湿陷性黄土地区水泥挤密桩低温环境施工技术研究

孔海峡，薛贵金，左立富

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安710032)

项目区位于忻州市忻府区、太原市阳曲县、尖草坪区境内，历年极端最低气温－25.8℃。由于工程施工需要，部分工程需要进行冬季施工，为了保证冬季施工过程中，水泥土不被冻胀破坏，进行了水泥土挤密桩低温环境施工技术研究，通过研究发现在－10℃以上时水泥土中加入一定量的掺合剂可保证水泥土不被冻胀破坏，保证工程施工质量。

新建铁路大同至西安客运专线原平至太原段穿越忻定盆地，经舟山余脉丘陵区到达太原，多分布黄土丘陵，地形起伏较大。沿线新黄土分布广泛，具湿陷性;主要分布于各盆地边缘，沿线黄土湿陷性差异大，多属非自重湿陷性黄土，湿陷性黄土厚度为5～10m，湿陷系数 δs=0.015～0.054;沿线历年极端最低气温－25.8℃。本标段线路位于忻州市忻府区、太原市阳曲县、尖草坪区境内，路基10168延长米，为双线客运专线，最小曲线半径4 000m，最大坡度20‰～30‰。

1 研究目的及技术路径

1.1 研究目的

湿陷性黄土地区客专工程基础处理采用水泥土挤密桩基础，采用P·O42.5或P·O32.5水泥配制水泥土，在常温施工工况下满足承载力的要求;在低温环境下施工的例子较少，一般都避免在冬季施工，但由于工期需要，部分工程需要在气温低至－10℃以上组织施工。水泥土挤密桩承载力主要取决于:①水泥土强度发展状态;②水泥土夯实的状态;③在保证水泥土不被冰冻的条件下按要求夯实，被认为水泥土能够被夯实。因此，在低温施工条件下，要求解决水泥土的强度发展问题。

水泥土的强度发展主要来源于两部分水化物的胶结作用，即水泥本身的水化产物:水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、氢氧钙石、水化硫铝酸钙等产物的胶结作用和水泥与土壤中活性物质之间的胶凝反应所产生的水化物的胶结作用，同样，水泥的水化过程将受到周围介质、环境温度的影响。

从已有的文献来看，水泥强度的发展与水泥的内在的矿物组成、细度等有关，与环境温度有关。当日均温度低于5℃时，国家规范规定水泥制品应按照冬季施工进行蓄热养护，以满足水泥强度发展的要求。

水泥强度的发展是水泥土强度发展重要的影响因素。在翻阅文献注意到，河海大学对低温下某水泥土强度的发展进行研究，试验测试情况见下图1。从下图可以看出温度对水泥土的强度发展影响很大，如果不采取措施，低温下将不能满足强度要求。

1.2 解决水泥土低温下强度发展问题的原则

1)低温下施工条件下，水泥土强度能够发展，满足施工要求。采用措施:提高水泥土早期的化学反应的热量。

2)低温下水泥土不易被冻结，使得水泥土不易冰冻;低温下水泥水化能够进行，水泥土强度能够发展。采用措施:在可能的情况下，降低水泥土的冰点。

3)选用的材料尽可能成本要低。

1.3 解决低温水泥土施工问题的思路

为解决低温季节水泥土不被冻胀，在试验时从加入生石灰粉、无机盐、其他材料展开试验。

2 试验研究

在试验室内，改变不同的配比，研究低温条件下成型的水泥土的无侧限抗压强度。

1)常温条件成型及检验。

按照TB10102－2004《铁路工程土工试验规程》进行。

2)低温条件成型及检验。

模拟实际工程低温的工况，采用如下方法:按照工地黄土的最优含水率15.3%进行试验。首先把土烘干备用，取一定量的干土，配制成12.3%含水率的浸润土，在6℃～8℃环境中静置24 h后，加入3%的含水率的水使得土达到最优含水率，按照一定的配合比拌合后，在温度为－10℃的冰柜中，恒温1 h或2 h或3 h后成型。每组6块试件，放置到温度为6℃～8℃的环境，塑料薄膜密封6 d养护。其他试验方法同《铁路工程土工试验规程》TB10102－2004。

试验过程中水泥土体在－10℃环境下静置，在3 h后温度在0.5℃～2℃之间，但保证水泥土没有结冰，不结冰的目的是保证水泥土试件能成型密实。

试验过程中所处时段的气温变化较大，夜间最低－2度。实测温度白天土壤温度2度，土壤中0.50m以下4.5℃，1.0m为7℃，1.50m为10℃。

3)原材料

(1)土样，由工地现场提供。该土样试验项目结果为烧灼失量1.8%;水泥土挤密桩填料的配合比为:水泥:土=8:100，最大干密度为1.79g/cm3，最优含水率为15.3%。

(2)水泥:P·O42.5，质量合格。

(3)掺合料:200目生石灰粉，400目生石灰粉。

(4)无机盐:元明粉，其他盐类等。

(5)早强抗冻剂。

图1 河海大学测试的不同温度下水泥土的发展状况

3 试验结果分析

1)设计参数及要求设计要求水泥土挤密桩填料的配合比为:水泥:土 =8:100(重量比)，28 d无侧限抗压强度为1.3 MPa。按照工地现场提供的土样，最优含水率为15.3%。要求工地现场设计桩长以上覆盖层不小于1m，以保证桩土挤密效果和水泥土强度发展需要的养护环境温度。

2)在400目石灰和元明粉作用下，在低温下强度。在6℃～8℃养护的环境下，8%的水泥用量，在掺加有生石灰粉和元明粉的条件下，低温3 h后，强度可以达到1.30 MPa以上。当有一定的元明粉掺量时候，水泥土低温后，最低强度达到1.4 MPa，具体数据见表1。

表1 水泥土中8%水泥的配比无侧限抗压强度

表2 水泥土中8%水泥的配比无侧限抗压强度

仍然低温成型，但是在10℃～13℃养护条件下，8%的水泥的水泥土的强度提高也明显，3h冻后最低强度达到1.44 MPa，具体见图 2。

图2 在10℃～13℃养护条件下水泥土的强度

3)在200目石灰的作用效果。在6℃～8℃养护的环境下，8%的水泥用量，在掺加有200目生石灰粉和元明粉的条件下，低温3 h后，最低的强度可以达到1.30 MPa以上。具体数据见表2。

仍然低温成型，但是在10℃～13℃养护条件下，8%的水泥的水泥土的强度提高也明显，3 h冻后最低强度达到1.40 MPa，具体见图 3。

图3 在10℃～13℃养护条件下水泥土的强度

4)单掺无机盐对低温水泥土强度影响

(1)单掺0.15%的元明粉，在低温下成型，6℃～8℃养护的水泥土强度结果见图4。图中最低强度1.28 MPa，低于1.3 MPa。

图4 元明粉为0.15%的水泥土强度

(2)单掺0.20%的元明粉，在低温下成型，6℃～8℃养护的水泥土强度结果见图5，最低强度1.34 MPa。

图5 元明粉为0.20%水泥土强度

(3)单掺0.25%的元明粉，在低温下成型，6℃～8℃养护的水泥土强度结果见图6，最低强度1.35 MPa。

(4)单掺0.35%的元明粉，在低温下成型，6℃～8℃养护的水泥土强度结果见图7，最低强度1.38 MPa。

元明粉的掺量超过0.40%以后，水泥土的强度有下降的趋势，因此，采用元明粉时候，其掺量不宜过大。

4 结论

根据施工要求水泥土7 d强度达到1.3 MPa，上述试验得到，在－10℃下冬季施工，3 h内成型，在外掺入无机盐、生石灰粉可以很好的满足要求。从成本等综合考虑，推荐采用单掺0.2%～0.25%的元明粉，水泥土的强度满足1.3 MPa技术要求。

材料要求如下:

水泥的为P·O42.5R水泥，宜采用大厂水泥，质量合格。

元明粉:白色细粒结晶或粉末，易溶于水，有吸湿性，无臭，无毒，应预防受潮。采用I类一等品，即无水硫酸钠的含量大于99.0%。

土质及含水率的变化将引起水泥土强度的变化，应保证土质基本不变，成型含水率为最佳含水率。

图6 元明粉为0.25%水泥土强度

图7 元明粉为0.35%水泥土强度

[1]黄新，杨晓刚，胡同安.低温对水泥加固土强度发展的影响.工业建筑.1994:9.

[2]宁宝宽，陈四利，刘斌.冻融循环对水泥土力学性质影响的研究[J];低温建筑技术.2004:5.

[3]陈帮建，李瑞，陈美芳.水泥土强度试验主要影响因素的探讨.岩矿测试.2005:第24卷第2期.

[4]李志斌，叶观宝，徐超.水泥土添加剂室内配比试验的模糊正交分析.水文地质工程地质.2005:第32卷第4期.

[5]兰凯，黄汉盛，鄢泰宁.掺入矿渣的水泥土强度模型试验研究及其配方优化.水文地质工程地质.2007:第34卷第5期.