水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学特性试验研究

谷雷雷，张 梅，邓先军，吉久发，于剑波，王盛年

（1.中交一公局集团有限公司，北京 100024；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京 211816）

0 引言

水泥土是地基加固、基坑支护、防渗帷幕等工程中常用的岩土材料，具有施工技术成熟、效率高、成本低等特点（Zhang et al.2012；陈四利等， 2018；邱浩浩等， 2020）。然而，大量工程实践表明，随水泥用量提高，水泥水化放热效应将导致水泥土硬化过程温缩体缩显著，进而引发干缩开裂等缺陷（裴向军等， 2000）。同时，水泥本身也是一种高成本高能耗产品，其工业生产还伴随有海量温室气体排放，这是加剧全球气候变暖危机的一个重要因素（马忠诚和汪澜， 2011）。因此，如何有效提升水泥土性能并减少水泥用量是资源环境可持续发展和提高土方工程经济效益的关键。

使用矿物掺合料可有效改善水泥土工程性能，如强度、耐久性等，并降低水泥消耗（郑俊杰等，2000； 何学云等， 2013； 解邦龙等， 2021）。Edil et al.（2006）研究了水泥粉煤灰对软土的稳定效果，发现用一定量粉煤灰替代水泥可提高软土承载力；Kolias et al.（2005）发现，粉煤灰中游离CaO与黏土成分可发生反应形成硅酸铝钙等水合物；Kamei et al.（2013）研究了冻融和干湿条件下废石膏和粉煤灰对水泥土耐久性的影响，发现掺入废石膏和粉煤灰能有效提高水泥土强度和耐久性；Wu et al.（2020）发现，海水侵蚀环境下掺入钢渣的固化土强度随侵蚀时间而增加，未添加钢渣情形则相反；Choobbasti and Kutanaei（2017）研究了纳米二氧化硅对水泥固化砂土微观结构和强度的影响，结果发现掺入一定量的纳米二氧化硅能够提升固化土强度。上述提高水泥土工程性能的研究，究其原理主要是因为矿物掺合料中含有较高的CaO和硅铝矿物，可为水泥水化提供充沛原料，形成更多凝胶，从而有效改善了土体的密实性与完整性（郑俊杰等，2000； 何学云等， 2013）。

偏高岭土是高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O，简称AS2H2）经600～900℃高温煅烧脱水形成的高活性无水硅酸铝矿物掺合料，由于其内无定型的硅铝成分具有极高的火山灰活性，因此常被用作无机凝胶材料外添剂（周海龙等， 2020）。Kolovos et al.（2013）发现，偏高岭土可降低水泥固化黏土收缩率，改善微观结构；邓永锋等（2016）研究偏高岭土部分替代水泥固化海相软黏土发现，偏高岭土掺入可大幅提高泥土无侧限抗压强度；Wu et al.（2016）发现，偏高岭土可提高水泥土抗压和抗劈裂强度，并导致更多水化产物和更密集微孔分布；Zhang et al.（2020）、马冬冬等（2021）指出，水泥土强度随偏高岭土掺量增加先增后减，适量偏高岭土能够减小孔隙直径；Wang et al.（2018）发现，掺入偏高岭土能够提升水泥土强度，加速水泥水化，细化孔隙结构，并改善土颗粒和粘结剂间界面区；吴子龙等（2017）发现，偏高岭土对水泥土压实特性、强度性能的提升明显优于钢渣；Xing et al.（2018）指出，当偏高岭土含量超过一定值时，水泥土强度不再增加，偏高岭土掺量存在限值；谈云志等（2020）研究了偏高岭土对水泥复合石灰稳定淤泥土长期强度的改善机制。上述研究显然可为软弱土稳定研究与应用提供有力支撑。然而，粉砂土物质构成主要为砂粉粒，粘粒含量较低，其受水泥偏高岭土稳定效果如何，偏高岭土使用最大可节约水泥量如何，当前研究却不是很充足，有待深入探究。

围绕利用偏高岭土提升水泥稳定粉砂土工程性能、降低水泥消耗目标，通过开展一系列强度试验，分析探讨了水泥偏高岭土掺比、水/水泥偏高岭土比、凝胶总掺量和养护龄期对粉砂土抗压强度提升的影响规律，并总结完善了相关上述因素的强度经验预测模型。

1 材料与方法

1.1 试验材料

（1）粉砂土

试验所用粉砂土收集于南京长江漫滩区某基坑工程。如图1所示，该土体质地呈灰褐色，砂粉粒占比居多，少数为粘粒。现场勘测显示，该土埋深位于-17.93 m，重度19.4 kN/m3，天然含水量24.1%，初始孔隙比0.678，粘聚力4.3 kPa，内摩擦角29.3°。考虑到天然粉砂土中夹杂有少量粒径大于2 mm的颗粒，对土样烘干过2 mm筛以确保试样均一性。

图1 粉砂土级配曲线Fig.1 Grading curve of silty sand soil

（2）水泥

试验所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，由江西省新余市分宜海螺水泥有限责任公司生产。

（3）偏高岭土

试验所用偏高岭土为灰白色、平均粒径10 µm的粉体，如图2所示，其由河南省铂润铸造材料有限公司生产，主要化学成分见表1所示，硅铝矿物总含量超94%。

表1 偏高岭土主要化学成分Table 1 Main chemical components of metakaolin

图2 偏高岭土Fig.2 Metakaolin powder

1.2 试验方案

采用单一变量法探究水泥偏高岭土掺比、水/水泥偏高岭土比、凝胶总掺量和养护龄期对粉砂土强度提升的影响规律。文中同一方案试样制备是一次完成的，其后续养护环境条件是一致的。

具体试验内容包括：

（1）水泥偏高岭土掺比

Wang et al.（2018）对水泥煤系偏高岭土稳定砂土进行研究后建议水泥与煤系偏高岭土掺比取4.0～6.5。因此，试验将以水泥偏高岭土掺比分别为3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1进行。其中，凝胶总掺量设计按10%、15%、20%和25%考虑，水/水泥偏高岭土比为0.6，养护龄期为7d。文中水/水泥偏高岭土选择0.6原因主要是基于两方面考虑：一是水/水泥偏高岭土（灰）是影响水泥复合偏高岭土稳定粉砂土强度的重要因素，通常水灰比越大，强度将越差，因此试验设计时优先考虑小水灰比设计（储诚富等， 2005；贾坚， 2006）；二是文中试验制样采用振动密实法，但这又要求制样水灰比不宜过小，因此，为保证试样拌合及密实容易性，制样时通过多次试掺水调配了试样状态，最终根据试样适配情况确定了该比值。

（2）水/水泥偏高岭土比

为探究水/水泥偏高岭土比对水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学性能的影响，试验水/水泥偏高岭土比依次选择0.4、0.6、0.8、1.0和1.2。其中，凝胶总掺量固定为15%，水泥偏高岭土掺比固定为上述试验所得最佳值，养护龄期为7d。

（3）凝胶总掺量

凝胶材料用量直接决定水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学性能提升，因此，试验凝胶总掺量依次选择10%、15%、20%和25%。其中，水泥偏高岭土掺比固定为上述试验所得最佳值，水/水泥偏高岭土比取试验所得建议值，养护龄期为7d。

（4）养护龄期

分别开展3 d、7 d和28 d龄期下的水泥偏高岭土复合稳定土力学强度测试，以探明水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学性能随养护龄期的变化。其中，水泥与偏高岭土掺比取试验所得最佳值，水/水泥偏高岭土比取试验所得建议值，凝胶总掺量取15%。

1.3 试验方法

试样制备时，先称量各方案粉砂土、水泥、偏高岭土和水所需质量，将砂土、水泥、偏高岭土干混均匀，分多次拌入水，待拌合均匀后，分四次装入直径50 mm、高100 mm的圆柱形模具。标准养护下静置24小时脱模，然后继续养护至规定龄期。

抗压强度试验采用微机控制电子万能试验机进行。该设备采用交流伺服驱动器和伺服电机，可实现应力、应变四种闭环试验进程控制，系统设计最大轴向力为20 kN，加载速率范围0.001～500 mm/min，调速精度为±1%，即0.001～10 mm/min，变形量测精度为±0.5%，力、位移控制范围为0.2～100%FS（FS为满量程）。

2 试验结果与分析

2.1 水泥偏高岭土掺比

图3为水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随水泥偏高岭土掺比变化的试验结果曲线。水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度均随水泥偏高岭土掺比值减小呈先增后减发展。当仅当将水泥和偏高岭土按质量比5∶1混合用时，粉砂土可获得最佳性能提升，也即最理想情况下可节约1/6水泥消耗，且该掺比关系不会因凝胶总掺量变化而改变。究其缘由可能是，当水泥与偏高岭土掺比小于5∶1，也即偏高岭土用量相对较多时，水泥水化产物Ca（OH）2仅够与有限数量的高活性硅铝矿物反应生成CSH凝胶，致使偏高岭土未能被充分利用，因而使得其抗压强度随水泥偏高岭土掺比减小而降低（吴子龙等， 2017）；当水泥与偏高岭土掺比大于5∶1时，此时水泥用量相对较高，水泥水化产物Ca（OH）2可充分与偏高岭土所含数量有限高活性硅铝矿物反应生成CSH凝胶或使偏高岭土中高活性硅铝矿物发生共价聚合形成地聚物，偏高岭土得到充分利用，因而使得水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随偏高岭土相对用量增加而增加（顾海荣等，2022）。

图3 不同水泥偏高岭土掺比下的水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度变化曲线Fig.3 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different cement metakaolin ratios

2.2 水/水泥偏高岭土比

图4为水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随水/水泥偏高岭土比变化的试验结果曲线。可知，水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随水/水泥偏高岭土比增加而非线性减少，水/水泥偏高岭土比越大，降低幅度越大。究其原因可能是，一方面水/水泥偏高岭土比越大，水泥复合偏高岭土稳定粉砂土硬化后内部因过多自由水蒸发而残留的孔隙会大幅增加，另一方面，偏高岭土比表面积较小，过多水可能反而不利于其与Ca（OH）2反应，因此，其抗压强度随水/水泥偏高岭土比增加而减小。考虑到粉砂土的拌合容易性以及为尽可能提升水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度，文中后续试验采用水/水泥偏高岭土比为0.6。

图4 不同水/水泥偏高岭土比水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度Fig.4 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different water / cement and metakaolin ratios

2.3 凝胶总掺量

图5为水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随凝胶总掺量变化的试验结果曲线。可知，当凝胶总掺量由10%提高至25%过程中，水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随凝胶总掺量增加而线性提高，且两者之间存在良好的相关关系。该结论与Wang et al.（2022）研究水泥土的结论具有一致性。但需要说明的是，图5与图3相比水泥偏高岭土总掺量相同而抗压强度不同，其主要原因应是试样养护温度不同导致（陈昌富等， 2023； Leklou and Das， 2023）。由于文中试验方案设计中后边的试验需要基于前边试验的结果，因此，试验工作具有先后性。实际试验时，前部分试验是在春夏交接时段完成，后续试验实在夏季完成的。尽管试验采用标准养护试验箱进行养护，但标准养护试验箱在温度不足时会自动加热，在温度超过标准养护温度后却不能降温，因此，相同试验方案下，后期试验中水泥偏高岭土总掺量相同而抗压强度不同。

图5 不同凝胶掺量水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度Fig.5 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different total binder contents

2.4 养护龄期

图6为水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随养护龄期变化的试验结果曲线。可知，随养护龄期发展，水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度不断提高，但龄期28天抗压强度约是7天和3天的2倍和5倍，龄期7天抗压强度约是3天的3倍。这表明，随龄期增加，水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度提升在逐渐放缓（Gill and Siddique， 2018）。其缘由可能是，水泥作为凝胶材料主成分，为复合稳定粉砂土抗压强度提升主控因素，一方面偏高岭土可与水泥水化产物进一步反应，形成了更多的凝胶产物，另一方面亦有效消耗了导致水泥干缩开裂的Ca（OH）2，因此，其抗压强度提升规律与单一水泥稳定情形类似。

图6 不同养护龄期水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度Fig.6 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil at different curing ages

3 经验预测模型

3.1 抗压强度与水/水泥偏高岭土比间关系

许多研究已指出，水泥土抗压强度与水/水泥偏高岭土比之间存在着某种定量关系。因此，依据水/水泥偏高岭土比预测水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度可为工程设计和应用提供经验参考。Horpibulsk et al.（2011） 提出了一种关于水/水泥偏高岭土比的指数型水泥土抗压强度预测公式

式中：qc为水泥土抗压强度（kPa），w/c为水/水泥偏高岭土比，a和b为试验拟合量。

采用上述公式对试验结果进行拟合（图7）发现，其可很好地表征两者间关系，因此，能用于水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度预测分析。

图7 抗压强度和水/水泥偏高岭土比间关系Fig.7 Relationship of compressive strength and water /cement and metakaolin ratio

3.2 抗压强度与凝胶总掺量间关系

图8为水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度与凝胶总掺量间的线性拟合，所采用函数表达式为

图8 抗压强度和凝胶总掺量间关系Fig.8 Relationship of compressive strength and total binder content

式中：pcm为凝胶总掺量（%），λ达标表征凝胶掺量对强度的贡献程度，与凝胶性能有关，qs为天然粉砂土的抗压强度（kPa）。拟合结果显示，该方程同样可非常理想的表征两者间的关系。

3.3 抗压强度、凝胶总掺量、水/水泥偏高岭土比间关系

水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度不仅受凝胶总掺量控制，亦受水/水泥偏高岭土比影响显著，因此，综合抗压强度、凝胶总掺量、水/水泥偏高岭土比间的相关性，提出如下经验预测模型

式中：α、k、δ和η为试验拟合量，与土性有关。

图9所示为采用上述经验表达式对所得试验结果的拟合。可知，该经验预测模型可很好地表征三者间关系，其趋近1.0的相关系数则证明了该预测模型的有效性。

图9 抗压强度与多因素间关系Fig.9 Relationship of compressive strength and multiple influence factors

3.4 抗压强度与养护龄期间关系

依据图6所述试验结果，参照Gill and Siddique（2018） 总结的关于养护龄期的水泥稳定土抗压强度经验预测公式，提出如下经验预测模型

式中：m和n为试验拟合量，T为水泥土养护龄期。

图10所示为采用上述经验表达式对本文所得试验结果的拟合。可知，采用该公式可很好地表述水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随养护龄期的发展，可作为工程施工强度判断的经验参考。

图10 抗压强度与养护龄期间关系Fig.10 Relationship of compressive strength and curing age

4 结论

通过开展系列水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度试验，探讨水泥与偏高岭土掺比、水/水泥偏高岭土比、凝胶总掺量和养护龄期对粉砂土抗压强度的提升规律，得到如下主要结论：

（1）水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度均随水泥偏高岭土掺比值减小呈先增后减发展，其峰值均在水泥与偏高岭土掺比为5∶1时获得，也即最理想情况下可节约1/6水泥消耗，且该掺比不受凝胶总掺量的改变而改变。

（2）水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度提升与水/水泥偏高岭土比呈负相关变化，随凝胶总掺量线性提高，随养护龄期发展强度提升先快后慢。

（3）归纳提出了关于水/水泥偏高岭土比、凝胶材料用量、养护龄期的四个经验公式，并利用试验数据论证其有效性。研究成果可为水泥偏高岭土复合稳定工程软弱土提供参考。

［附中文参考文献］

储诚富， 洪振舜， 刘松玉， 许婷.2005.用似水灰比对水泥土无侧限抗压强度的预测［J］.岩土力学， 26（4）：645-649.

陈昌富， 韦思琦， 蔡焕.2023.温度变化对水泥土力学性能的影响［J］.铁道科学与工程学报， 20（1）：190-199.

陈四利， 侯芮， 倪春雷， 王军祥.2018.基于三轴压缩试验的水泥土力学特性研究［J］.硅酸盐通报， 37（12）：4012-4017.

邓永锋， 吴子龙， 刘松玉， 岳喜兵， 朱雷雷， 陈江华， 关云飞.2016.地聚合物对水泥固化土强度的影响及其机理分析［J］.岩土工程学报， 38（3）：446-453.

顾海荣， 张鹏， 王盛年， 吴凯， 袁洁君， 薛钦培.2022.偏高岭土基地聚物改良土最优配比及固化效果分析［J］.科学技术与工程， 22（17）： 7089-7098.

何学云， 张凯峰， 杨文， 吴雄， 明阳.2013.硅酸盐固体废弃物作掺合料在混凝土中应用的研究进展［J］.材料导报， 27（Z1）：281-284.

贾坚.2006.影响水泥土强度的综合含水量研究［J］.地下空间与工程学报， 2（1）：132-136， 140.

马冬冬， 马芹永， 黄坤， 张蓉蓉.2021.基于NMR的地聚合物水泥土孔隙结构与动态力学特性研究［J］.岩土工程学报， 43（3）：572-578.

马忠诚， 汪澜.2011.水泥工业CO2减排及利用技术进展［J］.材料导报， 25（19）：150-154.

裴向军， 杨国春， 阮文军.2000.高饱和度软土深搅拌桩桩体实际水泥掺入量的确定［J］.地质与勘探， 36（5）：88-90.

邱浩浩， 王晓明， 梁经纬.2020.黏土水泥浆材特性的试验研究［J］.地质与勘探， 56（6）： 1272-1277.

谈云志， 柯睿， 陈君廉， 吴军， 邓永锋.2020.偏高岭土增强石灰-水泥固化淤泥的耐久性研究［J］.岩土力学， 41（4）：1146-1152.

吴子龙， 朱向阳， 邓永锋， 刘华山， 查甫生.2017.掺入钢渣与偏高岭土水泥改性土的性能与微观机制［J］.中国公路学报， 30（9）：18-26.

解邦龙， 张吾渝， 张丙印， 季港澳， 崔靖俞.2021.不同龄期下粉煤灰水泥土的UU抗剪强度试验研究［J］.工程地质学报， 29（4）：1216-1223.

郑俊杰， 贾燎， 吴世明.2000.粉煤灰混凝土桩钻孔压灌工艺在软土地基上的应用［J］.地质与勘探， 36（5）：81-83.

周海龙， 梁玉婧， 李波， 安珍.2020.偏高岭土水泥土的研究现状综述［J］.硅酸盐通报， 39（9）：2858-2863.