水泥-粘土复合粉混合砂浆早期强度研究

陈欢 刘飞 张健 程阳 何国顺 王延磊

摘 要：本文利用室内试验，对水泥-粘土复合粉混合砂浆早期强度进行研究，对不同龄期、掺量对水泥土强度影响进行分析，得到材料应力-应变全过程曲线，得到合适水泥土配比。通过分析试验结果表示，水泥土无侧限抗压强度在龄期不断增长过程中不断的增大，养护龄期为7～21d时候的无侧限抗压强度迅速增长。添加水泥能够对土体性能进行改善，并且在水泥掺量增长过程中增加。添加适量的粘土，此混合砂浆材料能够在注浆加固工程中使用。

关键词：水泥;粘土;砂浆;混合砂浆

中图分类号：TB33  文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0094-04

Study on Early Strength of Cement - clay Composite Powder Mixed Mortar

Chen Huan， Liu Fei， Zhang Jian， Cheng Yang， He Guoshun， Wang Yanlei

（School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China ）

Abstract：In this paper， using the laboratory test， the early strength of cement-clay composite powder mixed mortar was studied， the influence of different ages and dosage on the strength of cement soil was analyzed， the stress-strain curve of the whole process of the material was obtained， and the appropriate cement soil ratio was obtained. According to the analysis of the test results， the unconfined compressive strength of cement soil increases continuously in the process of increasing age， and the unconfined compressive strength increases rapidly when the curing age is 7～21d. The addition of cement can improve the properties of soil and increase with the increase of cement content. Adding proper amount of clay， the slurry material can be used in the grouting reinforcement project.

Key words：cement ; clay ; mortar ; mixed mortar

水泥粘土混合砂漿的成本较低，并且具有良好的抗震性能，被广泛应用到堤防、垃圾填埋、矿山等工程中，很少在水利工程中使用，都认为砂浆结石的强度无法满足需求，国内外相关学者对此方面也进行了研究[1]。中国学者分析了粘土水泥固化浆材中固化剂含量、水泥掺量等因素，得到强度和水泥掺入比、龄期的关系曲线;国外学者利用实验得到在一定水灰比，水泥强度在水固比降低过程中增加。传统浆材结石强度指标都是通过自然养护得到的，组分材料的龄期、试验样本的尺寸会影响到强度指标，对于水泥土研究比较多，粘土水泥浆材强度研究成果比较少[2]。因此，本文对水泥粘土混合砂浆的强度进行分析。

1 影响水泥粘土混合砂浆强度的因素

在对水泥土加固进行研究中，国内外学者研究表示：第1种，水泥水化作用。通过铁铝酸四钙、硅酸三钙、硅酸二钙实现水化反应，构成较强的水化铁酸钙凝胶、水化硅酸钙的晶体。第2种，为水泥水化物和粘土颗粒的作用，也就是水泥水化物和粘土颗粒出现反应，利用团粒化和粒子交换作用使小土颗粒构成大土团粒。其次，氯氧化钙和粘土中活性成分进行反应，从而构成不溶于水的结晶物，提高水泥土的强度。

1.1 龄期

水泥水化过程长，在龄期增加时会提高强度。后期强度增长慢，90d之后水泥强度随着时间的增长其强度变化较小。粘土水泥浆材水化早期，水泥水化胶凝颗粒构成骨架，包裹粘土颗粒和没有水化水泥颗粒，迅速增强。在骨架网创建后，水化产物对骨架网孔隙填充，强度增长速度比较慢。

1.2 水灰比

水灰比大小会对粘土水泥浆抗压强度造成影响，水灰比为0.38时水泥水化，水灰比越小，强度就会越高，但是如果太小就会降低可泵性。在水灰比比较大时，由于浆液并没有参与到水化反应中，水会使固体颗粒凝聚力得到降低，并且降低其强度[3]。

1.3 外加剂

添加外加剂能够使浆液性能改善，对早期强度进行控制，对结石强度造成影响。

1.4 粘土加量

粘土水泥浆添加的粘土量会影响到结石强度，如果量太多会降低强度，如果量太少无法展现粘土优势。所以，就要寻找最佳的配比。

1.5 结石成型条件

常规结石强度试件都是在实验室内静置成型，真实地层灌浆时的浆液构成结石体成型条件为地层深度、灌浆压力、地下水因素、孔隙特征等。在灌浆压力下，浆液压滤作用会提高结石强度。

1.6 强度测试方法

中国研究人员对水泥浆结石开展抗压试验，对不同测试方法对于试验结果影响进行分析，在试件和压力机接触面涂油，从而降低环箍作用，涂油强度比较高。在实际注浆过程中，会受到围岩压力作用，那么单轴抗压实验数据保守[4]。

2 试验方案

2.1 试验材料

使用上海奉贤区粉质粘土，C42.5普通硅酸盐水泥作为本文试验时材料。试验用土主要指标如表1所示，表2为试验用土离子鉴定。

2.2 试验分析

（1）水泥掺入比。水泥掺入比aw=水泥质量/被加固土体质量，因为中国规范表示，水泥土搅拌法使用水泥掺入比在7%以上。

（2）拌和用水量。本文利用大拌和涌水量使水泥能够充分水化，试验用土的含水量为65%，之后称取水泥，以水和水泥1∶2搅拌制作土样。

2.3 制作试件

试件尺寸：高和直径分别为80、39.1mm，试件成型24h后拆模，通过塑料薄膜密封在水里养护，对7、14和28d的养护龄期对无侧限抗压强度进行测定。在试验时以不同掺入比进行，对抗压强度进行测量，试件结果为平均值[5]。

3 试验成果分析

3.1 水泥掺量

龄期相同无侧限抗压强度曲线详如图1所示，说明相同养护龄期时水泥产量增加会加大无侧限抗压强度，但是并不存在线性关系。强度值在部分掺量下具有波动，水泥强度会有所降低。比如工龄期21d，掺量为15%的时候强度为6.73MPa，比其他水泥含量的强度要高。在25%掺量过程中的强度在不断提高，掺量为35%时候的最大值为11.13MPa。但是为20%水泥强度时，无侧限抗压强度不会随着养护龄期的变化而变化。在短龄期中，水泥土强度并不会改变，并且加固效果一般。在3d龄期时候，能够提高强度最大值，强度提高率比14d龄期要高。假如缩短养护龄期，水泥自身水解水化反应并不明显，无法将其加固作用充分的展现出来。一般，利用技术、经济对水泥掺入比进行确定，在水泥土为规定强度的时候，取最低水泥掺入比。在本文试验时设置15%的水泥产量，具有较大的强度值。随着龄期的持续延长，提高其强度[6]。

3.2 养护龄期

不同龄期无侧限抗压强度曲线详如图2所示，有20%掺量以上的水泥土养护龄期3d的抗压强度为21d的32%～64%，增加了7～21d无侧限抗压强度。以此表示，有20%掺量以上的水泥土后期强度持续增加。除了15%水泥掺量，无侧限抗压强度不断降低，提高21d龄期强度，降低水泥掺量。那么可以看出来，如果水泥产量小，也降低了参与到21d龄期的强度，分布比较分散，即便是长龄期的强度提高并不明显。

3.3 水泥土应力-应变关系

在不同养护龄期时，水泥掺量水泥土单轴受压条件的应力-应变关系详如图3所示。在第1阶段，应力增加中，水泥土逐渐硬化，具有明显的直线段;在第2阶段中，曲线不断上升，增长速度加快接近峰值;在第3阶段中，降低了水泥应力-应变关系曲线，而且还具有反弯点，说明已经破坏了试样。增加水泥掺量能够促进应力衰减速度，水泥土应力值在峰值就会软化;在第4阶段中，假如应力不改变，应变增加，试件塑性变形比较大[7]。

通过图3可以看出来，同个龄期存在不同的水泥掺量，应力应变曲线并没有太大的变化幅度，表示水泥掺量会对应力应变曲线造成影响，曲线直线段斜率也在不断的增加，提高了峰值强度。破坏时下降段比较陡，峰值强度所对应应变值不断降低，材料性能比较脆。以此可以看出来，随着水泥土的水泥产量增加，水泥土也会越来越脆。

3.4 粒径影响

配比相同时，砂的粒径会影响到水泥砂浆。水泥砂浆强度在砂的粒径不断增加的过程中而增加，由于相同配比试验中砂的粒径比较小，会降低砂的强度。另外，粒径越小会扩大砂的表面积，增加砂浆游离水。在水泥硬化时，水分蒸发后砂浆存在微小的孔隙，使砂浆密实度得到增加，使抗压、抗折强度得到降低，表3为粒径和强度统计表。

4 试验分析

水泥土材料价格比较低，来源比较广泛，为社会效益、经济效益、环境效益都比较高的建筑工程材料，在防渗堵漏、地基加固、软土路基加固和渠道防渗等方面使用。但是水泥土的强度比较低，后期变形比较大，所以限制了水泥土的使用。目前，大量学者在水泥土中添加外加剂，使水泥土结构改变，从而改善水泥土变形性能和力学性能。

水泥-粘土混合砂浆强度是指单位面积中外力，水泥强度能够衡量水泥性能。水泥强度属于混凝土主要胶结材料，能够将水泥胶结能力充分的展现出来。通过抗压、抗折、抗拉的强度对水泥强度进行表示，也是水泥主要的物理力学性能。水泥抗压强度是指水泥硬化胶砂实体在破坏承受压缩时最大应力;抗折强度为弯曲破坏过程中，水泥硬化胶砂体最大应力;水泥抗压强度拉伸破坏的时候，水泥胶砂硬化应力比较大。水泥抗压强度为抗折强度10～20倍。水泥抗压强度为水泥性能主要指标，所以国内外对于水泥性能研究就是水泥抗压强度预测研究。在水泥强度预测中，国内外大量研究了相应测定方法，提出了沸水法、化学法、统计法等方法。

硬试件测定法是基于常温养护条件下，利用小试件、净浆、小水灰比等手段，能够快速增强，水泥胶砂标准强度关系着净浆快速强度换算。通过统计学数理统计一元线性回归方法预测，操作比较灵活简单，在大中型水泥生产厂中使用[8]。

5 结论

目前混合砂浆配合比和砂浆质量控制的基础为试件标准养护28d试压强度，在施工生产时会长时间等待，从而影响了工期。所以，本文分析早龄期试压强度，提出施工过程中的混合砂浆比使用。利用本文试验表示，得出不同时间段的强度，使指数方程强度关系式得到满足，并且精准度比较高;具有较强的适用性，所以配置混合砂浆具有稳定的性能，使配合比设计龄期得到缩短，对工程实践提供了相应的科学依据，保证工程质量，使施工进度得到加快。

参考文献

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[3]宣玉杰，刘洪丽，安国庆，等.HNTs/SiO_2粘土复合气凝胶保温砂浆的制备及性能研究[J].硅酸盐通报，2019，38（09）：2782-2787.

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[8]林文强，廖典科.GFRP/铝合金粘接剪切强度受表面形貌的影响分析[J].粘接，2020，41（02）：40-43.