10%、20%粉煤灰掺量(S1、S2号)试件组由于粉煤灰的掺入，粉煤灰在水泥浆体中发生水化反应，消耗了部分水量，导致10%、20%粉煤灰掺量(S1、S2号)试件组含水量较无粉煤灰掺量(S4号)试件组低；但30%粉煤灰掺量(S3号)试件组由于粉煤灰掺量过高，导致水泥土中有效水胶比上升，在高水胶比的浆体中，由于粉煤灰水化程度有限，消耗的水分较少，所以其含水率较无粉煤灰掺量(S4号)试件组高。

3.3 掺粉煤灰水泥土pH值试验结果分析

由表4所得试验数据，得到4组试验组pH值随龄期的变化曲线和pH值随配合比的变化曲线如图4所示。

土木工程建筑结构的设计合理与否，关乎到建筑施工是否可以得到顺利开展与建筑本身是否可以得到有效应用。但是在具体施工过程中，由于设计方案中一些具体标识不够规范与标准，使施工的相关人员产生误解，影响到设计方案的正确运用，使建筑结构设计价值不能充分发挥其价值，这需要设计人员对后续设计工作的开展加强重视，与施工方保持良好的联系，保证设计方案能够得到有效的实施。

从图4(a)中可以发现在同一组试验组中水泥土土样溶液pH值随着龄期的增加而降低；这是由于随着龄期的增长，试件内部的水泥被消耗，导致土样溶液的pH值随着龄期的增加而降低。4组试件土样溶液的pH值均在12以上，处于强碱环境，强碱环境有助于水泥土的强度增长。

由图4(b)可知，同一龄期下，4组试件的pH值随粉煤灰掺量的增加而降低，这是由于4组试件组的水胶比一致，粉煤灰掺量的提高会减少水泥用量，导致同一龄期下，S1～S4号试件组的pH值随粉煤灰掺量的增加而减小。

4 考虑粉煤灰掺量的水泥土抗压强度模型

从上述试验结果可以看出，水泥土中粉煤灰掺量以及龄期对其力学性能的发展具有重要影响。目前的水泥土工程中，各种外加剂和新型材料的广泛使用，使得影响水泥土力学性能发展的因素越来越多，水泥土力学性能发展更为多变，现有文献报导的考虑粉煤灰掺量的水泥土抗压强度模型多是采用非线性经验模型，但是此类模型形式较为复杂，并且拟合效果较为一般。为此，本文在混凝土抗压强度模型中常用的组合指数表达式[15]的基础上，考虑粉煤灰掺量对粉煤灰水泥土无侧限抗压强度影响，建立考虑粉煤灰掺量的水泥土抗压强度模型：

e-(1-wFA/A)miτ)]

(2)

式中：θcs为水泥土抗压强度，MPa；τ为龄期，d；wFA为粉煤灰掺量，%；λ、mi、A均为常数。考虑到组合指数式便于进行数学计算，对于常规90 d龄期试验资料，可取2项；对于长龄期试验资料，可取3～4项。考虑到本次试验粉煤灰掺量较大，水泥水化作用延迟，龄期为90 d，故在公式(2)中取2项可满足精度，即：

e-(1-wFA/A)m1τ]+θ2[1-e-(1-wFA/A)m2τ]}

(3)

(4)

上述属于非线性规划约束极值问题，可用非线性规划的方法求解，如复合形法、序列线性规划法、粒子群法等[18]，由于复合形法适合解决有约束的优化问题[19]，且算法较简单，故本文采用复合形法求解待确定参数。根据3.1节试验数据，采用复合形法的优化算法对考虑不同粉煤灰掺量水泥土无侧限抗压强度的计算模型进行参数标定，具体参数如表5所示。

图2 无侧限抗压强度试验结果

图3 含水率试验结果

图4 pH值试验结果

为了验证本文模型的实用性和准确性，在之前试验的基础上，补充一组相同条件下粉煤灰掺量25%的试件组，该试件组下设计3、7、14 d共计3种典型龄期，每个龄期下成型3个用于进行无侧限抗压强度试验的水泥土试件。之后结合试验实测数据与模型拟合数据对模型预测效果进行对比分析，具体预测结果如图5所示。

表5 考虑粉煤灰掺量的水泥土抗压强度模型参数

由图5可以看出，建立的水泥土无侧限抗压强度组合指数式模型能较好地描述粉煤灰掺量和龄期对水泥土强度增长规律的影响，相关系数分别为0.9993、0.9908、0.9959、0.9884、0.9977；相对误差分别为12.78%、13.05%、4.85%、11.35%、8.09%。

5 不同粉煤灰掺量方案比选

通过上述试验结果与分析可以发现，不同粉煤灰掺量会导致水泥土试件无侧限抗压强度、含水率及试件中心部位土样溶液pH值的不同；同时粉煤灰作为工业固体废料，在水泥土桩工程中作为部分胶凝材料替代物，既做到了废物利用，又可节约施工成本。为此，本节选取水泥土试件无侧限抗压强度、含水率、pH值以及施工成本4项指标，对水泥土不同粉煤灰掺量方案进行综合比选，具体如表6所示。

图5 不同粉煤灰参量抗压强度随龄期变化实测值与模型拟合值对比

表6 不同粉煤灰掺量方案比选

注：通过查找资料，常用的P.O.42.5普通硅酸盐水泥均价为：450元/t，Ⅱ级粉煤灰均价为：200元/t。

由表6可知，从安全性角度来看，20%、30%粉煤灰掺量(S2、S3号)试件组，在90 d龄期时抗压强度最大，其中20%粉煤灰掺量(S2号)试件组在28 d时强度较高；从经济性角度来看，20%、30%粉煤灰掺量(S2、S3号)试件组施工成本最低，分别为95.96、83.78元/m3；从适用性角度来看，在施工过程中，掺加粉煤灰无需增添其他工序，施工工艺也较为便捷。综合上述分析，建议洞庭湖区水泥土中粉煤灰掺量应在20%左右为宜。

6 结 论

结合洞庭湖区某分洪闸淤泥质地基处理工程，首先在室内开展了不同粉煤灰掺量的水泥土试件的无侧限抗压强度、含水率以及中心部位土样溶液pH值的测定试验，然后探讨建立了不同粉煤灰掺量的水泥土无侧限抗压强度的组合指数式模型；通过对试验数据以及计算结果的分析得出以下结论：

(1)水泥土试件无侧限抗压强度在60 d龄期前，随着粉煤灰掺量的增加而降低；但在90 d龄期时，4组试件强度值较为接近，20%粉煤灰掺量试件组抗压强度最大；水泥土试件含水率在28 d龄期之前规律不明显，28 d龄期之后，含水率随着粉煤灰掺量的增加而增加；水泥土试件中心部位土样溶液的pH值始终随着粉煤灰掺量的增加而降低。

(2)通过组合指数表达式拟合考虑粉煤灰掺量的水泥土抗压强度模型，并进一步通过复合形优化算法对模型中相关参数进行标定，得到在水胶比为0.7、粉煤灰掺入比为0～30%的水泥土抗压强度模型，模型计算值与实测值拟合精度良好，相对误差均小于15%，这种研究方法及所得结果可为实际工程设计提供参考。

(3)对于洞庭湖区这类淤泥质土，不宜掺加过多粉煤灰，过多粉煤灰会使水泥土中有效水胶比上升，导致含水率的升高，对水泥土的强度不利，从上述试验结果来看，建议洞庭湖区水泥土中粉煤灰掺量在20%左右为宜。