水泥改良黃土試驗研究

郭 星，張齊齊，劉博榕，曾佑江

(西北大學 地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

黃土作為一種特殊土，孔隙發(fā)育，具有易滲透性、易濕陷性、易崩解性和水穩(wěn)定性差等特性，易造成地裂縫、建筑物的不均勻沉降等問題。地基的強度剛度、穩(wěn)定性和工后沉降與填料工程性質(zhì)的好壞密切相關(guān)，因此可對黃土填料進行改良，來提高地基承載力并消除濕陷性。在缺乏優(yōu)質(zhì)填料的情況下，可以將不合格填料經(jīng)過改良使其成為合格填料，因地制宜，采用黃土填料。近年來，圍繞黃土填料的研究得到了廣泛重視，很多成果已經(jīng)成功的應(yīng)用于工程建設(shè)項目。鄭江等[1]通過試驗得出水泥改良土飽和無側(cè)限抗壓強度隨著水泥摻合比的增加而增加，不存在最佳水泥摻合量，相同壓實度下的無側(cè)限抗壓強度并非在最優(yōu)含水率時最大;高建偉等[2]通過微觀結(jié)構(gòu)的對比分析知，水泥改良土的孔隙中生長有大量纖維狀鈣礬石，增強了土粒間的連結(jié)，改善了土體性質(zhì)。有關(guān)該地區(qū)黃土改良的研究很少，本文通過對三種不同配合比的水泥改良黃土分別進行了力學性質(zhì)試驗[3]，對其靜態(tài)的物理力學特性規(guī)律進行研究[4]，得出最佳摻合比，為地基的填筑提供參考依據(jù)，此外，通過掃描電鏡照片從微觀角度分析了土體性質(zhì)改變的原因。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

試驗所用的黃土為上更新統(tǒng)Q3el+dl粉質(zhì)粘土，土體孔隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，土質(zhì)較均勻。壓縮系數(shù)在0.21～0.43之間變化，屬于中壓縮性黃土，具有濕陷性，無側(cè)限抗壓強度低，不符合地基填料要求。其物理指標見表1。試驗所用的水泥采用 32.5。

表1 試驗黃土基本物理性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123－1999)進行。分別對擾動黃土以及改良土的物理力學特性進行試驗，改良土中水泥的摻量為2%、4%、6%。

1.2.1 重型擊實試驗

為了減少不均勻沉降，提高地基強度，在施工時必須對黃土填料進行夯實。而填料壓實的質(zhì)量通過最大干密度ρdmax和最優(yōu)含水率Wopt來控制，本文采用 CSK－V1型多功能電動擊實儀進行重型擊實試驗。

將過0.5 mm篩的烘干土與水泥均勻拌合，再加一定量的水拌勻放入保鮮袋內(nèi)密封，潤濕一晝夜。擊實時，改良土分五次放入擊實桶內(nèi)，每層56擊。根據(jù)測得的五種含水量對應(yīng)的干密度，繪制擊實曲線，求出相應(yīng)的最大干密度和最優(yōu)含水量。

1.2.2 固結(jié)試驗

將三種不同配合比的改良土按最優(yōu)含水量制成壓實系數(shù)η 為 0.92、0.95 的試樣，試樣面積 50 cm2，高 2 cm。試驗按照 50 KPa、100 KPa、200 KPa加荷，測得壓縮系數(shù) a0.1 ～ 0.2和壓縮模量 Es0.1 ～0.2。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度的大小直接影響地基的承載力，是反映水泥改良土物理力學特性和水穩(wěn)定性的重要指標[5]，采用 －－－測定無側(cè)限抗壓強度。將三種不同水泥摻量的改良土按最優(yōu)含水量、壓實系數(shù) η 為0.92、0.95制成直徑10 cm、高15 cm的圓柱狀試樣，分別測試其標準養(yǎng)護7 d、14 d、28 d的無側(cè)限抗壓強度，繪制不同齡期、不同摻合比的改良土強度關(guān)系曲線。

2 試驗特性

2.1 擊實特性

由圖1可以看出，在水泥摻量一定的條件下，干密度隨含水率的增大先增大，達到最大干密度后又逐漸減小。這是因為擊實使得孔隙中的空氣逸出，孔隙減小，土顆粒重新排列，過了最優(yōu)含水率ωopt、最大干密度ρdmax之后，擊實作用的功大部分被孔隙水承擔，土顆粒所承擔的有效應(yīng)力減小，此時干密度隨著含水量的增大而減小。

加入水泥后，改良土隨著水泥摻量的增大，最優(yōu)含水量ωopt增大，最大干密度 ρdmax減小，且水泥摻量越大，擊實曲線越平緩，說明在最優(yōu)含水率附近，隨著水泥摻量的增加，含水量對干密度的影響減小。最優(yōu)含水量ωopt增大的原因是加入水泥的容重較黃土的小，且黃土中的礦物成分與水泥發(fā)生物理化學反應(yīng)所需要的水量不斷增多，擊實試驗結(jié)果見表2。

表2 擊實試驗結(jié)果

2.2 壓縮特性

在黃土中加入水泥后，不僅壓縮性得到了改善，而且孔隙減少，濕陷性減弱。經(jīng)過改良后的黃土，其壓縮系數(shù)均小于 0.1 MPa－1，屬于低壓縮性土[6]。在水泥摻量一定的條件下，壓縮系數(shù) a0.1～0.2隨著壓實系數(shù) η 的增加而減小，壓縮模量 Es0.1～0.2反之;壓實系數(shù) η 一定時，水泥摻量增加，壓縮系數(shù) a0.1～0.2減小，壓縮模量 Es0.1～0.2增大。在實際工程中，用改良土進行填筑，壓縮變形減小，地基變形得到一定控制，大大提高了工程質(zhì)量和安全性，壓縮試驗結(jié)果見表3。

表3 水泥改良土的壓縮試驗結(jié)果

2.3 強度特性

2.3.1 養(yǎng)護齡期對改良土強度的影響

表4為不同水泥摻量、壓實系數(shù) η=0.95改良土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果。從圖1中可看出，在水泥摻量一定的條件下，改良土的無側(cè)限抗壓強度顯著增大，且養(yǎng)護后期的強度增長值較前期較大[7];從圖2可看出在養(yǎng)護齡期一定時，隨著水泥摻量的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強度有小幅增長。

圖1 改良黃土無側(cè)限抗壓強度隨齡期的變化曲線

2.3.2 水泥摻量對黃土抗剪強度的影響

表5為不同水泥摻量、擊實系數(shù) η=0.95、標準養(yǎng)護28 d改良土的直剪試驗結(jié)果。在擊實度、養(yǎng)護齡期一定的條件下，隨著水泥摻量的增加，試樣的粘聚力 c、內(nèi)摩擦角 φ相應(yīng)增大。

表4 水泥改良土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖2 改良黃土無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線

表5 直剪試驗結(jié)果

3 水泥改良土機理

水泥在土中構(gòu)成堅硬的核心，在孔隙中形成水化水泥的骨架，約束土顆粒是水泥改變土性質(zhì)的主要原因。赫佐格研究發(fā)現(xiàn)，在蒙脫土中，低劑量的水泥應(yīng)力應(yīng)變特性表明，水泥首先在土中構(gòu)成核心，水泥用量增加時，水泥成為骨架結(jié)構(gòu)，在水泥用量為 2.5%時，便構(gòu)成了連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)[8－10]。

水泥與土拌合后，水泥礦物與土中的水分發(fā)生強烈的水解水化反應(yīng)，同時從溶液中分解出Ca(OH)2并形成其他水化物，作用方式主要為以下3種:

(1)離子交換及團?；饔?/p>

水泥與土中水水化作用后，析出的Ca2+與土顆粒表面的K+、Na+發(fā)生離子交換、吸附作用等一系列反應(yīng)，土顆粒的水膜變薄，使得大量的土顆粒聚集成團，同時Ca(OH)2具有強烈的吸附性，使得土團粒進一步結(jié)合，形成水泥與土顆粒的鏈條狀結(jié)構(gòu)，土顆粒間的孔隙也被填充，形成堅固的聯(lián)結(jié)。離子交換作用反應(yīng)較快，是水泥改良土早期強度形成的主要原因。

(2)碳酸化作用

水泥水化后，形成的Ca(OH)2不斷地與空氣中的 CO2和水中的H2CO3水解形成的CO2反應(yīng)生成CaCO3，其使土顆粒膠結(jié)形成粗?；饔茫岣吡送馏w強度。

(3)硬凝反應(yīng)

在水化反應(yīng)過程中，水泥溶液析出大量的Ca2+與土中的SiO2和Al2O3進行化學反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定纖維狀結(jié)晶礦物鈣礬石，大大提高了改良土的強度。

圖3 不同放大倍數(shù)的掃描電鏡照片

4 微觀結(jié)構(gòu)分析

土的微觀結(jié)構(gòu)是指土顆粒的大小、形狀、相互排列，尤其是相互連結(jié)的情況。從原狀土×5000的掃描電鏡上可看出，原狀黃土為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，粗顆粒構(gòu)成骨架，基質(zhì)膠結(jié)則由細粒、粉粒、粘粒和膠結(jié)物等組成。水泥的摻入改變了土顆粒之間的骨架結(jié)構(gòu)和連結(jié)方式。因此，對不同水泥摻量的微觀結(jié)構(gòu)研究分析在一定程度上可以解釋改良黃土宏觀物理特性的變化。

對比 a1、b1、c1、d1可以看出，隨著水泥摻量的增多，土粒間的連結(jié)狀態(tài)發(fā)生了顯著地變化，孔隙減少，土體單元內(nèi)的排列變得緊密，土顆粒的邊緣由清晰變的模糊。放大5 000時，原狀土(見圖a2)土顆粒邊界清晰，顆粒大且棱角分明，從水泥摻量2%(見圖b2)、水泥摻量4%(見圖c2)到水泥摻量6%(見圖d2)顆粒的邊界逐漸模糊，小顆粒增多，土體中出現(xiàn)了鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，且在孔隙間出現(xiàn)了很多細小的針狀晶體，水泥含量越多，土中針狀晶體則越長，越密集，使得顆粒間的摩擦面增大。

擊實試驗結(jié)果表明，水泥改良土的最優(yōu)含水量和最大干密度隨著水泥摻量的變化而變化，水泥摻量增大，最優(yōu)含水量增大而最大干密度減小。從圖 b2、c2、d2可看出，顆粒的邊緣隨著水泥摻量的增大變得越模糊，同時顆粒間的孔隙變小致使毛細作用增強，持水能力增大。所以，水泥摻量越大，被水泥吸收的水分就越多，擊實時土體中的水分不易排出，所以最優(yōu)含水量隨著水泥摻量的增加而增大。

摻入水泥后，土體與水泥發(fā)生化學反應(yīng)，新生物質(zhì)不斷地填充到大孔隙中，土顆粒聚集形成團粒，土粒間更多的呈現(xiàn)出面面接觸。而 且，小顆粒的增多使顆粒移動時的摩擦阻力增大，阻礙了土顆粒在擊實過程中相互靠近，也使得擊實時用于克服摩擦阻力的功增多，有效擊實功減小，從圖—放大5 000倍的掃描電鏡照片看出，水泥摻量6%的改良土生成的結(jié)晶物最多，所以，最大干密度隨著水泥摻量的增加而減小。同時，這也是水泥摻量增大，壓縮系數(shù)減小，內(nèi)摩擦角、粘聚力、無側(cè)限抗壓強度增大的原因。

5 結(jié)語

(1)Q3

el+dl改良土的最優(yōu)含水率隨水泥摻量的增大逐漸增大，而最大干密度逐漸減小。

(2)Q3

el+dl改良土的壓縮系數(shù)均小于 0.1 MPa－1，屬于低壓縮性土。在水泥摻量一定的條件下，壓縮系數(shù) a0.1～0.2隨著壓實系數(shù) η 的增加而減小，壓縮模量 Es0.1～0.2反之;壓實系數(shù)η 一定時，水泥摻量增加，壓縮系數(shù) a0.1～0.2減小，壓縮模量Es0.1～0.2增大。

(3)水泥摻量、養(yǎng)護齡期、密實度可以影響水泥改良土的強度。抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增加而增加。在實際生產(chǎn)中，水泥摻量應(yīng)考慮經(jīng)濟方面的因素綜合確定。

(4)水泥改良土通過改變土體的顆粒大小、形狀、連結(jié)方式、膠結(jié)狀態(tài)等來改變土體的物理力學性質(zhì)。

(5)在施工質(zhì)量得到保證的前提下，該區(qū)地基處理可采用4%水泥改良土進行改良。

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