流態(tài)水泥土性能及其工程應(yīng)用研究

劉 暉

(福建建工集團(tuán)有限公司 福建福州 350001)

0 引言

常規(guī)回填土施工過程存在壓實(shí)度不足，施工工作面窄，多層施工時(shí)效率低，后期產(chǎn)生壓縮沉降等問題。流態(tài)水泥土是通過將各類土、膠凝材料和水及外加劑等原材料按一定比例均勻攪拌，現(xiàn)場澆筑而成。若將流態(tài)水泥土應(yīng)用于橋臺(tái)背、路基回填，與常規(guī)回填土相比，具有流動(dòng)性好，施工效率高，強(qiáng)度可調(diào)節(jié)，后期無不均勻沉降等特點(diǎn)[1]。流態(tài)水泥土與其他回填材料相比，其可就地采用工程廢棄土，減少廢棄土的外運(yùn)，且廢棄土作為原材料成本低，大大降低工程成本造價(jià)?；谀壳傲鲬B(tài)水泥土的應(yīng)用和研究都比較少，本文以水土比(拌合水質(zhì)量/干土質(zhì)量)、灰土比(水泥質(zhì)量/干土質(zhì)量)及粉煤灰摻量為單一變量，對流態(tài)水泥土的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度性能進(jìn)行分析研究。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用福建福州煉石水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用福建和東新型建材有限公司生產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰。試樣用土取自福泉高速公路連接線拓寬改造工程開挖的淤泥，并對土樣進(jìn)行100℃烘干，碾碎并密封保存。

1.2 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，測試齡期為7d與28d，每次測試試樣為3個(gè)，測試方法參考《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)進(jìn)行。流動(dòng)度測試采用內(nèi)徑80mm，凈高80mm，內(nèi)壁光滑的圓筒進(jìn)行，參考《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177-2012)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水土比對流態(tài)水泥土流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度的影響

過大的水土比易造成流態(tài)水泥土成型后泌水及體積收縮。本文基于前期試驗(yàn)，以0.15為灰土比，當(dāng)水土比分別為0.6、0.65、0.7、0.75、0.8時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測試其流動(dòng)度及7d、28d強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖1所示。

表1 不同水土比試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

圖1 水土比對流態(tài)水泥土性能影響

由圖1可知，隨著水土比增大，流動(dòng)度呈現(xiàn)線性增大，從0.6增至0.8，流動(dòng)度增大145%，其因在于拌合水的分散作用破壞了土顆粒之間原有的粘結(jié)作用及摩擦阻力，在土顆粒之間形成水膜，水膜起到潤滑作用，水膜越厚越有利于流動(dòng)度的提高[2]。流態(tài)水泥土流動(dòng)度不足易導(dǎo)致試樣成型分層現(xiàn)象，如圖2所示。流動(dòng)度提高后，試樣成型可以自密實(shí)，如圖3所示。從圖中看出，水土比從0.6增至0.7，有利于流態(tài)水泥土強(qiáng)度提高，28d強(qiáng)度從0.41MPa增至1.15MPa，但進(jìn)一步增大至0.8，流態(tài)水泥土強(qiáng)度反而降低，降低至0.58MPa。分析原因是由于水土比增大使土顆粒和水泥均勻分布在整個(gè)流態(tài)水泥土體系中，使水泥水化產(chǎn)物更為均勻地作為骨架膠結(jié)土顆粒，提高抗壓強(qiáng)度；拌合水用量超過0.7后過量的水分在干燥過程中留下較多不規(guī)則的水分通道，此處土顆粒和水化產(chǎn)物無法粘結(jié)在一起，為抗壓受力不利部位，從而降低抗壓強(qiáng)度。

圖2 成型后試樣分層

圖3 成型后試樣密實(shí)

2.2 灰土比對流態(tài)水泥土流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度的影響

增大水泥用量有利于增加流態(tài)水泥土中的水化產(chǎn)物，增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)作用。本文基于前期試驗(yàn)，以0.75為水土比，當(dāng)灰土比分別為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測試其流動(dòng)度及7d、28d強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。

表2 不同灰土比試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

圖4 水土比對流態(tài)水泥土性能影響

由圖4可知，灰土比從0.1增大到0.3，膠凝材料需水量逐漸增大，流動(dòng)度從283mm不斷減少，降低幅度分別為10.6%、16.6%、21.2%、27.6%；抗壓強(qiáng)度隨灰土比增大呈現(xiàn)不斷增長，分析原因是當(dāng)水泥摻入量不夠時(shí)，水化產(chǎn)物只能部分將土顆粒進(jìn)行膠結(jié)起來，水化產(chǎn)物尚未形成整體的膠結(jié)骨架，如圖5所示，試樣破壞面較為疏松；隨著水泥摻入量增加，水化產(chǎn)物逐漸增加，開始可以建立起整體膠結(jié)骨架，隨著水化產(chǎn)物進(jìn)一步增加，膠結(jié)骨架體積占比增大，從而提高強(qiáng)度，如圖6所示，試樣破壞面較為緊密[3]。

圖5 試樣破壞面疏松

圖6 試樣破壞面緊密

2.3 粉煤灰對流態(tài)水泥土流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰自身形態(tài)的滾珠效應(yīng)，可以進(jìn)一步改善流動(dòng)性能，且有效利用環(huán)保材料。本文基于前期試驗(yàn)，以0.75為水土比，0.2為灰土比，粉煤灰替代水泥分別為15%、20%、25%、30%、35%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測試其流動(dòng)度及7d、28d強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖7所示。

表3 不同粉煤灰摻量試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

圖7 粉煤灰對流態(tài)水泥土性能影響

圖8 試樣表面未泌水

圖9 試樣表面泌水

由圖7觀察得知，隨著粉煤灰摻量15%增大至35%，流動(dòng)度從261mm增大為326mm，這是因?yàn)榉勖夯覞L珠效應(yīng)對水泥顆粒以及土顆粒均起到了潤滑作用。但粉煤灰摻量若是過大，流態(tài)水泥土需水量下降顯著，導(dǎo)致試樣表面泌水，如圖8～圖9對比所示。

由圖7可知，粉煤灰摻量從15%～20%時(shí)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為增長，這是因?yàn)榉勖夯业幕钚晕镔|(zhì)與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成水化硅酸鈣等對強(qiáng)度有利的產(chǎn)物，且消耗掉了氫氧化鈣，提高了水化產(chǎn)物的致密性[4]；從20%～35%時(shí)，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為減少，這是由于水泥占比減少，整體上利于強(qiáng)度的水化產(chǎn)物減少。粉煤灰15%、20%、25%、30%、35%從7d～28d強(qiáng)度增長分別占各自28d強(qiáng)度29.21%、22.51%、25.31%、24.24%、25.93%，未摻粉煤灰7d～28d強(qiáng)度占比為17.11%，粉煤灰可增強(qiáng)流態(tài)水泥土后期強(qiáng)度發(fā)展。

3 流態(tài)土施工要點(diǎn)

(1)流態(tài)水泥土制備配合比，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場土源的實(shí)際特性及其變化進(jìn)行調(diào)整，防止水土比過大導(dǎo)致泌水現(xiàn)象嚴(yán)重，結(jié)石率過低，澆筑效果不理想；亦可防止水土比過小導(dǎo)致水泥土施工性能不足，泵送困難，澆筑無法密實(shí)。

(2)流態(tài)水泥土拌合時(shí)，應(yīng)按配合比設(shè)計(jì)計(jì)量各原材料用量；并且，要首先將土與膠凝材料干拌合均勻后，再加入水進(jìn)行均勻拌合。

(3)由于流態(tài)水泥土流動(dòng)度較大，澆筑流態(tài)水泥土?xí)r，各模板與模板之間須確保嚴(yán)密，防止漏漿；且固密度較大，澆筑體對模板易有較大側(cè)壓力，因此模板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

(4)流態(tài)水泥土的澆筑口，應(yīng)該離澆筑點(diǎn)1m高差以內(nèi)；澆筑厚度應(yīng)該按0.3m～0.8m進(jìn)行，上層澆筑應(yīng)該等下層澆筑體終凝后進(jìn)行。

(5)澆筑完成后，應(yīng)在澆筑完成面覆蓋上草氈進(jìn)行養(yǎng)護(hù)24h以上，未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前，禁止人與車輛通行；未硬化之前，若碰到大雨或暴雨天氣，應(yīng)該采取避雨措施。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)計(jì)不同水土比、不同灰土比及不同粉煤灰摻量進(jìn)行試驗(yàn)，對施工性能和抗壓強(qiáng)度性能進(jìn)行對比分析，主要得出以下結(jié)論：

(1) 水土比增大使土顆粒和水泥均勻分布在流態(tài)水泥土內(nèi)部，使水泥水化產(chǎn)物更為均勻地作為骨架膠結(jié)土顆粒，提高抗壓強(qiáng)度；拌合水用量超過0.7后，過量的水分在干燥過程中留下較多不規(guī)則的水分通道，此處土顆粒和水化產(chǎn)物無法粘結(jié)在一起，降低抗壓強(qiáng)度。

(2)水泥摻入量較少時(shí)，流態(tài)水泥土內(nèi)部各組分粘結(jié)較為疏松，當(dāng)摻入量增加時(shí)，水化產(chǎn)物在流態(tài)水泥土內(nèi)部形成骨架，提高抗壓強(qiáng)度。

(3)粉煤灰滾珠效應(yīng)對水泥顆粒以及土顆粒均起到了潤滑作用，但粉煤灰摻量若是過大，流態(tài)水泥土需水量下降顯著，導(dǎo)致試樣表面泌水。

(4)粉煤灰的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成水化硅酸鈣等對強(qiáng)度有利的產(chǎn)物，消耗掉了氫氧化鈣，提高了水化產(chǎn)物的致密性。