闽南水泥土电阻率特性的试验研究

常方强，涂帆

(华侨大学土木工程学院，福建厦门 361021)

水泥土是采用搅拌机械将水泥与原位土体强制拌和，通过水泥与土之间发生的一系列物理化学反应，使原位土体变成具有高强度、低压缩性和低渗透性的水泥稳定土［1］.水泥土工程特性的试验研究已有不少［2－4］，某些性质与电阻率具有一定关系，测试出水泥土的电阻率，可间接求得其力学指标，免去复杂的力学测试工作.此外，电阻率测试又是一种无损检测，具有经济、快捷的特点.不少学者进行了有关土体电阻率特性的研究［5－6］，文献［7］针对水泥土电阻率计算模型，从微观和化学反应产物角度提出了原模型的不足，并且进行了修正.水泥土电阻率影响因素较多，某一地区的水泥土电阻率具有一定共性，本研究测试泉州地区若干土体形成的水泥土电阻率特性，分析其与物理力学指标的关系，并建立电阻率计算模型.

1 水泥土电阻率测试原理

水泥土电阻率计算模型如图1所示，计算公式［7－9］为:

式中:ρsg为水泥土电阻率;ρsgs为串联模型水泥土电阻率;ρsgp为并联水泥土电阻率;σ为水泥土中并联模型所占比例;ρg为水泥电阻率;λ为水泥掺量;n为孔隙率;α为水泥所占孔隙中的体积比.

利用高精度电阻箱测试水泥土电阻率.对水泥土样两端直接供电，以中间电位测量的方式进行量测，示意图见图2.

水泥土电阻率由下式计算:

式中:ΔU为测量段电位差;I为供电电流;L为测量段水泥土样长度;S为水泥土样的截面积.

式中:d为土样直径.

图1 水泥土电阻率计算模型Fig.1 Electrical resistivity model of cement－ soil

图2 水泥土样电阻率测试装置图Fig.2 Electrical resistivity device for cement－ soil sample

2 试验方案

2.1 试验材料

试验用土体取自泉州市洛江区某工地，土体自地表向下依次为:粉质粘土层，0～2.2 m，黄褐色，可塑;淤泥，2.2～9.8 m，灰黑色，流塑;粉砂，9.8～11.3 m;花岗岩基岩，深度未揭穿.各土层主要物理力学性质指标汇总于表1中.

表1 试验土体物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical properties of soil in test

2.2 试样制备

将一定量的水泥浆(水灰比为1∶0.5)与现场取回的土体充分混合，水泥掺入量(m)分别为5%、10%、15%和20%，并搅拌均匀，然后装入PVC管模，管模直径为4.5 cm，高度为9.0 cm.2 d后脱模，测其密度后，将试样装入塑料袋密封，放入养护室内进行标准养护，养护龄期分别为7、14、21和28 d，至一定龄期时，采用高精度电阻箱测试水泥土电阻率;采用万能试验机对试样进行无侧限抗压强度试验，测试其极限抗压强度.

3 试验结果与分析

3.1 水泥土电阻率与龄期的关系

随着水泥与土体水化反应时间的持续，水化产物与胶结物质逐渐增多，团粒化作用逐渐增强，结构密实，其导电性降低，电阻率增大.对于淤泥制作的水泥土，其电阻率与龄期的关系见图3.从图3可以看出，各掺量的水泥土电阻率(ρ)均随龄期(t)增长而逐渐增大，两者近似线性关系，28 d龄期电阻率约是7 d时的1.6～1.8倍.

3.2 水泥土电阻率与水泥掺量的关系

水泥土中水泥掺量越大，水泥的水化反应越强烈，产生的硅酸钙管状纤维就越多，充斥于水泥土中的孔隙内，孔隙比减小，密实度增大，导电性降低，水泥土的电阻率增大.同样，对于淤泥制作的水泥土，其电阻率(ρ)与水泥掺量(m)的关系见图4.可以看出，水泥土电阻率均随水泥掺量的增大而逐渐增大，两者也近似线性关系.

图3 水泥土电阻率与龄期的关系Fig.3 Relationship between electrical resistivity and age of cement－soil

图4 水泥土电阻率与水泥掺量的关系Fig.4 Relationship between electrical resistivity and cement content of cement－soil

3.3 水泥土电阻率与无侧限抗压强度的关系

试验中，水泥土无侧限抗压强度越大，水化反应产生的硅酸钙胶结物质越多，固体颗粒间的连接就越紧密，孔隙比变小，导电性整体变差，水泥土电阻率增大.水泥土无侧限抗压强度(P)与电阻率(ρ)的关系见图5.可以看出，电阻率基本上随着无侧限抗压强度增大而增大，两者近似指数关系.

3.4 水泥土电阻率与土体类别的关系

由淤泥、粉质粘土和粉砂三种土体制备的水泥土电阻率测试结果见图5.可以看出，用淤泥制备的水泥土电阻率最小，粉质粘土的居中，粉砂的最大.这是因为三种土体中，淤泥的含水量最高，经与水泥浆混合后，其制作的水泥土含水量也最大，导电性最强，电阻率最小;粉砂的含水量最低，其制作的水泥土电阻率最大，表明土体含水量的高低对水泥土电阻率影响较大.

图5 水泥土电阻率与无侧限抗压强度的关系Fig.5 Relationship between electrical resistivity and unconfined strength of cement－soil

4 水泥土电阻率计算模型的建立

由淤泥制作的水泥土电阻率与龄期和水泥掺量的试验结果，经回归得到电阻率计算公式:

式中:t为龄期，d;m为水泥掺量，%.

为检测计算精度，取计算误差= 计算值－实测值 ×100%.求得计算误差位于1.9% ～11.3%，平均误差为5.9%.可见计算误差较小，计算精度能够满足一般工程要求.

水泥土强度是水泥土工程中重要参数之一，电阻率测试要比强度测试简单得多，且是无损测试，因此，可以通过测试水泥土电阻率，间接换算为水泥土强度，根据测试结果(图5所示)，得到由淤泥、粉质粘土和粉砂制备的水泥土强度用电阻率表示的公式分别为:

淤泥水泥土:

粉质粘土水泥土:

粉砂水泥土:

5 结语

1)水泥土电阻率随龄期、水泥掺量和强度的增大而增大，并且淤泥、粉质粘土和粉砂制备的水泥土电阻率依次增大，土体含水量的高低对水泥土电阻率影响较大.

2)建立的水泥土电阻率计算公式可以计算不同龄期和不同掺量时水泥土电阻率值，进一步换算得到水泥土无侧限抗压强度值.

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