水泥穩(wěn)定土干縮性能及其尺寸效應(yīng)

　　摘要:為了研究水泥穩(wěn)定土的干縮性能及其尺寸效應(yīng)，結(jié)合蒙城某水利樞紐工程，采用工程現(xiàn)場(chǎng)的兩種黏土進(jìn)行了水泥穩(wěn)定土的室內(nèi)干縮性能試驗(yàn)，測(cè)試了不同水泥用量、不同養(yǎng)護(hù)期水泥穩(wěn)定土試件的干縮率，并對(duì)比了試件尺寸對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥穩(wěn)定土的干縮率隨齡期延長(zhǎng)而增大，14d后趨于穩(wěn)定;隨著水泥用量的增加，試件干縮率降低;養(yǎng)護(hù)期延長(zhǎng)對(duì)于降低水泥穩(wěn)定土干縮有利，但效果有限;各齡期試件干縮率與質(zhì)量損失率正相關(guān);試件大小對(duì)于干縮率影響很小，尺寸效應(yīng)不顯著。

　　關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定土;干縮性能;無側(cè)限抗壓;質(zhì)量損失;尺寸效應(yīng)

　　使用水泥進(jìn)行穩(wěn)定處理的土稱為水泥穩(wěn)定土(以下簡(jiǎn)稱“水泥土”)，水泥土研究源自20世紀(jì)的美國(guó)和日本[1]。相比傳統(tǒng)的石灰，尤其對(duì)高水分的土壤[2]，使用水泥作為穩(wěn)定組分，具有更好的穩(wěn)定性。水泥還可以和固廢摻合料聯(lián)用進(jìn)一步改善土壤的強(qiáng)度和耐久性[35]。工程上對(duì)水泥土的強(qiáng)度和耐久性問題比較重視，但對(duì)收縮重視不足，實(shí)際上，收縮問題與耐久性問題同等重要。水泥土收縮主要可分為水泥水化產(chǎn)生的自收縮、失水產(chǎn)生的干縮和溫度變化產(chǎn)生的熱收縮三部分[6]，其中干縮占比在70%以上[7]。土料品種也對(duì)收縮有影響，一般水泥土收縮量在0.1%~1%，粗粒土料接近下限，細(xì)粒土料接近上限[8]。

　　在工程運(yùn)行早期，水泥土的收縮會(huì)受到上下層摩擦約束，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力超過水泥土的最大容許拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生還將加速水的滲透，從而降低其耐久性[9]。一般來說，黏土水泥土的裂縫寬度較小但間距很近(0.6~3.0mm)[10]。George[11]研究發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)的水泥穩(wěn)定材料收縮更大;Bahar等[12]研究了阿爾及利亞的水泥穩(wěn)定細(xì)顆粒土的收縮，發(fā)現(xiàn)在早期收縮值也很大。水泥土的收縮還與其初始濕含量有關(guān)，如果初始濕含量降低到70%，由于孔隙水的不連續(xù)性，收縮裂縫會(huì)減少[1314]。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開始對(duì)水泥土的工程性質(zhì)和理論開展研究，近年來隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn)，水泥土以經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工方便的特點(diǎn)成為地下防滲[15]、地基處理、護(hù)坡的主要材料[16]。

　　國(guó)內(nèi)對(duì)于水泥土的收縮研究較少，嵇曉雷等[17]針對(duì)水泥攪拌樁研究了不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)水泥土試件收縮的影響，但不包含干燥環(huán)境;陳甦等[1819]對(duì)水泥土強(qiáng)度問題進(jìn)行了尺寸效應(yīng)研究。目前相關(guān)研究存在以下不足：①試件的成型基本為擠壓，與實(shí)際碾壓工藝有偏差;②缺乏前期不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)干縮的影響;③沒有研究室內(nèi)干縮試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)。本研究結(jié)合安徽蒙城某水利樞紐工程，對(duì)水泥土的干縮和尺寸效應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，以為工程制定防裂控制方案提供參考。

　　1原材料

　　試驗(yàn)原材料取自安徽蒙城的某樞紐工程，該工程由節(jié)制閘、分洪閘、船閘3座建筑物組成，是一座集防洪、排澇、蓄水灌溉、交通航運(yùn)于一體的樞紐工程。根據(jù)設(shè)計(jì)，節(jié)制閘和船閘基礎(chǔ)處理采用水泥土換填。試驗(yàn)用土包括輕粉質(zhì)壤土(船閘部位選用，以下簡(jiǎn)稱“輕土”)和重粉質(zhì)壤土(節(jié)制閘選用，以下簡(jiǎn)稱“重土”)兩種，該分類名稱來自SL2652001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》。水泥選用散裝32.5級(jí)粉煤灰硅酸鹽水泥。依據(jù)GB/T501232019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)兩種土分別進(jìn)行了物理性質(zhì)、顆粒組成等測(cè)試，可見它們屬于低液限黏土。兩種土的性質(zhì)區(qū)別不大，重土的細(xì)顆粒略多。

　　2試驗(yàn)方法

　　2.1水泥土配比計(jì)算

　　在進(jìn)行水泥土試驗(yàn)前，對(duì)水泥用量10%左右的水泥土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)(筒容積2103.9cm3，擊錘質(zhì)量4.5kg，每層擊數(shù)56，落距457mm)得到最大干密度和最佳含水率。

　　其中，輕土水泥土的最大干密度為1.72g/cm3,對(duì)應(yīng)最佳含水率為19.8%;重土水泥土最大干密度為1.73g/cm3,對(duì)應(yīng)最佳含水率為18.2%。水泥土配合比以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，水泥用量以干土為基準(zhǔn)選用7%、10%、13%等3個(gè)摻量。拌合前將原土晾干為風(fēng)干土，再碾碎并過5mm圓孔篩，以便去除其中的大顆粒，然后裝袋密封保存用于后續(xù)試驗(yàn)。由于配比中土的用量以干土計(jì)，而實(shí)際拌合制樣時(shí)使用風(fēng)干土，故需測(cè)量風(fēng)干土的含水率，便于配比計(jì)算。試驗(yàn)前對(duì)風(fēng)干土的含水率可再次測(cè)量以保證實(shí)際用水量的穩(wěn)定。

　　2.2成型及測(cè)試方法

　　水泥土采用強(qiáng)制式砂漿攪拌機(jī)拌制。為了模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的碾壓施工工藝，試件制作未采用通常的壓實(shí)或擊實(shí)，而是采用振動(dòng)臺(tái)結(jié)合壓重塊的方式進(jìn)行，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率為50Hz，空載振幅為0.5mm;參考SL3522018《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)碾壓混凝土試驗(yàn)的要求，壓重塊采用高度為61mm的不銹鋼塊，截面尺寸按試件尺寸加工。將試模放在振動(dòng)臺(tái)上，分層加入拌制好的水泥土，再放上壓重塊，開啟振動(dòng)臺(tái)30s，水泥土即可振動(dòng)壓實(shí)。強(qiáng)度試件為邊長(zhǎng)50mm的立方體，干縮試件為40mm×40mm×160mm棱柱體。干縮試模端部留有小孔便于裝入測(cè)頭，每個(gè)試件分3層壓實(shí)，最后一層壓實(shí)后，用刮刀小心去除多余材料，并使表面平整。

　　參照SL352—2018《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的水泥砂漿干縮試驗(yàn)采用電子千分尺測(cè)量長(zhǎng)度。同一個(gè)配合比進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)期的干縮對(duì)比，即試件拆模后，分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d，養(yǎng)護(hù)期滿后再放入干縮室(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度60%)，測(cè)量其干燥后各齡期(1d、3d、7d、14d、28d、56d)的試件長(zhǎng)度，并計(jì)算其干縮率，初長(zhǎng)測(cè)量在拆模后即開始;測(cè)長(zhǎng)時(shí)同步進(jìn)行稱重，以記錄試件的質(zhì)量變化。尺寸效應(yīng)對(duì)比試驗(yàn)采用100mm×100mm×315mm的大試件，同樣在試件制作過程中埋入不銹鋼測(cè)頭，采用混凝土測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量試件長(zhǎng)度的變化。重土和輕土各對(duì)比一個(gè)水泥用量下不同尺寸試件的干縮率。

　　3試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　試件成型后壓實(shí)度均在94%以上，可避免壓實(shí)度不合格對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響。

　　3.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

　　水泥土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度大于95%)下的7d、28d、56d的抗壓強(qiáng)度。加入水泥后，水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度是原土樣的幾十倍。隨齡期延長(zhǎng)，強(qiáng)度增長(zhǎng)，28d后基本穩(wěn)定，增速變緩;隨著水泥用量的增加，水泥土強(qiáng)度增加明顯。因?yàn)樗�泥水化�?8d前較快，生成的水化產(chǎn)物填充了土壤顆粒的空隙，大大增加了整體強(qiáng)度，而28d后水化產(chǎn)物增加減緩，故強(qiáng)度增加較少。

　　3.2不同養(yǎng)護(hù)期下的干縮率和質(zhì)量損失率

　　總體來看，水泥土的干縮率和質(zhì)量損失率均隨干燥齡期延長(zhǎng)而增大，7d前迅速增大，7d后減緩，14d后趨于穩(wěn)定，56d基本穩(wěn)定，其最終干縮率在(9~15)×103間，最終的質(zhì)量損失率為10%~12%。在不同的養(yǎng)護(hù)期下，水泥土的干縮會(huì)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間略有降低。

　　為養(yǎng)護(hù)期對(duì)各組試件最終干縮率的影響;養(yǎng)護(hù)期從3d增加到14d時(shí)，降低率為5%~14%，說明養(yǎng)護(hù)期延長(zhǎng)對(duì)降低水泥土的干縮有利，但延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期對(duì)于降低干縮率的效果沒有增加水泥用量明顯。從中還可以看出，水泥用量對(duì)最終干縮率的影響大于養(yǎng)護(hù)時(shí)間，輕土干縮率較重土大。在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，各組試件最終干縮率由大到小順序?yàn)镸Q1、MZ1、MQ2、MZ2、MQ3、MZ3，綜合來看，水泥用量增加，干縮率降低，且輕土的干縮率大于重土，可能是由于拌合用水相對(duì)較多，形成的孔洞較多導(dǎo)致。

　　56d干縮率的影響崔宏環(huán)等[20]通過研究和計(jì)算，認(rèn)為水泥土的干縮主要發(fā)生在前15d，因此如果再前15d加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，就可以減小干縮變形，但是從本次試驗(yàn)結(jié)果看，早期的養(yǎng)護(hù)對(duì)于水泥土的干縮有一定緩解，但進(jìn)入干燥期后，之前長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)對(duì)于水泥土干縮降低效果有限，因此實(shí)際工程可酌情進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

　　3.3水泥用量對(duì)干縮率的影響

　　隨著水泥用量的增加，各齡期的水泥土干縮率均降低，其原因有兩方面，一是水泥顆粒水化后，堵塞了土壤顆粒的大孔，改善了孔結(jié)構(gòu)[21]，使得水分散失減少;二是水泥水化形成的水泥石彈性模量較高，收縮率遠(yuǎn)小于土。為后各組試件56d干縮率與水泥用量的關(guān)系，水泥用量每提高3個(gè)百分點(diǎn)，最終干縮率可降低10%~20%。

　　3.4干縮率與質(zhì)量損失率的關(guān)系

　　不同水泥用量的水泥土的干縮率均與其干燥的質(zhì)量損失率正相關(guān)，質(zhì)量損失是由于干燥環(huán)境下的失水導(dǎo)致。干縮率與質(zhì)量損失率基本呈線性關(guān)系，質(zhì)量損失率超過9%后，干縮率變化略緩;不同標(biāo)養(yǎng)時(shí)間下，早期干縮率差異不大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)的試件，后期在相同質(zhì)量損失率下，其最終干縮率略小，其原因是在較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，水泥水化較為充分，形成的水泥石較多，抑制了水泥土的后期收縮。

　　3.5水泥土試件的尺寸效應(yīng)

　　選擇MZ2和MQ2兩組試件配比，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)期為3d大試件(100mm×100mm×315mm)和小試件(40mm×40mm×160mm)干縮變形對(duì)比試驗(yàn)。大小試件的干縮發(fā)展曲線基本重合，小試件的早期干縮較大，這是由于其試件小，早期失水較快導(dǎo)致，而大試件體積較大，失水較慢，因此在干燥早期，質(zhì)量損失率和干縮均較小，但14d后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件已無差別，甚至略大。

　　MZ2組大小試件的最終干縮率分別為12.307×103、11.616×103，相對(duì)偏差約5%;MQ2組大小試件干縮率分別為13.971×103、12.616×103，相對(duì)偏差約10%。對(duì)于水泥土干縮率測(cè)試來說，10%以內(nèi)的偏差是可以接受的，且對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)來說，干縮率測(cè)試僅作為相互對(duì)比，因此可以認(rèn)為干縮率的測(cè)量與試件尺寸沒有太大關(guān)系，采用小試件具有相當(dāng)好的代表性。

　　4結(jié)論

　　a.在相對(duì)濕度60%、溫度(20±2)℃條件下，水泥土的干縮率隨干燥齡期延長(zhǎng)而增大，7d前干縮率迅速增大，14d后趨于穩(wěn)定，56d基本穩(wěn)定，最終干縮率在(9000~15000)×106之間，水泥用量每提高3個(gè)百分點(diǎn)，最終干縮率可降低10%~20%。

　　b.與重土相比，輕土干縮較大，可能是由于拌合用水較多，形成的孔洞較多導(dǎo)致;水泥土的干縮率與其干燥的質(zhì)量損失率正相關(guān)。

　　c.由于水泥水化產(chǎn)物對(duì)于土體收縮的抑制，隨著水泥用量增加，試件各齡期的干縮率均降低;干燥前的養(yǎng)護(hù)期延長(zhǎng)會(huì)降低水泥土后期的干縮率，如干燥前養(yǎng)護(hù)時(shí)間從3d增加到14d時(shí)，干縮的降低率為5%~14%，說明延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)降低水泥土的收縮有利，但降低效果沒有水泥用量增加的影響大;實(shí)際工程可根據(jù)需要確定合理的養(yǎng)護(hù)期。

　　d.與小試件相比，大試件由于體積較大，在干燥環(huán)境下早期失水較慢，干縮率較小，但14d后，隨著失水的加劇，大試件的干縮率與小試件非常接近，最終干縮率相對(duì)偏差在10%以內(nèi)。對(duì)于水泥土來說，采用小試件測(cè)量干縮率具有良好的代表性。

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　　作者：陳杰1，朱學(xué)英2，付梁2，王珩3

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