水泥增强固化海相粘土的含水率影响及强度测试研究

2024-05-07魏衍杰何君

粘接 2024年3期

关键词：液限

魏衍杰何君

摘要：针对粘性土初始含水率较低时水泥固化土的拌合质量，通过室内试验研究了水泥固化海相粘土中初始含水率与混合质量之间的关系。结果表明，在初始含水率（w0）小于粘土的液限（wL）的情况下测试其强度，发现强度在w0为0.925wL时达到峰值，在w0为0.85wL时下降；在w0为0.775wL时相比于w0为0.925wL时强度有增有减，变得不稳定。使用初始含水率为1.0wL和1.2wL的强度得到的强度估算公式，随着w0变得小于wL，固化土的强度降低超过估算强度，认为是粘土初始含水率降低后，水泥掺入引起的强度增加，流动性下降，降低了混合料的质量，以致强度没有充分发挥。

关键词：水泥固化土；液限；单轴压缩强度；海相粘土；混合质量

中图分类号：TQ172.7;TV41

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0111-05

Research on the influence of moisture content and strength testing of cement reinforced solidified marine clay

WEI Yanjie1，HE Jun2

（1.Water Development Center of Juye，Juye 274900，Shandong China;2.Shuifa Planning & Design Co.，Ltd.，Jinan 250100，China

）

Abstract：The relationship between the initial moisture content and the mixing quality of cement stabilized marine clay was studied through indoor experiments，targeting the mixing quality of cement stabilized soil with low initial moisture content in cohesive soil.The results showed when the initial moisture content （w0） was less than the liquid limit （wL） of the clay，the strength was tested，and it was found that the strength reached a peak at w0 of 0.925 wL and decreased at w0 of 0.85 wL.Compared with w0=0.925 wL，the strength increased or decreased at w0=0.775 wL and became unstable.Using the strength estimation formula obtained with the initial moisture content of 1.0 wL and 1.2 wL，as w0 becomes less than wL，the strength of solidified soil decreased beyond the estimated strength.It was believed that after the initial moisture content of clay decreases，the strength increased and the fluidity decreased caused by the incorporation of cement，which reduces the quality of the mixture and does not give full play to the strength.

Key words：Cement solidified soil，liquid limit，uniaxial compressive strength，marine clay，mixing quality

水泥是一种良好的改性材料添加物，其中水泥固化土是一种常见的土壤处理方法，通过添加水泥和其他材料，将土壤进行固化和加固，以提高土壤的稳定性和强度［1］。固化土强度的影响因素众多，但尚未建立系统的配合比设计方法。海相粘土在世界范围内广泛分布，水泥固化是一种廉价、高效的工程领域处理方法。有学者系统研究了宁波某地区软土的工程特性［2］。还有从地质成因的角度研究了宁波、连云港和广州等地海相粘土成因［3］；分析了连云港海相粘土的矿物成分及颗粒组成，确定其工程力学特性［4］。

研究提出了利用不同液限、初始含水率和含砂量等不同海相粘土来测量水泥固化土的强度估算公式，并利用试验室复配试验结果评价了估算公式的适用性。考虑水泥添加引起的液限变化，通过室内试验研究了水泥固化处理过程中海相粘土初始含水率与混合质量的关系。

1 材料与方法

研究以宁波某地区的海相粘土（以下简称粘土）和混砂粘土为例。粘土在使用前用2 mm的筛子清除贝壳和砾石。混砂粘土是通过海相粘土与中砂混合使含砂量为30%而获得的样品。表1为粘土和混砂粘土的液限（wL）、细颗粒含量、含砂量（S）和水泥添加量（c*）。

粘土的液限为123.1%，普通硅酸盐水泥用作固化材料。

表2为固化樣品的初始含水率（w0）。

将粘土和混砂粘土的初始含水率（w0）与液限（wL）之比的归一化含水率（w0/wL）设置为5个阶段：0.775、0.850、0.925、1.000和1.200，以调节样品的含水率。研究中使用的水泥添加量（c*）的定义：

c*=m水泥m土+m水泥×100%（1）

式中：m土为含沙土的干燥质量；m水泥为加入水泥的质量。在每个初始含水率下，c*设定为10%和20%。

在制备样品时，称量要添加的水、水泥和砂的质量，从而设定初始含水率、水泥添加量和砂含量。粘土和要添加的水在制备样品之前先需要冰箱冷却。在粘土中加入水、水泥、中砂，用手动搅拌机搅拌2 min。之后，将混合物用电动搅拌机搅拌30 min。

搅拌均匀后，将样品装入直径50 mm、高100 mm的模具中，装满后用保鲜膜盖好，置于20 ℃室温的水箱中进行水养护。在相同的条件下制备2个试件，本文所示的強度为2个试件的平均值。在上述一系列操作中，从搅拌结束到开始固化大约需要30 min。因此，将搅拌结束后30 min设为固化开始时间。

2 试验结果

2.1 粘土初始含水率与固化土强度的关系

图1和图2分别显示了养护时间为28 d和90 d时的单轴试验压缩强度与添加水泥前由液限归一化的初始含水率之间的关系［5-7］。

由图1可知，在初始含水率为0.925wL以上的情况下，初始含水率越低，单轴试验压缩强度越高。然而，在初始含水率为0.85wL，除c*为10%、S为0%之外的样品，强度均小于初始含水率0.925wL时的强度。在具有较低初始含水率为0.775wL时，除了c*为20%、S为30%之外，强度均比0.850wL时增加；c*为10%、S为0%的样品（包括初始含水率为0.775wL和0.850wL的样品），显示出与其他样品不同的结果，其中含水率越低，强度越大。

由图2可知，除了c*为10%、S为30%的样品外，相比初始含水率为0.925wL，强度在初始含水率为0.850wL时下降。在c*为10%、S为30%的样品中，初始含水率为0.850wL时的强度是初始含水率为0.925wL时的1.018倍，几乎相同。对于初始含水率为0.775wL的样品，未测定养护90 d后的强度。

如上所述，当初始含水率为0.925wL或更高时，强度随着初始含水率的降低而增加，初始含水率为0.850wL时强度降低占多数，不论养护28 d还是90 d，4个样品中3个样品的强度在归一化含水率为0.925处达到峰值。当养护28 d后初始含水率为0.775wL时，4个样品中有3个的强度高于0.850wL样品的强度。在初始含水率0.925wL时，试样达最高强度。

本文提出了以下公式来估算水泥混合土的单轴试验压缩强度：

c*f=m水泥m细粒+m水泥×100%（2）

Yf=V细粒+V水泥V细粒+V水泥+V水（3）

qu=k*cc*f－c*f0YfN（4）

式中：c*为土中影响细颗粒干燥质量m细粒的水泥掺量；cf0*为水泥掺量产生强度的最小水泥掺量；Yf为添加土中忽略含砂量大于10%的细粒体积V细粒、孔隙体积V水、添加后水泥的体积V水泥定义的固体分数；N为水泥固化土结构的系数（大约2.5～4.5）；kc*是强度增加系数，是养护时间的函数。已知当初始含水率高于液限时，无论粘土初始含水率如何，强度估算公式（4）都适用。由式（4），获得以下等式：

quYf－N=k*cc*f－c*f0（5）

利用式（5）计算初始含水率为1.0wL和1.2wL时的强度、水泥掺量和体积固体分数，绘制与qu（Yf）-N和与粘土分数有关的水泥添加量cf*，并找到给出二者之间线性关系的N，产生图3所示的结果。

由图3可以得出，在养护28 d和90 d时的qu的推导式：

养护28 d：qu=4 030c*f－3.2Yf2.5（6）

养护90 d：qu=4 980c*f－3.2Yf2.5 （7）

在初始含水率为0.925wL、0.850wL和0.775wL时使用式（6）和式（7）计算的养护28 d和90 d后的计算强度值qu （cal.）和测量值qu （mes.）的关系如图4和图5所示。

由图4可见，随着初始含水率下降到0.925wL、0.850wL和0.775wL，试验测量强度变得小于计算公式计算的强度。当通过线性回归获得计算强度和测量强度之间的关系时，养护28 d后对于每个初始含水率获得以下结果：

w0=0.925wL∶qu计=0.82qu测（8）

w0=0.850wL∶qu计=0.67qu测（9）

w0=0.775wL∶qu计=0.47qu测（10）

此外，图5显示养护90 d后的强度具有相似的斜率。计算强度与实测强度之间的关系：

w0=0.925wL∶qucal.=0.81qumes.（11）

w0=0.850wL∶qucal.=0.59qumes.（12）

如上所述，随着初始含水率的降低，试验强度与初始含水率为1.0wL和1.2wL的计算强度之比减小，推测这反映了粘土初期含水率变低，均匀混合越来越困难。

2.2 添加水泥后归一化含水率与强度的关系

含水泥块试样的含水率（w*定义，加入水泥后的液限（wL*）由试验确定，使用归一化含水率（w*/ wL*），研究了水泥固化土的强度发展［8-11］。

w*=m水m土+m水泥（13）

式中：m土是含砂土的干燥质量，kg；m水泥是水泥的质量，kg；m水是水的质量，kg。

在固化土的强度试验之前，进行了液限试验。将规定的水泥添加到粘土样品中，放置在玻璃板上，然后用橡皮刮刀将样品充分混合。

表3显示了加入水泥后样品的液限。

由表3可知，液限在加入水泥10%的情况下，0%砂样和30%砂样分别增长了1.24倍和1.28倍。此外，当添加20%的水泥时，0%砂样和30%砂样均增加了1.10倍。加入水泥后的含水率和加水泥后的液限之比（w*/ wL*）进行分别计算，计算结果如表4所示。

由表4可见，加入水泥降低含水率，提高液限，归一化含水率比添加前大大降低。添加前的归一化含水率分别为1.200、1.000、0.925、0.850和0.775，均下降至约0.75倍。

图6和图7显示了初始含水率（包括添加水泥后液限归一化的水泥质量）与单轴试验压缩强度之间的关系。

由图6、图7可知，在这次使用的混合方法中，水泥固化土的单轴试验压缩强度达到峰值的归一化含水率，低于该含水率下强度变得不稳定，归一化含水率为0.70左右。

3 讨论

在该试验中，通过粘土的含水率来检查混合质量，混合的方法是搅拌器搅拌30 min［12-15］。通过比较这些条件下拌合后的强度，4种不同水泥掺量和砂掺量的粘土样品，大部分在初始含水率为0.925wL时出现强度峰值。对于原始低含水率的样品，没有观察到稳定的趋势，例如强度增加、趋于平稳或减小，基于研究结果的含水率与强度关系示意图如图8所示。

由图8可知，当w0/wL减小时，在0.925处出现强度峰值，w0/wL小于该值的区域成为强度不稳定区域。本次试验的粘土出现最高强度意义上的“最佳含水率”为0.925wL左右。归一化含水率小于某一值时，固化处理土的强度变得很难测量。

如上所述，采用海相粘土计算水泥固化土的强度，这是基于在0.9至3.0的归一化含水率范围内没有混合质量影响的假设。根据研究的结果，考虑到混合质量的劣化，可以说有必要重新研究归一化含水率在0.925以下的强度。

在本试验所用的试样中，当固化土的强度达到峰值的w0/wL为0.925时，加入水泥后的w0*/wL*约为0.70。本文计算了充分搅拌粘土的剪切强度sur与归一化含水率的关系，并提出了以下方程：

sur=1.40/w0/wL4.5（15）

由式（15）可知，w0/wL为0.925时，水泥添加前强度为2.0 kN/m2；添加后的w0*/wL*为0.70时，强度为7.0 kN/m2。当归一化含水率在添加水泥前为0.85和添加水泥后为0.64时，这似乎降低了混合质量，搅拌期间的强度从添加前的2.9 kN/m2增加到添加后的10.4 kN/m2。当含水率低时和加入水泥强度增加，导致流动性迅速降低并妨碍均匀混合。

4 结语

（1）使用粘土的水泥固化土在初始含水率0.925wL以下时，强度随着初始含水率的降低而增加。然而，强度在0.850wL以下变得不稳定。许多试件的强度低于初始含水率为0.925wL的试件，当初始含水率进一步降低至0.775wL时，强度进一步降低;

（2）使用初始含水率为1.00wL和1.20wL的样品强度得到的强度估算公式，在初始含水率为0.925wL、0.850wL和0.775wL时养护28 d后测得的强度分别为82%、67%、47%。初始含水率越低，估计强度的降低率越大。这表明由于含水率的减少而导致混合质量下降;

（3）固化土强度达峰值时的w0/wL为0.925，这与粉体喷射搅拌法的结果基本一致;

（4）本研究中使用的海相粘土在加入水泥后显示液限增加、归一化含水率降低、强度增加。除了粘土含水率降低外，由于添加水泥强度增加而导致的流动性降低被认为是混合物质量劣化的原因。

【参考文献】

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