水泥土在水利水電工程中的應(yīng)用

趙志強

（商洛市水電勘測設(shè)計院 陜西 商洛 726000）

早在1000多年前，就有利用石灰粉按一定比例與土攪拌均勻形成灰土，夯填后用作建筑物的地基或基礎(chǔ)材料。許多古代建筑保留至今完好無損也說明了該種灰土材料的可利用性。至今，灰土地基或基礎(chǔ)、灰土墊層還在廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和水泥的問世，人們仿照灰土，以水泥作主劑，將水泥通過一定手段與土體攪拌均勻形成了整體的、堅硬的、穩(wěn)定性好的生成物——水泥土。

水泥土的廣義概念主要指用水泥做結(jié)合料所得的混合料，它既包括用水泥穩(wěn)定各種細(xì)粒土，也包括用水泥穩(wěn)定各種中粒土和粗粒土。在松散的土料中，摻入適量水泥，經(jīng)拌和得到的混合料在壓實和養(yǎng)護(hù)后，當(dāng)其抗壓強度符合規(guī)定的要求時，稱為水泥土。通常提及的水泥土都是指的廣義概念。

狹義地界定，水泥土則指用水泥穩(wěn)定細(xì)粒土得到的強度符合要求的混合料。其強度主要由所使用的原材料而定，即水泥砂、水泥石屑、水泥碎石、水泥砂礫等。

1 水泥土的形成機理

1.1 水泥水解和水化反應(yīng)

普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化鋁、三氧化二鐵及三氧化硫組成，這些礦物組成了不同的水泥礦物：硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣等。水泥與土體攪拌加固軟土?xí)r，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、水鋁酸鈣及水鐵酸鈣化合物。

1.2 粘土顆粒與水泥水化物作用

①離子交換和團(tuán)?；饔?。粘土顆粒與水泥水化物產(chǎn)生離子交換作用、團(tuán)粒化作用。前者可使土顆粒分散度降低產(chǎn)生凝聚，形成較大的團(tuán)粒，提高了土體強度。后者可使團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合，形成水泥土團(tuán)粒，從而提高水泥土的強度。②硬凝反應(yīng)。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣離子與粘土礦物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化合物。新的化合物在水中、空氣中逐漸硬化，又提高了水泥土的強度。其結(jié)構(gòu)比較致密，水分不易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩(wěn)定性。

1.3 碳化作用

水泥水化物中游離氫氧化鈣能吸收水中的二氧化碳，發(fā)生碳酸反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣。這種反應(yīng)也能增加水泥土的強度，但增長較慢，幅度也較小。水泥土從組成成分而言，不同于土，因它摻入了水泥，對土進(jìn)行改性。但它也不同于一般的混凝土，因為無骨料，而細(xì)骨料也因土層情況不同而各異。

就強度而言，主要受工程地質(zhì)條件及水泥土摻入量兩個因素控制。一般說來，砂類土及原地基承載力較高的土所形成的水泥土強度較高。淤泥及淤泥質(zhì)土（尤其含有機質(zhì)多的土）形成的水泥土的強度則較低。同一類土，含水量高，所形成的水泥土的強度則較低。

2 當(dāng)前水泥土的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，在各類工程中經(jīng)常會遇到軟弱土地基。水泥土具有造價低廉、施工簡單、質(zhì)量容易控制等優(yōu)點，其在土木工程中已有廣泛應(yīng)用，常用于建（構(gòu)）筑物的松軟地基增強，一般以夯實水泥土樁形式出現(xiàn)，形成強度和抗變形能力有明顯提高的復(fù)合地基。還有公路建設(shè)上常用的水泥穩(wěn)定砂等應(yīng)用。

夯實水泥土樁是用人工或機械成孔，選用相對單一的土質(zhì)材料，與水泥按一定配比，在孔外充分拌和均勻制成水泥土，分層向孔內(nèi)回填并強力夯實，制成均勻的水泥土樁。夯實水泥土樁作為中等粘結(jié)強度樁，不僅適用于地下水位以上淤泥質(zhì)土、素填土、粉土、粉質(zhì)粘土等地基的加固，對地下水位以下的工況，在進(jìn)行降水處理后，也可采取夯實水泥土樁進(jìn)行地基加固。夯實水泥土樁通過兩方面作用使地基強度提高，一是成樁夯實過程中擠密樁間土，使樁周土強度有一定程度地提高；二是水泥土本身夯實成樁，且水泥與土混合后可產(chǎn)生離子交換等一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使樁體本身有較高強度，具有水硬性。經(jīng)水泥土處理后，地基的強度和抗變形能力均有明顯提高。

3 水泥土在水利水電工程的應(yīng)用

由于水利水電工程與其他各類工程相比，具有很高的水因素特性，而水泥土具有明顯的水硬性，正好對解決水利水電工程水因素特殊性有較強的針對適應(yīng)。水利水電工程往往需要采用大量建筑材料，而水泥土除利用少量的水泥作為固結(jié)劑外，對主體材料要求較低，例如，水泥土可以就地采用土料、沙礫石、碎石屑等原位松散材料，因此，其有造價低廉、施工簡單、質(zhì)量容易控制等優(yōu)點。因此，水泥土在水利水電工程建設(shè)中有越來越多的應(yīng)用，也應(yīng)該有更廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)水泥土具有的水硬性、整體性、穩(wěn)定性，以及結(jié)構(gòu)比較致密、堅硬，水分不易侵入等特點，水泥土在水利水電工程中主要有以下方面的應(yīng)用。

（1）水工建（構(gòu)）筑物地基加固增強。利用原位材料水泥土，平鋪夯實水泥土層，形成建（構(gòu)）筑物地基或墊層；或利用原位材料，形成水泥土攪拌樁、旋噴樁、粉噴樁、夯實水泥土樁等復(fù)合地基，提高地基標(biāo)準(zhǔn)承載力值，滿足地基穩(wěn)定要求。

（2）水工建（構(gòu)）筑物防滲。利用水泥土的水硬性、較高密度、抗凍脹、抗水溶等特點，用于建（構(gòu)）筑物的地基防滲和自身防滲。譬如：在攔河壩、閘、防洪堤防建設(shè)中，采用水泥土形成防滲鋪蓋、防滲齒墻、防滲墻等；水泥土作為防滲材料，用于構(gòu)筑心墻、斜墻或面板，用于土壩防滲；輸水渠道的過水?dāng)嗝娌捎盟嗤列纬擅姘?、底板，用于防滲和防沖刷。商洛市多座城區(qū)河道景觀橡膠壩設(shè)計中就采用了水泥土作為壩前防滲鋪蓋主體，由于其親水、水硬性，對施工場地排水要求不嚴(yán)格等優(yōu)點，既有很好的防滲效果，又節(jié)省了一定的排水費用，縮短了建設(shè)工期，具有較好的施工效果。

（3）構(gòu)筑水工建（構(gòu)）筑物。水泥土具有較強的整體性和重度，而較大比例的主體材料又很好地規(guī)避了水泥凝結(jié)時的水化熱，還具有一定程度的抗沖性，可以用于水工建（構(gòu)）筑物的構(gòu)筑。譬如：水泥土構(gòu)筑防洪堤防的堤身或面層，防洪墻墻身或面層，護(hù)坡主體或面層，攔河壩壩體，攔河閘閘墩、底板的內(nèi)部填筑等。

4 應(yīng)用中需要注意的問題

（1）水泥土是利用水泥作為固結(jié)劑，就地利用土料作為主體材料，按一定比例拌和，水硬之后形成的。水泥土主體材料具有廣泛多樣性，尤其是土料更是千差萬別，而水泥土的物理力學(xué)性能主要取決于土料顆粒級配、干密度和水泥摻量三項因素。因此，在應(yīng)用水泥土?xí)r需要進(jìn)行水泥土室內(nèi)配合比試驗，通過相應(yīng)的試驗，依據(jù)水泥、土料成分，分析確定水泥摻入比、拌和程度和養(yǎng)護(hù)齡期等指標(biāo)。

（2）水泥土室內(nèi)配合比試驗應(yīng)包括水泥品種、水泥摻量和水灰比的確定，外加劑品種及摻量的確定，拌和土各齡期強度的試驗等內(nèi)容。室內(nèi)配合比試驗應(yīng)采用加固工程的地基土、拌和用水和工程擬采用的水泥和外加劑進(jìn)行。水泥可選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，必要時也可選用其它品種水泥，有條件時應(yīng)選用緩凝水泥，水泥質(zhì)量應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水泥土強度的要求，水泥用量一般取值范圍為150kg/m3～200kg/m3。

（3）應(yīng)用水泥土?xí)r，應(yīng)根據(jù)不同的用途重點研究水泥土所發(fā)揮的作用。針對作用，進(jìn)行發(fā)揮其作用的物理力學(xué)指標(biāo)項目相應(yīng)的試驗。譬如：在利用水泥土作為防滲材料時，應(yīng)試驗水泥摻量和水泥標(biāo)號，被加固土質(zhì)特性和含水量，拌和程度，成型環(huán)境和齡期，分析確定其密度和抗凍指標(biāo)等；在利用其作為地基增強時，應(yīng)試驗水泥摻量和水泥標(biāo)號，被加固土質(zhì)特性和含水量，拌和程度，成型環(huán)境和齡期，分析其強度指標(biāo)等。

（4）由于水泥土主體材料具有廣泛性、多樣性，在采用時，應(yīng)做多種材料的方案比較，從多方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，力爭做到技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。陜西水利