水泥掺量和龄期 对渠道水泥土垫层抗拉强度的影响规律

王毓国，张爱军，郭敏霞，林志松

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.厦门市政交通规划设计院有限公司，福建 厦门 361001)

0 引 言

水泥土是通过在土体中掺入一定比例水泥进行压实养护，提高土体的强度、承载力，减小土体的渗透性的一种土体改良加固技术。新疆伊犁某水电站渠道工程建设中遭遇渠基黄土湿陷问题，需要设置土基垫层来提高渠道的防渗性能，提高地基的承载能力，防止渠水下渗引发黄土湿陷，该垫层设计采用水泥土进行。

目前国内外对于水泥土的抗压强度的研究成果较多，提出了水泥土抗压强度与养护龄期、水泥掺量之间的关系。刘松玉[1]、Zhang R J[2]等给出了水泥土抗压强度与水泥掺量的关系，N.C.Consoli[3]、S.Saitoh[4]、李建军[5]等给出了水泥土抗压强度与龄期的关系，G.A.Lorenzo[6,7]、曹智国[8]等提出了综合考虑龄期与水泥掺量的水泥土抗压强度表征参数。但是，对于水泥土抗拉强度的研究较少。本文对新疆伊犁黄土水泥土进行单轴拉伸试验，分析总结了水泥掺量和养护龄期对水泥土抗拉强度的影响规律，并进行了不同水泥掺量和养护龄期水泥土的渗透试验，探讨其渗透规律。

1 试样材料

本次试验选用新疆伊犁黄土和尧柏P.C32.5R水泥进行，伊犁黄土基本物理性质见表1，尧柏水泥性质见表2。水泥土的配制参考《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233-2011)[9]。采用水泥土最优含水率17.5%、最大干密度1.69 g/cm3进行制样。抗拉试样中部直径4 cm，中部有效长度10 cm，端部长度1.5 cm，渐变为圆台，长度1 cm，体积216.4 cm3。渗透试样高4 cm，底面积30 cm2，体积120 cm3。将制好的试样置于养护缸内养护。水泥掺量为5%、10%、15%、20%，不同水泥掺量的试样依养护龄期3、7、14、28 d分为4组，每组3个抗拉试样，2个渗透试样。

表1 新疆伊犁黄土的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of loess in Yili,Xinjiang

表2 水泥的性质Tab.2 Properties of cement

2 抗拉试验

2.1 试验方法

抗拉试验采用本单位研制的单轴抗拉试验仪进行(专利号201310651702)，试验方法参考文献[10]。试验装置包括试样制备系统、拉伸系统和数据采集系统，见图1、图2。该试验装置通过一次静压成型技术制样，可避免分层击实制样薄弱面的形成。将养护好的试样置于单轴抗拉试验仪的卡槽中，进行单轴拉伸试验，拉伸速率为0.8 mm/min。

图1 抗拉试样模具Fig. Tensile test sample mold

图2 单轴抗拉试验仪Fig.2 Uniaxial tensile tester

2.2 试验结果

2.2.1 抗拉强度

抗拉试验得到不同水泥掺量(k)、不同龄期(t)的水泥土的拉应力(σt)～拉应变(εt)曲线见图3、图4。

图4 不同水泥掺量水泥土拉应力～拉应变关系曲线Fig.4 Tensile stress～ tensile strain curves of different cement content cement soil

参考文献[11]从微观结构分析认为：水泥水化物晶体的生成使得水泥土的强度增大，同时由于水化物晶体破坏为脆性，使得水泥土受拉后呈脆性破坏。对比本次试验中素土和水泥土的拉应力～拉应变曲线(见图3、图4、图5)可以看出，素土的受拉破坏呈塑形，而水泥土的受拉破坏均呈脆性，验证了文献[11]的观点。

试验所得不同龄期、不同水泥掺量水泥土抗拉强度见表3、图6、图7。从表3、图6、图7可以看出：随着水泥掺量、养护龄期的增大，试样的抗拉强度较素土的抗拉强度有着很大幅度的提升，28d后20%水泥掺量的试样抗拉强度为素土抗拉强度的30倍。

水泥土抗拉强度的提升不与水泥掺量、养护龄期的增大成正比。7～14 d水泥土抗拉强度的增长量占28 d水泥土抗拉强度的44%，因此，水泥土抗拉强度的增大主要集中在7～14 d，14 d以后水泥土抗拉强度的增加趋势减缓。28 d后5%水泥掺量的水泥土抗拉强度为素土抗拉强度的12倍；10%水泥掺量的水泥土抗拉强度为素土抗拉强度的25倍；15%水泥掺量的水泥土抗拉强度为素土抗拉强度的28倍；20%水泥掺量的水泥土抗拉强度为素土抗拉强度的30倍。说明10%的水泥掺量就对试样抗拉强度有了较大的提升，继续增加水泥掺量时抗拉强度增幅趋缓。究其原因是当试样中水泥过多无法充分反应时，水泥土强度提升进入惰性区[8]。因此认为，伊犁黄土水泥土中的水泥掺量宜在10%左右。

图5 素土拉应力～拉应变曲线Fig.5 Soil tensile stress～tensile strain curve

水泥掺量/%不同龄期水泥土的抗拉强度/kPa3 d7 d14 d28 d0(素土)9.60563.461.2122.1120.01089.0109.2225.5243.11599.7102.0227.2270.920100.1170.7258.9289.4

图6 养护龄期与抗拉强度关系曲线Fig.6 The relationship between curing age and tensile strength

图7 水泥掺量与抗拉强度关系曲线Fig.7 The relationship between cement content and tensile strength

2.2.2 极限拉应变

试验所得不同水泥掺量、不同龄期的水泥土极限拉应变见表4。水泥掺量与养护龄期对水泥土极限拉应变影响较小，与素土极限拉应变相比，两者相差不大。素土极限拉应变与水泥土极限拉应变均集中在1.6%～3.7%，其值较小，说明水泥土在较小的拉应变发生时就产生破坏。

表4 水泥土极限拉应变Tab.4 Cement soil ultimate tensile strain

2.3 水泥土抗拉强度计算公式

水泥土抗拉强度与养护龄期的对数近似成线性关系(见图8)，其参数a与水泥掺量有图9所示的线性关系，进行归一化处理可得到综合考虑养护龄期与水泥掺量的水泥土抗拉强度计算公式[公式(1)]，其拟合结果见图10，R2均大于0.8，试验点与给出的拟合曲面符合较好。公式(1)可用于计算新疆伊犁黄土水泥土在28 d养护龄期内、20%水泥掺量下的水泥土抗拉强度。

图8 养护龄期对数与拉应力关系曲线Fig.8 The relationship between logarithm of curing age and tensile stress

图9 水泥掺量与参数a关系曲线Fig.9 The relationship between cement content and parameter a

图10 公式(1)拟合结果Fig.10 Formula(1) fitting results

T=(ck+l) lgt+b

(1)

式中：T为水泥土的抗拉强度，kPa；k为水泥掺量，%；t为养护龄期，d；b、c、l为参数，本试验得出b取素土抗拉强度值9.6，c为7.253，l为63.599。

3 渗透试验

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)[12]中的试验方法，通过常水头渗透试验，得到不同龄期、不同水泥掺量水泥土试样渗透系数见表5所示。

表5 渗透试验数据汇总Tab.5 Summary of osmotic test date

渗透系数与水泥掺量、养护龄期关系不明显，试验所得水泥土渗透系数与素土渗透系数相差不大。主要有2点原因，一是试验试样养护环境不够湿润，水泥反应时与水反应并且放出大量水化热，使得试样中水减少，孔隙增大，渗透系数增大，因此养护条件对水泥土的抗渗性存在着很大的影响；二是试验试样所用新疆伊犁黄土性质较为特殊，含盐量较高，最高达到19.2 g/kg[13]，含盐量对于水泥土渗透性的影响还需要进一步研究。

4 结果与结论

(1)水泥土受拉断裂呈脆性，水泥土的抗拉强度随水泥掺量的增加和养护龄期的增长而增大，且成型后7～14 d抗拉强度的增大明显；水泥掺量为10%时水泥土抗拉强度随水泥掺量的增大而增加的比率较大，大于10%后则增量趋缓。

(2)水泥土极限拉应变与素土极限拉应变相差不大，均集中在1.6%～3.7%。

(3)提出了综合考虑养护龄期与水泥掺入量的水泥土抗拉强度计算公式，与试验数据符合较好，可以用来估算不同水泥掺量和养护龄期的伊犁黄土水泥土的抗拉强度值。

(4)掺入水泥对土体渗透性的改善不显著，水泥土的养护条件对其渗透性有着较大的影响。

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