基于强度特性的超细矿粉水泥土配合比设计研究

殷 俊

(湖南中大设计院有限公司 长沙市 410075)

0 引言

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌和，在压实、养生等工序后具有一定强度的硬化材料，因其取材方便、施工简便等优点，在道路、铁路等基础设施中应用广泛[1-2]。但水泥土强度影响因素较多，主要有水泥标号及掺量、土样性质、龄期、养生条件等，其中水泥土抗压强度随水泥掺量增加逐渐提高，但强度增长速率及抗拉性相对降低[3]。对此，选用合适的外掺剂改善水泥土的力学性能，既可避免水泥掺量过高，又能提高水泥土工程应用效果。韩天等[4]研究表明，水泥土掺入钢渣粉和硫酸钠后，钢渣粉与水泥的水化反应加快，其早期抗压强度提升明显。张彬等[5]研究了铁尾矿粉掺量对水泥土抗压强度和动力特性的影响规律，在铁尾矿粉掺量6%时，其性能最佳。夏永杰等[6]研究表明水泥土掺入10%的钢渣后，抗剪性能最优，且钢渣水泥土脆性程度随养生龄期增长逐渐提高。柯开展[7]研究了镍铁渣粉对水泥土早期微观结构的影响，随镍铁渣粉掺量增加，其微观结构致密性逐渐提高。马晓宇[8]研究了复合矿粉对水泥土力学性能的影响规律，并结合土样、水泥、复合矿粉技术性质解释了复合矿粉改良水泥土的固化机理。

上述研究表明，水泥土中掺入矿物掺合料可提高其性能，而不同土样对水泥土力学强度影响不一[9]。另外，超细矿粉含有较多矿物活性成分，在混凝土材料中应用广泛，而掺超细矿粉水泥土设计及应用研究较少。因此，笔者采用超细矿粉等量取代部分水泥掺量，研究超细矿粉水泥土的强度特性，并选用Ca(OH)2为激发剂，通过正交试验设计掺超细矿粉水泥土的配合比。

1 研究方案

1.1 试验材料

(1)黏土：黏土土样物理性质见表1。土样取自天津某路基施工现场，按《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)确定土样物理力学性质。

表1 黏土物理性质

(2)水泥：水泥选用盾石牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，技术性质见表2。

表2 水泥技术性质

(3)超细矿粉：超细矿粉比表面积为520m2/kg，化学组成见表3。

表3 超细矿粉化学组成

(4)激发剂：激发剂选用氢氧化钙，Ca(OH)2含量≥95.0%。

1.2 试验方案

(1)超细矿粉水泥土力学强度研究

研究水泥掺量、超细矿粉掺量及养生龄期对普通水泥土(以下简称“水泥土”)力学强度的影响规律。试验中，控制固化剂(水泥和超细矿粉)掺量为10%，超细矿粉取代率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%。固化剂掺量为固化剂质量与土粒质量的比值。超细矿粉取代率为超细矿粉质量与固化剂质量的比值。超细矿粉水泥土强度增长率按式(1)计算。

(1)

式中：ρ(n)—超细矿粉取代率n的水泥土强度增长率，%；

Rc(n)—超细矿粉取代率n的水泥土强度，MPa；

(2)超细矿粉水泥土配合比设计

基于超细矿粉水泥土的力学强度，选用Ca(OH)2激发超细矿粉活性，采用正交试验设计超细矿粉水泥土。正交试验方案见表4。

表4 超细矿粉水泥土正交试验方案

1.3 试验方法

(1)试样制备及养护方法

土样风干碾碎，过5mm圆孔筛，测定其风干含水率；根据掺超细矿粉水泥土室内最佳含水率，采用静压法成型压实度96%的试样。试样制备完成后，用塑料薄膜包裹，放入20℃±2℃、湿度95%以上的养生室进行养护。水泥和超细矿粉采用外掺法。试样尺寸为Φ100×h100mm。

(2)强度特性试验方法

按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E40-2009)中无侧限抗压强度试验测定超细矿粉水泥土的力学强度。试验仪器选用压力试验机MYL-2000D，加载速率为1mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 超细矿粉水泥土强度特性

水泥土和超细矿粉水泥土无侧限抗压强度代表值见图1、图2。无侧限抗压强度代表值采用3倍均方差确定。

图1 水泥土无侧限抗压强度

图2 超细矿粉水泥土无侧限抗压强度

由图1、图2可知：

(1)水泥土无侧限抗压强度随水泥掺量增加呈线性增长，超细矿粉水泥土无侧限抗压强度随超细矿粉取代率增加而逐渐降低，且水泥掺量较超细矿粉掺量对水泥土抗压强度提高效果显著。养生龄期一致条件下，水泥掺量增加2%，水泥土抗压强度提高17.2%以上；固化剂掺量一致条件下，超细矿粉取代率增加至20%，超细矿粉水泥土抗压强度平均降低6.4%；超细矿粉取代率在20%～40%时，其抗压强度降低显著，超细矿粉取代率增加10%，抗压强度平均降低10.3%；超细矿粉取代率由60%增加至80%时，其抗压强度逐渐趋于稳定。

(2)水泥掺量一致条件下，随超细矿粉取代率增加，超细矿粉水泥土强度较水泥土(10%水泥掺量)呈负增长，如表5所示，在龄期7d时强度降低最显著，强度增长率随养生龄期增加逐渐增大。这是因为水泥掺量降低导致水化产物氢氧化钙含量降低，氢氧化钙与超细矿粉中矿物成分水化反应速率减缓，生成硅酸钙凝胶相对减少，因此超细矿粉取代率增加，其抗压强度降低。

表5 超细矿粉水泥土无侧限抗压强度

另外，水泥土与超细矿粉水泥土无侧限抗压强度增长规律一致，随养生龄期延长，前28d抗压强度增长速率显著大于后期，龄期28d后抗压强度增长缓慢。水泥土28d抗压强度约是其180d抗压强度的73.2%，超细矿粉水泥土28d抗压强度约是其180d抗压强度的71.3%。对此，笔者选用超细矿粉水泥土28d无侧限抗压强度进行配合比设计。

2.2 超细矿粉水泥土配合比设计

超细矿粉水泥土正交试验结果见图3，正交试验极差见表6。

图3 超细矿粉水泥土正交试验结果

表6 超细矿粉水泥土正交试验极差

由图3和表6可知，水泥掺量对超细矿粉水泥土无侧限抗压强度影响效果最显著，氢氧化钙掺量次之，其中水泥掺量8%、超细矿粉掺量8%、氢氧化钙掺量1.8%的改良土抗压强度最大，为7.55MPa。水泥掺量、超细矿粉掺量、氢氧化钙掺量对水泥土无侧限抗压强度影响见图4。

图4 固化剂对水泥土无侧限抗压强度的影响

由图4可知，随水泥掺量或氢氧化钙掺量增加，水泥土无侧限抗压强度逐渐提高。当水泥掺量≤6%，水泥掺量增加对提高超细矿粉水泥土抗压强度效果显著，水泥掺量增加1%，其抗压强度约提高了20.8%；水泥掺量由6%增加至8%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高微小；氢氧化钙掺量由0%增加至0.6%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高显著，提高了28.8%；氢氧化钙掺量≥0.6%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高缓慢。对此，建议水泥掺量和氢氧化钙掺量分别为6%、0.6%。

而随超细矿粉水泥土无侧限抗压强度随超细矿粉掺量增加先降低后增加，在超细矿粉掺量4%时，其抗压强度最低，为4.48MPa；当超细矿粉掺量≥4%，超细矿粉掺量增加1%，其抗压强度提高8.1%以上，说明超细矿粉掺量对水泥土抗压强度影响较大。因此，建议超细矿粉掺量为8%。

3 结论

基于室内无侧限抗压强度试验，选用Ca(OH)2为激发剂，采用正交试验设计超细矿粉水泥土的配合比。得到以下结论：

(1)固化剂掺量一定条件下，水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量线性正相关，随超细矿粉取代率增加，水泥土无侧限抗压强度逐渐降低。水泥掺量增加2%，水泥土抗压强度提高17.2%以上；超细矿粉取代率由20%增加至40%，抗压强度降低显著，为20.6%。

(2)水泥掺量对超细矿粉水泥土无侧限抗压强度影响效果最显著，氢氧化钙掺量次之。水泥土抗压强度随水泥掺量或氢氧化钙掺量增加逐渐提高，当水泥掺量≥6%或氢氧化钙掺量≥0.6%，抗压强度提高幅度较小；当超细矿粉掺量≥4%，超细矿粉掺量对水泥土抗压强度影响较大，超细矿粉掺量增加1%，其抗压强度提高8.1%以上。