水泥固化黏土抗压强度试验研究

徐少成 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

1 引言

水泥固化土就是以土为主要骨料，以硅酸盐水泥为胶凝材料，经过搅拌以及成型养护凝结硬化的坚硬材料。水泥固化土是一种具有经济效益、环保节约的建筑材料。目前水泥固化土广泛用于道路基层、渠道衬砌以及民用建筑的地基加固等工程领域。工程中存在水泥固化土抗压强度不高，胶凝材料用量大、固化成本高等问题，制约了水泥固化土的进一步发展。降低水泥土的固化成本以及提高固化抗压强度成为学者重要的研究内容。文献[1]研究了石灰和粉煤灰对改良的砂性土的应力应变特性以及粉煤灰与石灰之间的火山灰反应对砂性土固化强度的影响。王文军[2]认为掺加适量的纳米硅粉，能够大幅度地提高水泥土的强度，纳米硅粉通过消耗水泥水化产生的氢氧化钙晶体，促进水泥水化速度和水化程度，改善其内部结构，使水泥固化土更加密实。欧阳克连、宁宝宽[3]认为水泥土的抗压强度的提高与土的种类密切相关，在相同水泥掺量、养护条件下，粉质黏土的强度要明显的高于粘土和淤泥质土，淤泥质土固化强度最低。邵光辉[4]认为碱性环境有利于水泥土固化强度的提高，在酸性环境下，由于水泥水化反应生成的氢氧化钙被消耗，导致水化硅酸钙凝胶生成量较少，水泥土的强度有所下降。肖武权[5]认为土颗粒越细，水泥加固土的强度越低。含水量越高的土水泥固化后强度越低，加入粉煤灰和外掺剂能增强水泥固化土的强度。

因此，为更深入挖掘水泥固化土的作用，降低水泥固化黏土的固化成本，扩大水泥土在工程中的应用范围，文章系统地研究水泥、粉煤灰、砂、石子等掺量对固化黏土抗压强度的影响。

2 原材料及试验

2.1 原材料

①黏土。本实验所用的黏土取自合肥市某工地基坑，测得土样的含水率w为56.1%，密度ρ为1.87g·cm-3，土粒相对密度ds为2.76，孔隙比e为0.916，塑限wp为27.4%，液限wL为68.9%，塑性指数Ip为41.5，液性指数IL为0.69，土样的孔隙比大，天然含水量高，呈可塑状态。

②水泥。本实验所用水泥为巢湖海螺牌42.5级的普通硅酸盐水泥，其有关的技术指标如表1所示。

硅酸盐水泥的各项指标 表1

③粉煤灰。粉煤灰取自合肥某电厂Ⅰ级粉煤灰，比表面积为376m2/kg，颗粒细度比较细，粒径在0.5μm～90.0μm之间。其化学成分如表2所示。

粉煤灰的化学组成 表2

④天然砂。由合肥某建材有限公司提供。主要性能指标：最大粒径为5.5mm，细度模数为1.76，属于细砂，表观密度为2657.4kg/m3，堆积密度为1247.8kg/m3，含泥量为1.3%，级配符合要求。

⑤石子。石子由合肥某建材有限公司提供，其粒径在2mm～16mm连续级配，石子的表观密度为2476.7kg/m3，堆积密度为1294.5 kg/m3。

2.2 试验方法

将取来的湿黏性土风干或者烘干，然后将其过5mm筛，然后计算出占干土掺量质量比的水泥、粉煤灰用量，占干土体积掺量比的砂、石用量。将干土分别与不同原料掺量放在搅拌锅内搅拌均匀，然后加入所需要的水，使土的含水率达到取土时天然含水率56%。然后充分搅拌直至混合料搅拌均匀，最后开始浇筑模具制备试样。试块的尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，当龄期达到3d后拆模将试块放到标准养护室中养护。标准养护室内保持湿度95%左右，温度20℃左右。试样养护到一定的龄期后，取出进行无侧限抗压强度。每组做三个试样，以三个试块抗压强度均值作为该组实验结果，若其中最大或最小值与中值的差大于中值的15%，则取中间值作为混凝土抗压强度值，若最大值、最小值两者和中值差距大于中值的15%，则该值试验无效，重新试验。

3 试验结果与分析

3.1 水泥掺量对固化黏土抗压强度的影响

首先对水泥掺量下的黏土进行抗压强度测试。水泥掺量比为占干土的质量比，实验结果如图1所示，从图中能够看出不同龄期下固化黏土的抗压强度随水泥掺量的增加而逐渐提升，当水泥掺量在9%以下时，固化黏土的抗压强度增长较缓，当掺量超过9%时，固化黏土的抗压强度增长较快。28d龄期下水泥掺量比为18%时，掺量比为6%时能高出4.18MPa。水泥固化黏土强度增长的主要原因有两个方面：一方面是当水泥掺量增多时，水泥与黏土中的水拌合后，水泥颗粒表面的熟料矿物立即与水发生化学反应，形成水化硅酸钙，水化硅酸钙不溶于水，并立即以胶体微粒析出，逐渐形成水化硅酸钙凝胶，凝胶将黏土固化，使其抗压强度显著增加；另外一方面是水泥水化时产生的氢氧化钙与黏土中的活性物质之间产生胶结作用，使其强度得到提高[6]。但是考虑到水泥目前价格比较高，水泥的掺量不能无限增加，所以应该采取措施降低水泥固化土成本。

图1 水泥掺量对固化黏土抗压强度的影响

3.2 粉煤灰掺量对固化黏土抗压强度的影响

粉煤灰是发电厂的主要固体废弃物，价格比较低。粉煤灰可以按照一定的比例替代水泥，节约成本，同时可以提高固化黏土的抗渗性和干缩性。用粉煤灰替代硅酸盐水泥作为胶凝材料也是如今较为热门的应用之一。本次实验保持水泥的掺量比为12%固定不变，然后在水泥中加入掺量梯度变化的粉煤灰。粉煤灰的掺量比在0%、3%、6%、9%、12%之间变化，粉煤灰的掺量比为占干土的质量比。实验结果如图2所示，从图中能够看出随着粉煤灰掺量的增多，不同龄期下的固化黏土抗压强度持续增加。28d龄期下当粉煤灰掺量比为12%时，能够比不掺粉煤灰的试件抗压强度提高0.38MPa。这是因为粉煤灰作为胶凝材料会发生火山灰反应，粉煤灰微小玻璃球颗粒在碱性环境下不断生成水化反应产物，这些微小水化产物颗粒的生成不断地分布于土和水泥水化产物之间，固化黏性土颗粒，使黏土颗粒更加密实，提高了固化黏土的抗压强度[7]。从图2中能够看出7d龄期时，强度随粉煤灰掺入量的增加强度增长比较平缓，后期强度随粉煤灰掺入量的变化，增长较为迅速，才呈现出较大的区别。所以粉煤灰对固化黏土的早期强度影响不是很明显，主要是影响其后期强度。从图2中也可以看出粉煤灰对水泥固化黏土的提高作用有限，并不能显著地提高固化黏土的抗压强度。

图2 粉煤灰掺量对固化黏土抗压强度的影响

3.3 砂掺量比对固化黏土抗压强度的影响

相比于水泥的价格，砂具有价格低廉的优点，并且砂的来源广泛。本文通过在水泥固化土中加入一定量的砂来研究掺砂对水泥土强度的影响，为水泥土抗压强度提高以及降低固化成本提供新的思路。砂掺量比对固化黏土抗压强度的影响如图3所示。水泥的掺量比为占干土质量的12%保持不变，砂的掺量比为砂的体积占干土体积的比值，砂的体积比分别为0%、10%、20%、30%。从图3中能够看出随着砂的掺量体积比的增加，固化黏土的抗压强度持续增加，增加效果比较显著。当砂的掺量体积比为30%，28d的固化抗压强度为4.68MPa。能够比不掺砂的基准对照组高出1.80MPa。掺砂能够显著提高固化黏土的强度的原因主要是砂颗粒的置换作用以及水泥水化形成的水化硅酸钙的胶结作用，砂、黏土颗粒以及水化产物胶结在一起，砂能够在其中提供骨架的作用。随着龄期的增加，水泥水化硅酸钙将黏土颗粒和砂颗粒胶结成整体，各种材料之间的孔隙被水化产物填充，固化黏土密实性显著提高，抗压强度显著增加[8]。

图3 砂掺量比对固化黏土抗压强度的影响

3.4 石子掺量比对固化黏土抗压强度的影响

石子的粒径比砂的粒径大，在固化黏土中加入小石子目前研究还比较少。为了充分降低固化黏土的成本，本文研究了在固化黏土加入小石子。石子掺量对固化黏土抗压强度的影响见图4所示。石子的掺量比为石子的体积占干土体积的比值，水泥的掺量保持为干土质量比的12%不变，石子的掺量比在0%、10%、20%、30%之间呈梯度变化。从图4能够看出随着石子的掺量体积比的增加，固化黏土的抗压强度持续提高。当石子的掺量体积比为30%时，28d龄期下固化黏土的抗压强度为5.08MPa，能够比不掺石子的基准对照组高出2.20MPa。石子掺量能显著提高固化黏土抗压强度的主要原因是石子能在固化黏土之间形成空间骨架，石子和水泥形成的密实结构可以有效地提高固化黏土的抗压强度[9]。另外一方面随着石子体积比的增加，相对地导致黏土所占的体积减小，黏土所占的体积小，使得水泥固化黏土更加容易。

图4 石子掺量比对固化黏土抗压强度的影响

4 结论

①水泥掺量的增加可以显著地提高固化黏土的抗压强度。水泥掺量越高，固化黏土抗压强度增长越快。

②水泥中加入粉煤灰作为胶凝材料固化黏土可以提高抗压强度。粉煤灰对水泥固化土的早期强度影响比较小，主要是影响其后期强度，但是粉煤灰对固化黏土强度的提高有限。

③在水泥固化黏土中掺入一定量的砂，能够有效地增加抗压强度。砂提高固化黏土抗压强度增加的主要是水泥水化产物的胶结作用和砂颗粒在黏土中间的骨架作用，使得固化黏土更加密实，使抗压强度增加。

④固化黏土中掺入一定量的石子，可以有效地增加抗压强度，其当石子的掺量超过20%时，固化黏土的增长迅速。适量石子的加入，可有效提高水化结构体系的密实性，与砂相比而言，石子的掺量对水泥土强度的提高更加的明显。