水泥土在水利水电工程中的应用

赵志强

（商洛市水电勘测设计院 陕西 商洛 726000）

早在1000多年前，就有利用石灰粉按一定比例与土搅拌均匀形成灰土，夯填后用作建筑物的地基或基础材料。许多古代建筑保留至今完好无损也说明了该种灰土材料的可利用性。至今，灰土地基或基础、灰土垫层还在广泛应用。随着科学技术的发展和水泥的问世，人们仿照灰土，以水泥作主剂，将水泥通过一定手段与土体搅拌均匀形成了整体的、坚硬的、稳定性好的生成物——水泥土。

水泥土的广义概念主要指用水泥做结合料所得的混合料，它既包括用水泥稳定各种细粒土，也包括用水泥稳定各种中粒土和粗粒土。在松散的土料中，掺入适量水泥，经拌和得到的混合料在压实和养护后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥土。通常提及的水泥土都是指的广义概念。

狭义地界定，水泥土则指用水泥稳定细粒土得到的强度符合要求的混合料。其强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、水泥砂砾等。

1 水泥土的形成机理

1.1 水泥水解和水化反应

普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化铝、三氧化二铁及三氧化硫组成，这些矿物组成了不同的水泥矿物：硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。水泥与土体搅拌加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、水铝酸钙及水铁酸钙化合物。

1.2 粘土颗粒与水泥水化物作用

①离子交换和团粒化作用。粘土颗粒与水泥水化物产生离子交换作用、团粒化作用。前者可使土颗粒分散度降低产生凝聚，形成较大的团粒，提高了土体强度。后者可使团粒进一步结合，形成水泥土团粒，从而提高水泥土的强度。②硬凝反应。水泥水化反应产生的钙离子与粘土矿物产生化学反应，形成新的化合物。新的化合物在水中、空气中逐渐硬化，又提高了水泥土的强度。其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。

1.3 碳化作用

水泥水化物中游离氢氧化钙能吸收水中的二氧化碳，发生碳酸反应，生成不溶于水的碳酸钙。这种反应也能增加水泥土的强度，但增长较慢，幅度也较小。水泥土从组成成分而言，不同于土，因它掺入了水泥，对土进行改性。但它也不同于一般的混凝土，因为无骨料，而细骨料也因土层情况不同而各异。

就强度而言，主要受工程地质条件及水泥土掺入量两个因素控制。一般说来，砂类土及原地基承载力较高的土所形成的水泥土强度较高。淤泥及淤泥质土（尤其含有机质多的土）形成的水泥土的强度则较低。同一类土，含水量高，所形成的水泥土的强度则较低。

2 当前水泥土的应用

随着现代化建设的不断发展，基础建设规模的不断扩大，在各类工程中经常会遇到软弱土地基。水泥土具有造价低廉、施工简单、质量容易控制等优点，其在土木工程中已有广泛应用，常用于建（构）筑物的松软地基增强，一般以夯实水泥土桩形式出现，形成强度和抗变形能力有明显提高的复合地基。还有公路建设上常用的水泥稳定砂等应用。

夯实水泥土桩是用人工或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩。夯实水泥土桩作为中等粘结强度桩，不仅适用于地下水位以上淤泥质土、素填土、粉土、粉质粘土等地基的加固，对地下水位以下的工况，在进行降水处理后，也可采取夯实水泥土桩进行地基加固。夯实水泥土桩通过两方面作用使地基强度提高，一是成桩夯实过程中挤密桩间土，使桩周土强度有一定程度地提高；二是水泥土本身夯实成桩，且水泥与土混合后可产生离子交换等一系列物理化学反应，使桩体本身有较高强度，具有水硬性。经水泥土处理后，地基的强度和抗变形能力均有明显提高。

3 水泥土在水利水电工程的应用

由于水利水电工程与其他各类工程相比，具有很高的水因素特性，而水泥土具有明显的水硬性，正好对解决水利水电工程水因素特殊性有较强的针对适应。水利水电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为固结剂外，对主体材料要求较低，例如，水泥土可以就地采用土料、沙砾石、碎石屑等原位松散材料，因此，其有造价低廉、施工简单、质量容易控制等优点。因此，水泥土在水利水电工程建设中有越来越多的应用，也应该有更广泛的应用。

根据水泥土具有的水硬性、整体性、稳定性，以及结构比较致密、坚硬，水分不易侵入等特点，水泥土在水利水电工程中主要有以下方面的应用。

（1）水工建（构）筑物地基加固增强。利用原位材料水泥土，平铺夯实水泥土层，形成建（构）筑物地基或垫层；或利用原位材料，形成水泥土搅拌桩、旋喷桩、粉喷桩、夯实水泥土桩等复合地基，提高地基标准承载力值，满足地基稳定要求。

（2）水工建（构）筑物防渗。利用水泥土的水硬性、较高密度、抗冻胀、抗水溶等特点，用于建（构）筑物的地基防渗和自身防渗。譬如：在拦河坝、闸、防洪堤防建设中，采用水泥土形成防渗铺盖、防渗齿墙、防渗墙等；水泥土作为防渗材料，用于构筑心墙、斜墙或面板，用于土坝防渗；输水渠道的过水断面采用水泥土形成面板、底板，用于防渗和防冲刷。商洛市多座城区河道景观橡胶坝设计中就采用了水泥土作为坝前防渗铺盖主体，由于其亲水、水硬性，对施工场地排水要求不严格等优点，既有很好的防渗效果，又节省了一定的排水费用，缩短了建设工期，具有较好的施工效果。

（3）构筑水工建（构）筑物。水泥土具有较强的整体性和重度，而较大比例的主体材料又很好地规避了水泥凝结时的水化热，还具有一定程度的抗冲性，可以用于水工建（构）筑物的构筑。譬如：水泥土构筑防洪堤防的堤身或面层，防洪墙墙身或面层，护坡主体或面层，拦河坝坝体，拦河闸闸墩、底板的内部填筑等。

4 应用中需要注意的问题

（1）水泥土是利用水泥作为固结剂，就地利用土料作为主体材料，按一定比例拌和，水硬之后形成的。水泥土主体材料具有广泛多样性，尤其是土料更是千差万别，而水泥土的物理力学性能主要取决于土料颗粒级配、干密度和水泥掺量三项因素。因此，在应用水泥土时需要进行水泥土室内配合比试验，通过相应的试验，依据水泥、土料成分，分析确定水泥掺入比、拌和程度和养护龄期等指标。

（2）水泥土室内配合比试验应包括水泥品种、水泥掺量和水灰比的确定，外加剂品种及掺量的确定，拌和土各龄期强度的试验等内容。室内配合比试验应采用加固工程的地基土、拌和用水和工程拟采用的水泥和外加剂进行。水泥可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，必要时也可选用其它品种水泥，有条件时应选用缓凝水泥，水泥质量应符合国家现行标准。根据水泥土强度的要求，水泥用量一般取值范围为150kg/m3～200kg/m3。

（3）应用水泥土时，应根据不同的用途重点研究水泥土所发挥的作用。针对作用，进行发挥其作用的物理力学指标项目相应的试验。譬如：在利用水泥土作为防渗材料时，应试验水泥掺量和水泥标号，被加固土质特性和含水量，拌和程度，成型环境和龄期，分析确定其密度和抗冻指标等；在利用其作为地基增强时，应试验水泥掺量和水泥标号，被加固土质特性和含水量，拌和程度，成型环境和龄期，分析其强度指标等。

（4）由于水泥土主体材料具有广泛性、多样性，在采用时，应做多种材料的方案比较，从多方面进行经济技术比较，力争做到技术可行、安全可靠、经济合理。陕西水利