武汉地区粉煤灰和膨润土双掺合剂水泥土性能改良试验研究

陈 律， 胡福洪， 胡 刚

(1.中机三勘岩土工程有限公司，湖北 武汉 430000； 2.武汉地质勘察基础工程有限公司，湖北 武汉 430072；3.中匠民大国际工程设计有限公司恩施分公司，湖北 恩施 445000)

0 引言

随着城市建筑的不断兴起，以及社会各界对环境友好型施工方式的倡导和追求，水泥土搅拌桩这种新型的施工技术在地基处理和基坑支护中越来越常见。这种施工方式具有能很好地利用原场地的条件、降低施工成本和减少排放等优势，且能适用于淤泥、淤泥质土、砂质土、粉土、泥炭土中[1]。水泥土搅拌桩在武汉和上海等地都已成功应用[2-4]。

水泥土广泛应用于土体加固工程，强度与加固效果密切相关。林云腾[5]、阮波等[6]通过总结前人的研究结果，得出影响水泥土强度的因素很多，其中影响水泥土无侧限抗压强度的因素重要性次序分别为水灰比、水泥掺量、搅拌时间；陈达等[7]通过大量试验，发现在实际工程应用中除非对强度有特别要求，一般情况下选用掺入比为0.15～0.20较为合适；陈燕平[8]通过试验发现水泥强度每提高一个强度等级，对应水泥掺入比可适当降低2%～3%；艾志伟等[9]研究发现强度随土体含水量、有机质含量的减少而增强；水泥掺入比和养护龄期的增大而增强，且水泥土搅拌越充分，强度越高；游波等[10]研究发现水泥土应力-应变关系曲线都可分为压密阶段、弹性阶段、塑性强化阶段和应力衰减阶段4个阶段；水泥掺量和养护龄期的增加能够减小水泥土的弹塑性变形；干密度和含水率的增加能够增加水泥土的弹塑性变形。

现阶段武汉地区基坑大多采用坑内降水井进行降水和坑外利用水泥土搅拌桩形成止水帷幕隔水相结合的方式来达到基坑内止水和降水的效果，且在湖北省基坑技术规程中提到在水泥土中可以加入适量的膨润土，进而提高水泥土的稳定性和抗渗性，但就具体的掺量未做说明。膨润土是一种分布广且对工程建设有特殊危害的土，它的主要成分为含蒙脱石的粘土矿物，具有高胀缩性、强亲水性、易开裂、强度变化很大等特征[11]。侯少华等[12]通过在南水北调实际工程地基处理的实践表明，采用水泥改性土或水泥土处理膨胀土地基可明显改善地基的性质，施工效果较好，能够应用到实际工程中；朱伟等[13]从力学强度、体积安定性、渗透特性及干湿耐久性等方面对采用膨润土为辅助添加剂固化处理的污泥固化体进行了岩土工程性质的效果评价，试验结果表明,膨润土的掺入能保证低水泥掺入量下固化体的强度增大、渗透性降低、安定性和耐久性提高。除此之外，任素琴[14]研究了粉煤灰掺量对水泥土强度的影响，结果表明：随着粉煤灰掺量增大，无侧限抗压强度增大；刘成才等[15]通过试验发现试样渗透系数和强度损失率随粉煤灰掺量增加先减小后增大，转折点粉煤灰掺量为12%；谢德良[16]研究认为水泥土中掺加粉煤灰能够使水泥土的后期强度得到大幅度的增强，但在一定程度上减小了早期强度，并提出了最佳粉煤灰掺入比为8%；李俊哲等[17]发现随着粉煤灰掺量的增加，早期抗压强度逐渐减小，后期抗压强度则明显提高，掺入硅粉不仅显著改善水泥土早期抗压强度，且明显提高其后期抗压强度。

本文在前人研究的基础上，研究膨润土和粉煤灰双掺合剂对水泥土的无侧限抗压强度和抗剪强度的影响以及探究双掺合剂的最佳掺入比。

1 研究内容

本试验依托武汉天地B4B5基坑支护工程、钰龙广场基坑支护工程、花桥村城中村改造等基坑支护工程，探究粉煤灰和膨润土的掺量对武汉地区粉砂质水泥土相关性能的影响，为武汉地区类似工程项目提供设计和施工指导，具体试验内容如下：

(1)试验中所用水泥为华新PO 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰和膨润土取自武汉某施工场地，并烘干过2 mm标准筛。确定以膨润土(钠基膨润土、钙基膨润土)、粉煤灰为主要添加物水泥土配合比设计方法，根据设计强度计算相应水泥土配合比。

(2)采取正交试验设计方法，取钠基膨润土掺量、粉煤灰掺量2个因素，其中钠基膨润土取0、5、7、9、11 kg/m3五个水平试验，粉煤灰体积掺量取0、10%、20%、30%、40% 五个水平试验，设计并计算出对应水泥土的配合比，分别制作7、28、90 d试验所需试件。

(3)完成7、28、90 d水泥土试件的抗压强度和抗剪强度等试验，记录并分析数据，分析研究粉煤灰、钠基膨润土对不同龄期水泥土性能的影响。

(4)根据试验结果确定以粉煤灰和钠基膨润土为主要掺加物的水泥土最优配合比。

2 试验方案

通过前期的试验调整，按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ T 233-2011)确定抗压试块为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体，抗剪试样为Ø50 mm×100 mm的圆柱体，共计63个，并对各材料按照配合比进行计算。最终确定水泥土的配比(见表1)。

在本次实验中，同一配合比的水泥土放在同一搅拌锅内搅拌。将代表性的土样按照配合比设计称重之后投入搅拌锅中搅拌，时间为5 min左右，确保搅拌均匀。根据水泥掺入比和水泥浆的水灰比，称取相应的水泥和水，掺和搅拌后配置成水泥浆。将配置好的水泥浆充分搅拌，直到搅拌均匀，制备好的试样如图1所示，最终放入养护池中进行标准养护。

表1 水泥土的配比设计

图1 制备好的水泥土试样

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度试验

根据《水泥土配合比设计规程》(JGJ T 233-2011)，每组无侧限抗压强度的试验试件为6个，在试样养护7、28、90 d后进行脱模，并利用万能试验机测试水泥土试样的抗压强度，水泥土不同龄期的抗压强度如图2所示。由图2可知，水泥土养护7 d时，当膨润土掺量为11%和粉煤灰掺量为10%时抗压强度最大；水泥土养护28 d时，当膨润土掺量为11%和粉煤灰掺量为20%和30%时抗压强度最大；水泥土养护90 d时，当膨润土掺量为7%和粉煤灰掺量为30%时抗压强度最大。

水泥土的强度随着龄期的增长而提高，一般在龄期超过28 d后仍有明显增长，本试验为积累地区经验，进行了90 d龄期的水泥土抗压强度试验，其90 d抗压强度如图3所示。由图3(a)可知，随着粉煤灰的掺量的提高，水泥土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势且在粉煤灰掺量为20%和30%时水泥土抗压强度达到最高；由图3(b)可知，除了粉煤灰掺量为30%外，随着膨润土掺量的提高，水泥土抗压强度呈现先减小后缓慢增加，且均小于未掺加膨润土时的强度。

图2 水泥土不同龄期的抗压强度

3.2 抗剪强度试验

水泥土抗剪强度试验试样采用Ø50mm×100mm，制备3组共12个试块，施加于试件的垂直压力分为4级，每级分别为100、200、300、400 kPa。以3组试件的平均值作为每级垂直压力下的抗剪强度值。并对其每级垂直压力的抗剪强度平均值进行以垂直压力p为横坐标，抗剪强度平均值s为纵坐标进行拟合。所得到的拟合直线的倾角为内摩擦角φ,直线的纵坐标上的截距为粘聚力c，拟合方式如图4所示。最终得到的水泥土在不同的膨润土掺量的抗剪相关参数c和φ如图5所示。

图3 水泥土90 d抗压强度对比

图4 第一组数据拟合示例

图5 水泥土在不同的膨润土掺量时的抗剪强度

由图5可得，龄期为7和28 d的水泥土，随着膨润土和粉煤灰掺量的提高，水泥土的抗剪参数指标变化趋势不明显,但龄期为28 d的水泥土的粘聚力c和内摩擦角φ较7 d有所增大。龄期为90 d的水泥土，随着膨润土和粉煤灰掺量的提高，水泥土的粘聚力c呈现先递增后缓慢减小；当膨润土掺量为0、粉煤灰掺量为20%时，水泥土的粘聚力c达到最大值；当膨润土掺量为5%、7%、9%、粉煤灰掺量为30%时，水泥土的粘聚力c达到最大值；当膨润土掺量为11%、粉煤灰掺量为20%时，水泥土的粘聚力c达到最大值。

4 结论与展望

4.1 结论

本文通过对不同掺量的膨润土和粉煤灰双掺合剂水泥土抗压强度和抗剪强度参数指标的研究和对比分析，得到以下结论。

(1)粉煤灰和膨润土双掺合剂改良水泥土的抗压强度随着龄期的增加而变化，当粉煤灰和膨润土掺量分别为40%和11%时，28 d的水泥土抗压强度最大，为7.30 MPa；当粉煤灰和膨润土掺量分别为20%和7%时，90 d的水泥土抗压强度最大，为7.19 MPa。

(2)粉煤灰和膨润土双掺合剂改良水泥土的抗剪强度参数粘聚力随着龄期的增加而变化，当粉煤灰和膨润土掺量分别为20%和11%时，28 d的水泥土抗剪强度参数粘聚力c最大，为1144.8 kPa；当粉煤灰和膨润土掺量分别为30%和5%时，90 d的水泥土抗剪强度参数粘聚力c最大，为1753.71 kPa。

(3)通过对比粉煤灰和膨润土改良水泥土的抗压强度和抗剪强度，粉煤灰和膨润土改良的水泥土的抗压强度和抗剪强度均有明显的提高，并发现本次实验的粉煤灰的最佳掺量为20%～30%，膨润土的最佳掺量为5%～11%。

4.2 展望

近年来，水泥土在武汉地区的实际工程中应用越来越广泛，本文的研究成果可以为武汉地区的粉煤灰和膨润土改良水泥土的现场施工提供参考依据。测试结果受到试样制作方法、试样均匀性、养护条件(养护池养护7～90 d)等因素的制约和影响，势必会对测试结果造成影响，如何减少试样制作方面的影响以及水泥土的抗渗性能，有待进一步的研究探索。