水泥掺量和养护溶液对水泥改良黄土力学强度的影响

■牛 瑞

（山西交通控股集团有限公司运城南高速公路分公司，运城 044000）

水泥土具有良好的抗压强度和稳定性，广泛应用于机场、道路、铁路等基础工程建设[1-2]。水泥掺量是影响水泥土力学强度的主要因素之一，且水泥土强度的发展与外界养护环境紧密相关。 目前，针对水泥土力学强度发展规律及影响因素，国内外学者展开了一定研究。 Shihata 等[3]研究了Ca2+溶度对水泥土强度影响规律。 韩鹏举等[4]研究了MgSO4溶液对水泥土桩力学性能的影响，发现适当的MgSO4含量促进水泥土强度增长。 范凌燕[5]、阮庆等[6]研究发现水泥掺量对水泥改良黏土抗压强度影响显著。 于英霞等[7]研究了夯实成型水泥改良黄土无侧限抗压强度影响因素，发现抗压强度与养护龄期线性相关，当水泥掺量增加至一定值后抗压强度提高效果弱化。 欧阳克连等[8]研究了水泥掺量、养护龄期及侵蚀环境对水泥改良粉质黏土无侧限抗压强度影响，低浓度化学溶液可提高水泥土抗压强度。 贾景超等[9]研究发现硫酸盐溶液环境促进水泥土强度增长，且SO42-对水泥土长龄期强度影响较显著。 上述研究以水泥掺量、养生龄期等因素对水泥土力学强度影响为主，而不同养护环境对水泥土强度发展影响效果不一，且不同土体技术性质差别明显。 因此，本文以水泥改良黄土为研究对象，通过室内无侧限抗压强度试验和劈裂试验，研究水泥掺量和养护环境对水泥改良黄土力学强度影响规律，为黄土地区基础工程设计和施工提供参考。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

黄土土样取自河南地区，取土深度为1.5 m，按TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》确定物理力学性质，见表1。 水泥选用P.O42.5 普通硅酸盐水泥，技术性质见表2。养护溶剂选用某化工有限公司生产的NaCl、NaOH、Na2SO4。

表1 黄土物理力学性质

表2 水泥技术性质

1.2 试验方案

（1）水泥剂量影响

通过无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验，研究水泥掺量对水泥改良黄土力学强度影响规律。 试验中， 拟水泥掺量为5%、7%、9%、11%、12%、15%，试件尺寸为Φ50 mm×h50 mm、Φ100 mm×h100 mm，养生龄期为7 d、28 d，养生方式为标准养生方式。

（2）养护环境影响

①研究盐溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量对水泥改良黄土无侧限抗压强度影响规律。 成型最佳水泥掺量的改良黄土试件，采用正交试验方法，见表3，分析NaCl、NaOH、Na2SO4含量对水泥改良黄土抗压强度影响规律，设计最优养护溶液。

表3 正交试验因素及水平（单位：mol/L）

②结合现场路基养护条件，对比研究最优养护溶液环境、饱和石灰水溶液环境、清水环境与标准养生室养护的水泥改良黄土抗压强度关系，建立改良黄土抗压强度增长方程。 试验中，结合水泥土强度增长机理，拟水泥改良黄土养护龄期为3 d、7 d、14 d、28 d、90 d、180 d。

1.3 试件成型及养护

（1）试件成型

风干土样过5 mm 土壤圆孔筛， 测定土样风干含水率，采用手工拌和水泥改良黄土混合料。按表4中最佳含水率，采用静压法成型水泥改良黄土试件。结合TB 10001—2016《铁路路基设计规范》对基床底层化学改良土填料压实质量要求，水泥改良黄土试件压实度为95%。

表4 水泥改良黄土击实试验结果

（2）试件养护

试件成型完毕后，放入标准养生室。 养生溶液养护的试件在标准养生1 d 后，放入（20±2）℃溶液中养护至规定龄期。

2 试验结果与分析

2.1 水泥剂量影响

水泥改良黄土无侧限抗压强度和劈裂强度见图1。 由图1 可知，同一试件尺寸和养生龄期下，水泥改良黄土力学强度随水泥掺量增加逐渐增大，且无侧限抗压强度与劈裂强度增长曲线基本一致。 当试件尺寸为Φ50 mm×h50 mm，水泥掺量由5%增加至9%时，水泥掺量每增加1%，改良黄土无侧限抗压强度和劈裂强度分别平均提高9.0%和9.5%；水泥掺量≥9%时，水泥掺量每增加1%，改良黄土无侧限抗压强度和劈裂强度分别平均提高3.1%和2.6%。当试件尺寸为Φ100 mm×h100 mm，水泥掺量由5%增加至9%时，水泥掺量每增加1%，改良黄土无侧限抗压强度和劈裂强度分别平均提高9.3%和10.3%；水泥掺量≥9%，水泥掺量每增加1%，改良黄土无侧限抗压强度和劈裂强度分别平均提高2.9%和1.9%。 说明水泥掺量对不同试件尺寸的改良黄土力学强度影响规律基本一致，当水泥掺量≥9%，通过增加水泥掺量提高改良黄土力学强度作用弱化，技术经济性变差。 对此，本文选用9%水泥掺量的改良黄土，开展养护溶剂对水泥改良黄土力学强度影响研究。

图1 水泥掺量对水泥改良黄土力学强度影响

2.2 养护环境影响

2.2.1 最优盐溶液设计

水泥改良黄土无侧限抗压强度正交试验方案及结果分析见表5、6，养护溶液中NaCl、NaOH、Na2SO4含量对水泥改良黄土无侧限抗压强度影响见图2。

图2 试验因素及水平对水泥改良黄土无侧限抗压强度影响

表5 水泥改良黄土7 d 无侧限抗压强度正交试验方案及结果分析

表6 水泥改良黄土28 d 无侧限抗压强度正交试验方案及结果分析

由表5、6 和图2 可知，（1）同一养生龄期下，NaCl 含量列的水泥改良黄土无侧限抗压强度极差最大，说明NaCl 含量对改良黄土无侧限抗压强度影响最大。随NaCl 含量增加，水泥改良黄土无侧限抗压强度逐渐增大，增长速率减小，NaCl 含量由0.1 mol/L增加至0.4 mol/L，其抗压强度提高了10.5%；随NaOH含量增加， 改良黄土抗压强度呈线性降低，NaOH 含量增加0.1 mol/L，其抗压强度降低约2.8%。 另外，Na2SO4含量由0.1 mol/L 增加至0.2 mol/L，其抗压强度变化微小。 根据NaCl、NaOH、Na2SO4含量对水泥改良黄土抗压强度影响规律可知， 当养生溶液中NaCl、NaOH 含量分别为0.4 mol/L、0.1 mol/L 时，水泥改良黄土无侧限抗压强度最大， 建议溶液中Na2SO4含量为0.02 mol/L。

（2）对水泥改良黄土正交试验结果进行方差分析，NaCl 含量列的水泥改良黄土抗压强度的F 值最大， 且NaCl、NaOH、Na2SO4含量的F 值均显著低于F0.10（2，2）=9，说明NaCl、NaOH、Na2SO4含量对水泥改良黄土无侧限抗压强度变化影响较小。 另外，同一影响因素下，随养生龄期延长，改良黄土抗压强度的F 值增大， 说明养护溶剂对改良黄土抗压强度影响增大，对改良黄土强度增长具有促进作用。

2.2.2 水泥改良黄土强度增长规律

不同养护环境下水泥改良黄土无侧限抗压强度见图3。 水泥剂量为9%。 由图3 可知：

图3 养护环境对水泥改良黄土无侧限抗压强度影响

（1）随养护龄期延长，不同养护环境下水泥改良黄土无侧限抗压强度增长趋势相同，改良黄土养护28 d 后的抗压强度增长趋势减缓。 这是因为水泥改良黄土成型初期， 水泥发生初步水化反应，土粒间的物理作用构成水泥土初始强度，而随着养护龄期延长，水泥水化反应不断进行，水泥熟料逐渐被消耗殆尽，水泥改良黄土强度不再增长，达到极限强度。 故结合水泥改良黄土强度增长规律，建立强度增长模型，见式（1），回归系数见表3。

式中：Rc—水泥改良黄土无侧限抗压强度，MPa；Rc∞—水泥改良黄土极限无侧限抗压强度，MPa；Rc0—水泥改良黄土初始无侧限抗压强度，MPa；α—强度增长系数；T—养护龄期，d。

（2）标准养护环境下改良黄土无侧限抗压强度增长最快，最优盐溶液环境次之。 当养护龄期相同时，最优盐溶液环境下水泥改良黄土抗压强度约是饱和石灰水环境下改良黄土抗压强度的1.28 倍，约是清水环境下改良黄土抗压强度的1.28 倍，说明最优盐溶液环境较饱和石灰水或清水环境对改良黄土抗压强度增长抑制效果相对较小。 这是因为在养护初期，标准养护环境下水泥改良黄土抗压强度显著高于其他养生环境下抗压强度，抗压强度主要由土粒间物理作用及土粒、水泥与水三者间物理化学作用组成，抵抗水破坏能力较弱，从而标准养护环境下水泥改良黄土抗压强度较高且增长较快。 另外，当养护龄期≤14 d 时，饱和石灰水和清水环境下水泥改良黄土抗压强度增长曲线相近，随养护龄期延长，饱和石灰水环境较清水环境促进改良黄土抗压强度增长。

3 结论

（1）随水泥掺量增加，不同试件尺寸的水泥改良黄土无侧限抗压强度与劈裂强度增长趋势一致，当水泥掺量≥9%时， 增加水泥掺量对改良黄土力学强度提高效果弱化。 （2）养护溶液中NaCl 含量对改良黄土无侧限抗压强度影响明显，NaOH 含量次之，当NaCl 含量由0.1 mol/L 增加至0.4 mol/L，抗压强度提高了10.5%。 建议最优养护溶液NaCl、NaOH、Na2SO4含量分别为0.4 mol/L、0.1 mol/L 和0.2 mol/L。（3）随养护龄期延长，养护环境对水泥改良黄土无侧限抗压强度增长规律影响相近，标准养护环境下改良黄土无侧限抗压强度增长最快，最优盐溶液环境次之；当养护龄期≥28 d 时，抗压强度趋势减缓，基于水泥改良黄土强度增长规律，建立强度增长模型。