水泥土力学特性随龄期发展规律试验研究

陈 达，庄 宁，廖迎娣，黄 辉

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098;2.河海大学 力学与材料学院，江苏南京 210098)

水泥土搅拌法是以水泥作为固化剂，在地基深处就地将地基土体与固化剂充分搅拌，形成具有足够强度和稳定性的水泥土，从而达到加固软土地基的目的.水泥土的强度和力学特性直接关系到地基加固的效果，且影响因素众多［1－15］，包括水泥品种、强度等级、掺入比和龄期等，其中，龄期直接关系到地基加固设计和工程进度安排.本文基于我国东南沿海淤泥土特点，通过对不同水泥品种混拌的水泥土的室内配比试验和力学分析，研究水泥土强度与龄期的关系，为类似土质的水泥土搅拌法设计提供依据.

1 试验方案

试验用土取自厦门某沿海区域，根据《软土地基深层搅拌加固法技术规程》(YBJ 225－91)规定，土样取出后立即切分成2×10－3m3的小块，用厚聚氯乙烯塑料袋封装运送至实验室，放置于阴凉干燥处的木箱内存放，确保试验用土的各项主要物理、力学性质与现场土一致.经检测土体呈弱碱性，土体中孔隙水对水泥土具有弱腐蚀性，土中水的质量分数(以下称含水率)为34.6%，天然重度为14.4 kN/m3，原状及重塑土的无侧限抗压强度分别为16.2和4.7 kPa，灵敏度为3.45.

选用抗硫酸盐水泥(P.MSR 32.5)、膨胀水泥(AEC 32.5)、矿渣硅酸盐水泥(P.S 32.5)和普通硅酸盐水泥(P.O 42.5和P.O 52.5)作为固化剂，试块尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，水灰比0.8∶1，水泥掺入比为0.20.掺入各种水泥分别制成水泥土试块5组，每组3个，各组龄期分别为3，7，14，28和90 d.

试验土和水泥浆经充分搅拌后，采用分层压实的方法填充到试模中，将试块表面刮平后盖上塑料布放置于阴凉处.试块制作2 d后拆模，放入养护室(恒温20℃，湿度≥95%)养护到规定龄期.水泥土无侧限抗压强度试验采用电子万能试验机进行，采用应变控制方式加载，加载速度在应力上升段和下降段分别为0.3和0.5 mm/min.

2 试验结果及分析

图1为各种水泥土不同龄期时的应力应变关系曲线.

图1 5种水泥土不同龄期的应力应变关系曲线Fig.1 Strain-stress curves for the cement-soil samples at different ages

分析图1可以得出如下结论:(1)尽管水泥土采用的固化剂水泥种类不同，但龄期对水泥土强度发展的影响规律大致相同，水泥土试样均表现出较强的塑性特征，其中，P.MSR 32.5水泥土塑性变形较其他几种固化剂更为明显.(2)应力应变曲线大致可以分为4个阶段:①试块压实阶段，随着试块表面被加载，应力应变曲线的斜率也逐渐增大;②线性阶段，应变增长较慢，应力应变曲线基本呈线性关系;③塑性变形阶段，试块变形增长加快，并逐渐达到强度极限;④软化阶段，变形发展较快，试块承载能力逐渐降低至强度极限的50% ～70%;⑤残余强度阶段，试块表面开始破碎开裂，承载能力下降缓慢，变形发展很快，直至试块完全破坏.(3)随着龄期的增加，第2阶段(线性阶段)越来越明显，且斜率也越来越大，水泥土的刚度模量和抗压强度逐渐增大，但是超过28 d后刚度模量已无明显变化，而抗压强度在28～90 d之间仍有明显增长，表明两者发展不同步，所对应的物理、化学过程及机理并不完全一致;第3阶段越来越不明显，且斜率也越来越大，水泥土试块的轴向应力在达到强度极限时的塑性变形明显变小，水泥土脆性增大;第4阶段变得越来越陡，水泥土脆性增大，残余强度相对于抗压强度的比值越来越小.

表1列出了5种水泥土各种龄期的无侧限抗压强度值.综合5种水泥土强度随龄期的发展情况可知，掺入比为 0.20 时，龄期对水泥土抗压强度的影响关系大体为:qu，90∶qu，28∶qu，14∶qu，7∶qu，3=1∶0.65∶0.45∶0.30∶0.15，其中qu，T表示龄期为T的水泥土抗压强度.

表1 水泥土无侧限抗压强度Tab.1 Unconfined compressive strength of the cement-soil

若以90 d水泥土无侧限抗压强度为标准值，则水泥土3 d强度可达到标准值的15%左右，即日均强度增长约为标准值的5%;7 d强度可达到标准值的30%左右，即3～7 d日均强度增长约为标准值的4%;14 d强度可达到标准值的45%左右，即7～14 d日均强度增长约为标准值的2%;28 d强度可达到标准值的65%左右，水泥土已经具备相当强度，14～28 d日均强度增长约为标准值的1.5%;28～90 d，水泥土强度仍有较大幅度增长，但是日均强度增长约为标准值的0.55%.

3 抗压强度与龄期的关系

基于水泥土的水化过程和强度发展机理，通过对大量试验数据的回归分析，提出了适用于我国东南沿海淤泥土层的水泥土无侧限抗压强度与龄期关系表达式:

式中:qu1为龄期T1的水泥土抗压强度，qu2为龄期T2的水泥土抗压强度.上式成立的条件是掺入比相同、龄期T为3～90 d.

P.MSR 32.5，AEC 32.5，P.S 32.5，P.O 42.5 和P.O 52.5水泥土的抗压强度试验数据与式(1)(以龄期90 d的试验数据作为qu2)计算结果的比较见图2.可见，式(1)较准确地预测了5种水泥土的抗压强度，具有较强的通用性和适应性.值得注意的是，式(1)适用的龄期范围为3～90 d，对水泥土后期强度的预测可以从3 d开始，但是水化反应初期的水泥土强度离散性较大，因此在实际工程中建议使用7 d强度作为预测参数.

图2 水泥土强度试验数据与计算值比较Fig.2 Comparison between the simulation and test data for cement-soil samples

4 结语

(1)对于我国东南沿海淤泥质土层，尽管采用的固化剂水泥种类不同，但龄期对水泥土强度发展的影响规律大致相同.

(2)28 d龄期前，水泥土强度快速增长，28 d强度可达到标准值的65%左右，水泥土已具备相当强度;龄期28～90 d，水泥土强度仍有较大增长，但是增长速度明显变缓，工程应用中将90 d强度作为水泥土强度标准值符合水泥土强度发展规律.

(3)提出的水泥土抗压强度－龄期关系式较准确地预测了5种水泥土的抗压强度，具有较强的通用性和适应性，在工程实践中可以3 d强度为依据预测水泥土后期强度，能够大大提高施工质量控制水平.

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