水泥土无侧限抗压强度室内试验研究与分析
材料与装备
GEOTECHNICALENGINEERINGWORLD Vo.l12 No.9
水泥土无侧限抗压强度室内试验研究与分析
曹 云,徐奋强
(南京工程学院建筑工程学院,南京 211167)
摘 要 文章通过水泥土室内配合比试验,研究出水泥掺入量、龄期、土的含水量、外加剂、水灰比对水泥
土试件无侧限抗压强度的影响,对水泥土搅拌桩加固软基有较好的指导作用。
关键词 水泥土 配合比 无侧限抗压强度
中图分类号:TV459+.1 文献标识码:A 文章编号:1009-5098(2009)09-0076-04
1 概述
水泥土搅拌法适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等地基。水泥土是通过粉喷和深层搅拌的方法,将作为固化剂的水泥和外掺剂拌和到软土地基中,使水泥与软土中的物质成分发生物理化学反应,形成的连续稳定弹塑性体,可提高软土地基的抗压强度,减少软土地基的变形,性,并与周围天然土体(桩间土)基。、环境影响小、,深受工程界的欢迎,的应用析。
[1~4]
表1 淤泥质粘土物理力学性质指标
天然含
孔隙
水量
比e
w/%
天然容压缩系压缩模有效粘
量Es聚力c重γ数a
-3-1
/kPa/kN・m/MPa/MPa
1812
01823
3128
有效内
摩擦角φ/°
30
431501128
212 -91和《粉体喷搅法加固软弱土》TB10113-96相关规定,试验用土样用5mm筛筛去其中的夹杂物,拌和均匀,然后加水调整至不同含水量,放置24h后进行试验。各种材料的用量按配合比准确称量,采用人工拌和,搅拌均匀后装入7107cm×7107cm×7107cm的钢模中均匀捣实抹平,制模后用塑料薄膜覆盖试件,以防水分蒸发过快。试件2d后拆模,拆模后放置于温度为22℃(±2℃)的水中浸泡养护至试验龄期。
。本文通过室内试验,针对与工程实际
密切相关的水泥土无侧限抗压强度进行了研究与分
2 室内配合比试验
211 试验材料
3 试验结果及分析
311 水泥掺入量对水泥土强度的影响
水泥加固土的原土取自南京河西地区某场地的淤泥质粘土.该层土在天然状态下呈软流塑状并具高压缩性,工程物理力学性质差,是工程建设中需加固处理的淤泥质粘土。该土的主要物理力学性质指标如表1所示。试验所使用的水泥为江苏力强集团有限公司生产的普通硅酸盐水泥,强度等级为4215R,细度、凝结时间和安定性均合格,水泥物理
水泥掺入量aw是水泥重量与被加固的软土重量之比。本试验水泥掺入量分别为10%、12%、15%、18%、20%、25%,其抗压强度试验结果见表2
和图1所示。
由表2和图1可知,水泥土的抗压强度的总趋势是随着水泥掺入量的增加而增加,即当含水量一定时,水泥土的强度总体上随着水泥掺入量的增加而增加。水泥加固软土主要是由于水泥与泥土之间相互的物理化学反应,包括水泥的水解和水化反应、硬凝反应、水泥和软土之间的离子交换和团粒化作用。水泥作为加固剂,掺量越大,与软土的物理化学
力学性能也合格;减水剂为江苏南通某减水剂厂生产的木质素磺酸钙;石膏粉为南京特种建筑材料有限公司供应的特级熟石膏。
〔收稿日期〕 2009-05-13
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第岩土工程界
12卷 第9期
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值(称为最优初始含水量wop)时,所配制的水泥土在同龄期的水泥土中抗压强度才能达到最高,而且随水泥掺和比的增大,软土的最优初始含水量也会逐渐增大。水泥土的抗压强度与软土含水量的关系出现这样的变化规律的主要原因是:在含水量较低时,水泥和软土拌和后水泥的水化反应不够充分,难以形成足够的对水泥土抗压强度起主要作用的水泥石骨料和较大的土粒团,而且存在的水泥颗粒也会引起凝聚力的减少,因而抗压强度较低。当含水量
[***********]
[**************]1
25
作用进行得越快,程度越深入,加固作用越大,效果越显著。同时,水泥减小了土样的含水量,有利于土样的固结,从而提高水泥土的无侧限抗压强度,改善加固效果。从工程的要求及经济性来考虑,水泥土搅拌桩施工时的水泥掺入量控制在10%~20%为宜。
表2 水泥掺入量与水泥土28d龄期抗压
强度的关系
含水量/%
10
40607090
[**************]
[***********]
单位:MPa
水泥掺入量/%
[***********]
[***********]
过高时,即使水泥发生了充分的水化和硬化反应,但水泥土中存在多余的未参加水泥水化反应的游离水分子,因而抗压强度也降低。只有当含水量适中时,既保证水泥水化硬化充分,又避免自由水泥颗粒和游离水分子的存在,水泥土的抗压强度最高
[5]
。
图1 图2 水泥土无侧限抗压强度与含水量关系图
312 313 龄期对水泥土强度的影响
水泥固化软土需一定的水参与反应,因此水泥土成桩时要求软土必须有一定的含水量,软土的含水量与水泥土的抗压强度之间的关系见表3所示。
表3 软土含水量与水泥土28d龄期
抗压强度的关系
水泥掺入
量/%
101520
龄期是影响水泥土强度的一个重要因素,也是水泥搅拌桩设计施工时考虑的一个重要参数。在水泥土中,由于水泥的掺量较少,水泥的水解和水化反应是在具有一定活性的介质的土的围绕下进行的,所以硬化速度缓慢且作用复杂,因此水泥土强度增长的过程比较缓慢。硬凝反应、水泥和软土之间的离子交换和团粒化作用也是一个长期的过程,水泥土的强度随这些物理化学反应的发展而不断增长
[6]
单位:MPa
软土含水量/%
[1**********]199
[1**********]103
[1**********]131
[1**********]159
[1**********]146
[1**********]123
[**************]
。本试验条件下龄期对水泥土抗压强度的影
响见表4。
表4 龄期与水泥土无侧限抗压
强度的关系
水灰比外加剂龄期7d水泥12%0146掺量15%01550150
0145
由表3可知,在同一水泥掺入量情况下,并不是遵循含水量越高,水泥土强度越低的简单规律。而且水泥土强度并不单纯受软土含水量的影响,还和水泥掺入量有密切关系。图2是在不同水泥掺和比的情况下,水泥土抗压强度与软土含水量的关系。由图2可见,随软土含水量的增加,水泥土的抗压强度先增后减,当水泥掺入量为15%时,由含水量为60%左右的软土所配制的水泥土试样抗压强度在同
单位:MPa
不掺
14d
0155016228d0170018390d11201.397d0.460.56掺110%
14d0.550.6428d0.750.8990d1.271.45由表4可知,水泥土强度基本上随养护龄期的增长而增大。7d龄期时水泥土强度可达标准强度
77
龄期的试样中为最高。这说明只有软土含水量为某
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(90d龄期)的0133~0144;28d龄期可达标准强度(90d龄期)的0156~0166;而180d后,水泥土强度
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度之比为0197-1113,平均值为1107;90d龄期无侧限抗压强度之比为0199-1116,平均值为1106。可见减水剂与石膏粉能使试件28d龄期和90d龄期的无侧限抗压强度有所增加。这其中的原理是在同样的施工条件下,减水剂能改善水泥浆的流动性,从而可使用较小的水灰比,减少水泥土中的含水量,继而提高无侧限抗压强度;在水灰比不变的条件下,水泥浆的流动性越好,对土的拌和作用越强,拌合更均匀、越有效,从而改善水泥加固土的效果。熟石膏粉与土颗粒之间的当量吸附和化学反应使较小的土颗粒形成较大的土团粒,从而使水泥土强度提高。因此,掺人减水剂和熟石膏粉能使水泥土的强度提高。
表6 减水剂与石膏粉对水泥土试件无侧
限抗压强度的影响
项目
减水剂与石膏粉
龄期水灰比25201510
还有缓慢增加的趋势。据电镜观察,水泥土的固化反应约需3个月才能充分完成。因此以90d龄期强度作为水泥土的标准强度。314 水灰比对水泥土强度的影响
一般加固土的含水量对水泥土强度影响较大,水泥浆中的水灰比对水泥土强度影响并不显著,在相同水泥掺入比下,水灰比0145与0150的水泥用量仅相差1~4kg・m
-3
,水泥土强度十分接近。由
表5可见,水灰比0145与0150的试件28d龄期的无侧限抗压强度之比为1100~1110,平均值为1104,90d龄期无侧限抗压强度之比为0197~1112,
平均值为1105。可见,水灰比较低的试件比水灰比较高的试件无侧限抗压强度要稍高。水泥浆的拌合用水一方面是用来满足水泥水化的需要,另一方面是用来满足施工所需的流动性。通常水泥的掺入量较少,软土中的水分足以满足水泥水化的需要,水泥浆中的水分主要是为了满足施工要求。水灰比越大,流动性越好,水泥土强度均匀性越好,不利于土颗粒的凝聚固结,长,提下,。但是水灰比过小,以至于水泥浆不能满足施工要求,不能充分地拌和被加固土,水泥形成团块,分散不均匀,部分水泥土中的水泥含量就会大大少于掺入量,从而影响整体的施工质量和效果。因此应在满足施工和设计要求的前提下,选用合适的水灰比和水泥掺入比。
表5 不同水灰比的水泥土试件无侧
限抗压强度之比
项目
水灰比龄期
减水剂与石膏粉水泥掺量/%
25201815无侧限抗压强度之比
掺/不掺
1.1.1.13110702
0.451.051.1.1.0.10090597
0.501.071.1.1.1.0616120590d
0.451.001.1.1.0.02110699
316 软土本身的影响
由于土样本身含水量、有机质含量和pH值等因素的影响,水泥对土的加固效果存在明显差异。研究表明,当土样含水量在50%~85%范围内变化时,含水量每降低10%,强度可提高30%~50%;有机质含量少的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度高得多,这是因为有机质使土层具有较大的含水量和可塑性、较大的膨胀性和低渗透性,并使土层具有一定的酸性,因此阻碍了水泥的水化反应和土样的固结,影响了水泥土强度的增长。
无侧限抗压强度之比
0145/0150
28d
90d
4 结语
(1)水泥土的抗压强度是衡量软土水泥搅拌桩
掺
1.
0.1.1.00970806不掺
1.1.1.1.04030406掺
1.1.1.1.10010300不掺
1.0.1.1.03991112体强度的最主要指标,室内水泥土配比试验结果表明,水泥土的强度要比原土强度提高数十倍,但它受到水泥掺入比、原土含水量、龄期等因素的制约和影响。
(2)当软土的含水量一定时,水泥土的抗压强
315 外加剂对水泥土强度的影响
度随水泥掺入量的增加而增加。工程设计施工中含水量在35%~60%之间的淤泥质粘土,水泥掺入比在10%~15%之间有良好加固效果。
(3)软土的含水量对水泥土固化具有重要意
表6反映了减水剂与石膏粉对水泥土无侧限抗压强度的影响,由表6可知,水泥土28d龄期掺减水剂与石膏粉和不掺减水剂与石膏粉的无侧限抗压强78
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(6)软土地基搅拌加固法是基于水泥对软土的
义,存在着较为复杂的关系,这时含水量和水泥掺入量同时影响水泥土的强度,一般水泥土强度随水泥土含水量的增大出现先增后减的现象,而水泥掺入量越大,水泥土强度就愈高。由于固化剂含水量的缘故,相同水泥掺入比情况下,浆喷深层搅拌加固体的强度要比粉体搅拌低得多。因此,在原土含水量
较高(一般大于50%)时,若机械、施工工艺可以保证,原则上应选择粉体喷射搅拌技术。反之,如果软土本身含水量较低(一般小于30%),选择浆喷方法更利于水泥的物理化学反应,并使水泥土的搅拌更均匀
[7]
加固作用,而这项新技术无论从加固机理到设计计算方法或施工工艺均有不完善之处,故而水泥搅拌法加固软基能否成功,水泥土的室内试验起着重要作用,因此应十分重视水泥土的室内试验研究工作。
参
考
文
献
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(4)水泥土强度随龄期的增长而增大,在前
90d水泥土强度增长明显,一般100d左右趋于稳
定。水泥掺入比大于12%,15d强度大约为标准强度的35%,30d约为50%。掺入比越高,强度增长趋于稳定所需的时间越长。
(5)影响水泥土强度除水泥掺入量、含水量、龄期以外,还有水泥的标号、软土中有机质类型及数量、水泥土的养护条件等其他因素,仍需进一步试验研究。
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”期刊“国家期刊奖”获奖期刊
CSCD核心库及国际建筑数据库收录期刊
《工业建筑》(月刊)
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