粉煤灰和硅灰对南昌典型土层水泥土强度影响

2021-06-18江守慈郭易盟苏德垠徐长节朱碧堂雷祖祥

华东交通大学学报 2021年2期

江守慈，郭易盟，苏德垠，徐长节，朱碧堂，雷祖祥

（1.福建岩土工程勘察研究院有限公司，福建福州350001；2.江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，华东交通大学，江西南昌 330013）

水泥搅拌桩技术是依照实际工程所需的配合比，通过搅拌设备将原位土和水泥胶凝材料充分搅拌后，使两者之间经过一系列物理化学反应硬化形成具有高强度、低渗透性桩体的技术，是一种用于加固地基、提升抗渗透性的地基处理方法。水泥土搅拌法所获取的水泥加固土体，可应用于承担竖向荷载复合地基、止水帷幕、基坑支护挡墙和被动区加固等[1]。水泥土凭借其经济性、高效性的特点在软弱地基处理[2]、基坑支护等工程实践中有着广泛应用。

近年来，国内外学者从各项影响因素出发，深入开展了水泥土的力学性质研究。Kaniraj等[3]研究得到水泥加固土体无侧限抗压强度与土体含水率、水泥掺入比和养护龄期之间函数关系。阮波等[4]通过正交试验法，得出影响水泥土无侧限抗压强度的最主要因素是水泥标号，其次是水泥掺量。梁仁旺等[5]研究了水泥土在各水泥掺入比梯度下抗压强度的增长规律。Uchaipichat[6]得出在同等养护压力情况下，水泥胶结粘土峰值应力随水泥掺量增加而增加。陈甦等[7]研究了不同形状、尺寸及端部边界条件对水泥土无侧限抗压强度的影响。Sharma等[8]借助线性回归模型建立人工加固土体无侧限抗压强度与多变量的经验公式。阮锦楼等[9]建立了水泥加固土无侧限抗压强度与掺入比和养护龄期的非线性回归方程。张天红等[10]围绕江苏地区典型软粘土开展室内水泥加固土稳定性研究，得到了外掺改良剂、水泥掺量、养护龄期以及养护环境等对强度增长的影响规律。李建军等[11]研究了水泥土材料抗压强度与棱柱体、立方体抗压强度的联系，并借助三轴试验得到了水泥土变形模量与抗压强度的函数关系。这些学者的研究表明，水泥土无侧限抗压强度与多种因素有关，且不同因素对其影响程度不同。

为了更好地服务于工程需要，改进水泥加固土的工程特性，常常在水泥土中添加一些掺合料形成复合水泥土。沈建国等[12]得出大掺量掺合料能够提升矿物掺合料复合地基水泥土的力学性能。徐威等[13]指出石粉作为一种活性外掺剂能大幅提高水泥土的强度。周承刚等[14]指出将粉煤灰掺入固化土中能够提高土体密实度，进而提高土体强度。陈峰等[15]研究发现粉煤灰水泥加固土变形模量会随着养护龄期的增长和粉煤灰外掺剂的添加逐渐提高。Chaipanich等[16]研究发现硅灰改性水泥浆的抗压强度明显高于普通硅酸盐水泥。王立峰等[17]研究了不同废灰掺量下的改性水泥复合材料的力学特性。岳喜兵[18]发现无侧限抗压强度会由于废弃硅粉的掺入得以明显提高。Choobbasti等[19]研究得出加入纳米二氧化硅可以使砂土的力学性能进一步提高。王文军等[20]通过纳米硅粉改性水泥土的室内配比试验，归纳总结了纳米硅粉改性水泥土的微观作用机理。根据学者们的研究可以发现，掺合料的掺入可以从不同程度上作用于水泥土材料性能，是提高水泥土强度的有效措施之一。

本文以南昌地区典型粉质粘土为对象，对配制水泥土的强度特性进行了试验研究，得到了掺合料（粉煤灰和硅粉）、水泥掺入比和养护龄期对水泥土的无侧限抗压强度的影响规律。

1 试验

1.1 试验材料

本试验用土采用南昌地区广泛分布的粉质粘土，土样取自南昌市南镇学校项目，其基本物理性质参数如表1。试验用水泥选用江西赣江海螺水泥有限责任公司生产的普通硅酸盐水泥P.O42.5。试验用外掺剂选择粉煤灰和硅粉，用于替代10%质量分数的水泥。试验用粉煤灰细度（45μm方孔筛筛余）为Ⅱ级，28 d活性指数为70%，主要成分是SiO和Al2O3，含量分别占比45%和24%。试验用硅粉细度为1 000目，主要成分是SiO，含量占比96%。

表1 试验土样的物理参数Tab.1 Physical parameters of the soil sample

1.2 试验方案与试样制备

配合比设计方案表如表2所示。试验中，水泥掺入比取20%，25%，30%，水灰比控制为1.0，粉煤灰和硅粉的占比均为10%。每组设置6个平行试验。

各材料用量根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T 233-2011）[21]的相关规定确定。试验前，将从工程现场取得的土样，经过自然晾晒风干后碾碎，再过5 mm筛子制成粉末状。根据配合比设计方案，称取试验用量的风干土、水泥、粉煤灰/硅粉和水倒入行星式搅拌机内搅拌至均匀，搅拌时间控制在20 min以内。试验采用边长为70.7 mm的三联立方体试模，装样前在试模内表面涂一薄层矿物油，方便后续脱模。装样时分两层插捣，每层按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣15次。模具装满以后，附着在振动台上振动2 min以上至振实，并刮平试模表面。试件成型后，盖上塑料薄膜密封并置于温度为（20±2）℃、相对湿度不低于95%的标准养护室中，养护48 h后进行脱模，部分试件如图1所示。拆模后，先用记号笔编号，并检查试件外观以及有无质量缺失；按试验设计需求，再将试样放回养护室分别继续养护至7，14，28 d的设计龄期，达到试验设计龄期后，取出进行无侧限抗压强度试验。

表2 配合比设计方案Tab.2 Scheme of the mix proportion design

图1 准备放入养护室的成型试件Fig.1 Typical molded samples ready to be put into the curing room

1.3 无侧限抗压强度试验

试验前，用拧干的湿布擦干试件表面，测量每块试块的重量与尺寸。无侧限抗压强度试验所用仪器为WHY-300/10微机控制压力试验机，最大量程为300 kN。以0.08 kN/s的速率连续均匀地对试件加荷，直至试件破坏后记录破坏荷载和对应的无侧限抗压强度。

试件的无侧限抗压强度按下式计算

式中：fcu为水泥土试件的无侧限抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N；A为试件的横截面积，mm2。

每组取6个平行试件的算术平均值作为该组试件的无侧限抗压强度，即峰值应力。在加载过程中，采集压力试验机的轴向压力和位移，换算得到相应的轴向应力和应变，并绘制出相应的应力-应变关系曲线图。取与峰值应力最接近的那个试件的应力-应变曲线作为该组试件的代表曲线。

2 试验结果与分析

2.1 水泥掺入比对无侧限抗压强度的影响

研究水泥掺入比对水泥土无侧限抗压强度的影响规律，得到了不同龄期下掺入粉煤灰和硅粉两种掺合料的水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系（图2）。当养护龄期为7 d时，水泥掺入比从20%提高到25%，硅粉水泥土的强度明显增大，而水泥掺入比从25%提高到30%，硅粉水泥土的强度增加缓慢；粉煤灰水泥土的强度随着水泥掺入比从20%提高到30%而线性增加；当养护龄期为14 d时，硅粉水泥土的强度依旧随着水泥掺入比的增加而增加；粉煤灰水泥土强度同样随水泥掺入比的增加而线性增加；当养护龄期为28 d时，水泥掺入比从20%提高到25%，粉煤灰水泥土的强度增长速度较快，水泥掺入比提高到30%，粉煤灰水泥土的强度增加速度变缓，硅灰水泥土强度随着水泥掺入比的增加而线性增加。

在相同养护龄期内，随着水泥掺入比的增大，水泥土的无侧限抗压强度逐渐提高，即水泥掺入比为30%时，试样的强度最大。

图2 无侧限抗压强度与水泥掺入比的关系图Fig.2 Relationship diagram of unconfined compression strength and cement ratio

2.2 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

通过研究掺合料改性水泥加固土无侧限抗压强度受养护龄期的影响规律，整理得到了掺入两种掺合料的试样无侧限抗压强度与养护龄期关系曲线（图3）。在相同水泥掺入比下，随着养护龄期的增长，粉煤灰水泥土和硅粉水泥土试样的无侧限抗压强度均呈增大的趋势。同时，水泥土试样强度在养护前期的增长速率较快，后期则增长相对较慢。以硅粉为例，硅粉主要由二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁和氧化镁等结晶矿物组成，是一种表面积很大，活性很高的火山灰物质。随着养护龄期的增加，由于其具有极强的火山灰效应，硅粉可以和水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，生成填充相对较大的水泥颗粒孔隙的胶凝产物，提高硬化体的力学性能，导致硅粉水泥土较粉煤灰水泥土随养护龄期的增长强度增幅更大。

图3 无侧限抗压强度与龄期的关系Fig.3 Unconfined compression strength versus curing time

2.3 掺合料对无侧限抗压强度的影响

为了研究掺合料种类的选取对水泥土无侧限抗压强度的影响，选取水泥掺入比为20%的试样，得到粉煤灰和硅灰两种掺合料对水泥土无侧限抗压强度影响情况（表3）。相同水泥掺入比及相同养护龄期条件下，硅粉水泥土相对于粉煤灰水泥土的无侧限抗压强度较大。

表3 无侧限抗压强度与掺合料选用的关系图（水泥掺入比为20%）Tab.3 Relationship diagram of unconfined compression strength and the selected admixtures（cement ratio is 20%）MPa

进一步比较硅粉和粉煤灰两种掺合料对水泥加固土强度提升效果，计算在同一养护龄期内，硅粉加固水泥土相对于粉煤灰加固水泥土的强度增长率（表4）。强度增长率是两种掺合料加固水泥土强度差值与较小强度的比值。由表4可得，7 d龄期时，水泥掺入比为25%时加固水泥土抗压强度提升最大，硅灰加固水泥土较粉煤灰加固水泥土的强度增加12.5%，水泥掺入比为20%和30%时，硅灰加固水泥土较粉煤灰加固水泥土的强度提升微小。养护时间到达14 d时，水泥掺入比为30%时加固水泥土抗压强度提升最大，而水泥掺入比为20%，25%时强度增幅效果不明显。当龄期到28 d时，水泥掺入比为20%，30%时加固水泥土抗压强度均有明显提升，水泥掺入比为25%时强度提升并不明显。由此可知，硅粉取代粉煤灰作为水泥土的掺合料对无侧限抗压强度提升有促进作用，在特定水泥掺入比和龄期时强度增幅较明显。

表4 硅灰加固水泥土相对于粉煤灰加固水泥土的强度增长率Tab.4 Strength growth rate of modified cement soil of silica fume compared with modified cement soil of fly ash%

2.4 水泥土应力应变关系

水泥土单轴受压的应力应变关系是最基本的本构关系，其应力应变关系曲线是水泥土力学性能的宏观体现。在加载变形过程中，水泥土试件的破坏模式如图4和图5所示，其中图4代表的是试件的塑性破坏，图5代表的是试件的脆性破坏。

不同水泥掺入比条件下，7，14 d和28 d龄期时，水泥土的应力应变关系曲线如图6所示。由图中曲线可以清晰看到，水泥土的变形过程大致可分为以下4个阶段：第1个阶段是压密阶段，在试件受荷初期，应力变化不明显，此时试样内部的孔隙结构开始闭合；第2个阶段是弹性变形阶段，随着试件的进一步压密，应力应变关系曲线近似呈直线；第3个阶段是屈服阶段，曲线开始偏离直线，试样变形随应力增加明显增大，此时试样外部出现明显微裂缝；第4个阶段是破坏阶段，当施加应力达到峰值时，试件发生破坏，此后应力随应变的增加迅速衰减。

图4水泥土的塑性破坏Fig.4 Plastic failure of cement soil

图5 水泥土的脆性破坏Fig.5 Brittle failure of cement soil

以硅粉加固土为例，绘制在不同水泥掺入比、养护龄期下水泥土的应力应变关系曲线（图6）。从图6中可以看出，在同等养护龄期内，随着水泥掺入比的增加，上升直线段斜率逐渐增大，同时曲线的下降段越来越陡。在水泥掺入比不变的情况下，随着养护龄期的增加，水泥土能承受的最大应力逐渐增加，对应的破坏应变逐渐减小，即水泥土破坏模式会随龄期增长由塑性破坏逐渐向脆性破坏发展。随着养护龄期的增加，线性阶段的曲线斜率也在逐渐增大，表明强度随养护龄期的增加而增大。