不同水泥掺量下水泥土力学性能试验研究

靳 璐

（新疆水利水电勘测设计研究院检测试验研究中心，新疆 昌吉 831100）

1 引言

水泥土是由土、水泥和水按一定比例拌合而成的混合材料，该材料与普通土相比具有强度高、压缩性低、渗透性小等优势，被广泛应用于渠道防渗、道路垫层和大坝护坡等配套工程中。目前国内外对水泥土的研究也取得了一定成果，梁仁旺[1]等通过试验研究了水泥土的力学性能，获得了水泥土的应力应变关系曲线；李建军[2]等研究了水泥土的变形模量及强度特性，并通过分析得到了两者之间的关系；郝文秀[3]等分析了掺砂水泥土的力学特性，得到了最佳砂含量；周丽萍[4]探讨了水泥土材料的力学特性；阮波[5]等通过试验研究了水泥土的抗剪强度；董慧[6]等研究了冻融水泥土的力学特性，得到了相关模型参数；吴刚[7]等论述了不同水泥掺量下水泥土的压缩特性；徐海坡[8]等综述了水泥土渗透特性与强度特性。本文研究了不同水泥掺量下水泥土抗渗系数、无侧限抗压强度及抗冻性能的变化，为水泥土在工程中的应用提供了技术参数和依据。

2 试验原材料与试验方案

2.1 试验原材料

水泥土主要原材料包括：水泥、土及水。其中土样取样地位于新疆北疆某粉土场地，土样的物理性能指标见表1，颗粒分析结果见表2。水泥采用新疆青松绿原公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能指标见表3。水即普通自来水。

表1 土样物理性能指标

表2 土样颗粒分析试验结果

表3 水泥物理性能指标

参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019），通过击实试验得到得到土样的最大干密度为1.82 g/cm，最优含水率分别为12.5%；通过液塑限联合测定仪测得塑限18.5%，液限28.6%，塑性指数10.1，液性指数0.38，土样定名为低液限粉土。水泥经检测各项数据均满足技术要求。

2.2 试验方案

为研究不同水泥掺量对水泥土性能的影响，按规范要求制作水泥掺量分别为0%、6%、9%、12%、15%和18%的水泥土试件，每组试件含水率均控制在12.5%，脱模后置于标准养护室中分别养护3 d、7 d、14 d和28 d，对到达龄期的试件进行渗透试验、无侧限抗压试验及冻融循环试验。考虑到工程应用中温度的极端情况，试验的冻结温度为-20℃，融化温度为20℃，一次冻融循环时间为24 h，对完成冻融循环后的试件进行无侧限抗压强度试验。

3 实验过程与结果分析

3.1 不同水泥掺量对水泥土渗透系数的影响

成型直径100 mm、高100 mm的圆柱体抗渗试件，每组三块。对各水泥掺量下的水泥土试件分别于3 d、7 d、14 d和28 d进行常水头渗透试验，取平均值作为试验结果，得到不同水泥掺量下水泥土各龄期的渗透系数关系曲线见图1。

图1 不同水泥掺量下养护龄期与渗透系数关系曲线

根据试验结果可以得到，水泥的掺入对素土的抗渗性能有明显的提升。素土28 d渗透系数为7.85×10-7cm/s，水泥掺量18%的水泥土28 d的渗透系数为4.11×10-8cm/s，相比而言渗透系数提升了一个数量级。这是由于水泥土中的水与水泥发生水化反应，形成的胶结物填充了土体间的空隙，阻断了连通的空隙通道，使得渗透系数明显减小，随着水泥掺量的增加，水化反应形成的胶结物越多，空隙填充的就越密实。同一水泥掺量下，渗透系数随龄期的增加而减小，各掺量下28 d龄期的水泥土渗透系数相差不大。

3.2 不同水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响

成型70.7 mm的立方体抗压试件，每组三块。对各水泥掺量下的水泥土试件分别于3 d、7 d、14 d和28 d进行无侧限抗压强度试验，取平均值作为试验结果，得到不同水泥掺量下水泥土各龄期的无侧限抗压强度结果见表4，各掺量下28 d无侧限抗压强度应力应变关系曲线见图2。

表4 不同水泥掺量下水泥土无侧限抗压强度值

图2 28 d无侧限抗压强度应力应变关系曲线

从图中数据可以得到，掺入水泥后的水泥土早期强度较低，随着养护龄期的增加，由于水泥的水化反应更加充分，骨架结构越发完整，28 d的无侧限抗压强度较3 d强度有明显提升；随着水泥掺量的增加，水泥土的无侧限抗压强度值提高显著，当水泥土中不掺水泥时，28 d的抗压强度仅为0.72 MPa，当水泥掺量为6%时，28 d的抗压强度为1.33 MPa，为对照组的185%，当水泥掺量为18%时，28 d的抗压强度为3.37 MPa，为对照组的468%，这是因为水泥的掺量越大，水化完成后就越能够发挥水泥的强度骨架作用，充分说明了水泥掺量在水泥土的强度中起了主要作用。

对比不同水泥掺量下的应力应变曲线可以看出，水泥的掺入对抗压过程中的应力应变曲线影响很大。随着水泥掺量的逐渐增加，曲线初始直线段的斜率越来越大，应力峰值也不断提高。破坏后期下降段也变得越来越陡，水泥土的破坏形式趋向于脆性剪切破坏。

3.3 冻融循环后无侧限抗压强度

为研究冻融循环次数对水泥土强度的影响，针对各配比成型70.7 mm的立方体抗压试件，待养护28 天后，分别5 次、10 次、15 次冻融循环试验，将完成冻融后的水泥土试件进行无侧限抗压强度试验，得到不同水泥掺量下，28 d无侧限抗压强度见表5，冻融水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量关系曲线见图3。

表5 水泥土冻循环后无侧限抗压强度值

分析表中数据可以得到，在各水泥掺量配比下，伴随冻融循环次数的递增，水泥土的无侧限抗压强度呈递减趋势。当冻融循环5 次后，其无侧限抗压强度为对照组的80%左右，当冻融循环10 次后，其无侧限抗压强度为对照组的50%左右，当冻融循环15 次后，其无侧限抗压强度为对照组的45%左右。产生上述现象的原因是，水泥土中的水在冻融循环过程中，由于水固态和液态多次转变会破坏水泥土的原有结构，对水泥土的强度造成损伤，水泥土的冻融循环次数越多，冻融破坏越强烈，水泥土的强度损伤就越严重，因此随着冻融循环次数的增加，水泥土的无侧限抗压强度减小。当循环次数超过10次后，水泥土的无侧限抗压强度减小趋势趋于平缓，这是因为足够的冻融循环次数已对水泥土结构充分破坏，剩余强度主要是水泥土结构的残余强度。

通过分析图3 可以得到，随着水泥掺量的增加，水泥土及冻融水泥土的无侧限抗压强度均增大，出现这种现象的原因是，随着水泥占比的增加，水泥水化后与土颗粒形成了稳定的骨架结构，并且强度逐渐提高，导致水泥土抗压强度的增长。由于冻融过程中水泥土的骨架结构受到破坏，从而导致强度损失，故不同水泥掺量的冻融水泥土无侧限抗压强度均小于相同掺量的未冻融水泥土。

图3 冻融循环次数与水泥掺量关系曲线

4 结论

（1）水泥的掺入对水泥土的抗渗性能有明显的提升。素土28 d渗透系数为7.85×10-7cm/s，水泥掺量18%的水泥土28 d的渗透系数为4.11×10-8cm/s，相比而言渗透系数提升了一个数量级。

（2）通过研究不同水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响得到，随着水泥掺量和养护龄期的增加，水泥土的无侧限抗压强度逐渐增大，当水泥掺量为18%时，28 d的抗压强度为对照组的468%，水泥土的破坏形式趋向于脆性剪切破坏。

（3）冻融循环次数对水泥土的强度影响较大，当冻融循环10 次后，其无侧限抗压强度为对照组的50%左右，并且抗压强度减小趋势趋于平缓，剩余强度主要是水泥土结构的残余强度。