水泥土强度特性的室内试验研究

广东省建筑科学研究院 陈 燃

水泥土强度特性的室内试验研究

广东省建筑科学研究院 陈 燃

采用室内配比和超声波测试试验对广州南沙区软土进行了水泥土强度试验研究。根据试验结果，分析了多种因素对水泥土强度的影响以及超声波声速与水泥土强度的相关关系，可为该地区应用水泥土搅拌桩提供参考和建议。

水泥土 无侧限抗压强度 水泥掺入比 超声波声速

水泥土搅拌法是加固软土地基的一种常用而有效的方法，其形成的水泥土搅拌桩常用作加固桩、水泥土墙和止水帷幕等。但在实际工程中，水泥土搅拌法形成的水泥土强度受土体性质的影响，在不同地区的桩体强度特性有所不同。广州南沙区的深厚软土层具有有机物含量高、含水率高、压缩性大、强度低等特点，针对此类土体开展水泥土强度特性的室内试验研究，对在该地区采用水泥土搅拌法具有重要意义。

一、试验方案

试验用土呈灰－灰黑色，饱和、流塑，含有机质，有臭味；局部夹少量粉砂及薄层，夹小贝壳。其物理力学性能指标：含水率为70%，天然重度15.6kN/m2，比重2.63，孔隙比为1.890。

本试验方案见表1，每组做6个平行试样，养护龄期为7d、15d、28d、90d及180d，测定各试件在各龄期内的无侧限抗压强度及养护期内的超声波声速。

表1 室内试验方案

二、试验数据及结果分析

1.试验结果

水泥土试块达到养护龄期（7d、15d、28d、90d及180d）后，用试验机测得其抗压强度，剔除偏差较大的数值，取6个试件的测定值的平均值作为该组试件的试验结果。其试验结果如表2所示。

表2 水泥土试块抗压强度试验数据（单位：MPa）

2.试验结果分析

根据上述试验数据，将从水泥掺入比、养护龄期、掺细砂和掺石膏等四个方面对水泥土无侧限抗压强度的影响进行分析。

（1）水泥掺入比对强度的影响

限于篇幅，仅列出配比中仅掺水泥的水泥土强度与水泥掺入比的关系曲线如图1所示（其他配比亦有相同规律）。

图1 强度与掺入比的关系曲线（只掺水泥）

由图1可知，当在试验用土中只掺入水泥时，在水泥掺入比从15%提高到20%时，水泥土试块的强度增幅较大，在各个养护龄期内的强度增幅普遍达到130%以上，90d标准龄期的增幅可达到217.6%；但当水泥掺入比从20%提高到25%后，虽然水泥土强度亦有所提高，但提高的幅度已大大减小，在各个龄期的强度增长幅度位于11.68%～32.62%之间。可见，水泥土无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而提高，其增长幅度在一定水泥掺入比范围内较大，但当水泥掺入比达到某一比例后，水泥土强度增长幅度明显减小。

对于水泥掺量为25%的配比而言，虽然其90d标准龄期强度较高（介于3.586～5.042MPa），但由于掺入的水泥较多，在拌和时加固土体的流动性较差，不利于施工。因此，对于加固土体而言，水泥的掺量并非越大越好，而是具有最优的水泥掺入比，该掺入比使加固土具有较高的强度，也可达到良好的经济效益。

（2）龄期对强度的影响

由于篇幅所限，仅列出水泥掺入比为20%时的水泥土无侧限抗压强度与龄期的关系曲线图，如图2所示。

图2 强度与龄期的关系曲线图

由图2可知，当水泥掺量为20%时，四种配合比15d的强度增幅为45.36%～85.93%；90d的增幅为52.84%～63.60%；180d的增幅为6.37%～11.82%。水泥土强度随养护龄期的发展而提高，90d内提高的较大，180d的强度亦有所增长，但增幅较小，其强度发展趋于稳定。规范定义的水泥土立方体抗压强度以90d为龄期，但90d的时间太长，可通过28d的强度估算90d的强度。通过统计上述试验数据，可得出该水泥加固土的28d和90d的强度具有下列关系：（不掺砂）和（掺砂）。

（3）细砂对水泥土强度的影响

本试验中，除改变水泥的掺入比外，还添加了一定比例的细砂（10%和20%），以寻求此类外掺料对水泥土强度的影响规律。

当水泥掺量为15%时，掺砂量为10%的90d龄期强度为2.014 MPa，是同龄期仅掺水泥的强度的1.99倍；掺砂量为20%的水泥土90d龄期强度为2.281MPa，是同龄期仅掺水泥的强度的2.25倍。当水泥掺量为20%时，掺砂量为10%的水泥土90d龄期强度为3.456MPa，是同龄期仅掺水泥的强度的1.08倍；掺砂量为20%的水泥土90d龄期强度3.611MPa，是同龄期仅掺水泥的强度的1.12倍。当水泥掺量为25%时，掺砂量为10%的水泥土90d龄期强度5.042MPa，是同龄期仅掺水泥的强度的1.41倍。

由上可知，掺砂后，水泥土强度有不同程度的提高。对于本次试验土样，当水泥掺量为15%时，掺入的细砂作用最为明显。通过加入细砂，改变了加固土体的颗粒组成，使得细砂作为细骨料对水泥土强度的形成有较大的贡献。淤泥（质粘土）是一种“粘土基质”结构材料，细砂的存在便可以相对地减少粘粒含量，改善颗粒级配，增强骨架的刚性，使“粘土基质”结构向“粒状骨架”结构转变，大大有利于水泥土强度的提高，这就是含淤泥（质粘土）水泥土性能得到改善的微观机理。

（4）掺石膏对水泥土强度的影响

当水泥掺量为15%，掺石膏粉的水泥土比不掺的水泥土的7d和15d强度分别提高36.7%和47.3%；当水泥掺量为20%，掺石膏粉的水泥土比不掺的水泥土7d和15d早期强度分别提高11.26%和6.43%；当水泥掺量为25%，掺石膏粉的水泥土比不掺的水泥土7d和15d早期强度分别提高13.49%和7.86%。可见石膏粉具有早强的作用，掺入石膏后，通过与水泥水化反应，生成具有膨胀性的水化硫铝酸钙质，它不仅可消耗软土中自由水，还可填充水泥土复合体中的微孔隙，提高水泥土的密实度。因此，对于南沙地区的软土，由于其含水量较高、孔隙比较大，土颗粒之间的联系比较疏松，适当加大生石膏的掺量，加固的效果会更好。

三、超声波波速传播规律分析

通过使用瑞士出产的TICO混凝土检测仪对水泥土试块在180d养护期内不定期进行超声波波速测试，寻求超声波波速在水泥土传播的规律。

1.波速与养护龄期的关系

由于篇幅所限，仅列出水泥掺量为15%的试块的波速与龄期关系曲线图如图3所示。

图3 掺入比为15%的试块的波速与龄期关系曲线图

图4 超声波速与水泥土强度散点图

由图可知，随着龄期的发展，超声波在水泥土传播的速度总的趋势是不断提高的。一般情况下，声速能反映水泥土试块的密实度，而水泥土试块的密实度又与其强度有关，水泥土试块越密实，声波在其中的传播时间越短，声速越大，水泥土试块强度就越高。随着龄期的发展，水泥土强度也随着提高，因此，超声波在水泥土试块中的传播速度也随着提高。

2.波速与水泥土无侧限抗压强度的关系

为寻求随着龄期的发展，超声波波速与水泥土无侧限抗压强度的关系，将上述汇总值用散点图表示，如图4所示。由图可知，超声波速与水泥土强度存在着一定的相关关系。为进一步揭示这种关系，采用指数函数和幂函数拟合上述数据，拟合情况如下所示：指数函数：幂函数：

可知，水泥土的弹性波速与其无侧限抗压强度有很好的相关关系。由指数函数和幂函数拟合情况来看，两者的非线性关系较明显。

四、结论

（1）水泥土无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而提高，其增长幅度在一定水泥掺入比范围内较大，但当水泥掺入比达到某一比例后，水泥土强度增长幅度明显减小。宜通过室内配比试验确定其最优配合比，以达到较好的技术经济效益。

（2）水泥土无侧限抗压强度在90d内增长较大，180d后趋于稳定。可通过水泥土28d的强度预测90d的强度。

（3）通过掺入细砂可改善水泥土的颗粒组成，使其从“粘土基质”结构材料向“粒状骨架”结构转变，从而提高水泥土的强度。在施工中，可考虑通过掺砂来提高水泥土强度。

（4）对于含水量较高、孔隙比较大，土颗粒之间的联系较疏松的软土，掺入生石膏的可提高其早期强度，减小含水量。

（5）超声波在水泥土中传播的速度随龄期的发展而提高，其与水泥土无侧限抗压强度强度具有显著的非线性相关关系。

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陈然 （1982- ），广东梅州，硕士研究生，从事结构工程检测及鉴定 。