水泥稳定土干缩性能及其尺寸效应

陈 杰，朱学英，付 梁，王 珩

(1.蒙城县水利局，安徽 蒙城 233500； 2中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222； 3.南京水利科学研究院材料结构研究所，江苏 南京 210024)

使用水泥进行稳定处理的土称为水泥稳定土(以下简称“水泥土”)，水泥土研究源自20世纪的美国和日本[1]。相比传统的石灰，对高水分的土壤[2]，使用水泥作为稳定组分具有更好的稳定性。水泥还可以和固废掺合料联用进一步改善土壤的强度和耐久性[3]。工程上对水泥土的强度和耐久性问题比较重视，但对收缩重视不足，实际上，收缩问题与耐久性问题同等重要。水泥土收缩主要可分为水泥水化产生的自收缩、失水产生的干缩和温度变化产生的热收缩三部分[4]，其中干缩占比在70%以上[5]。土料品种也对收缩有影响，一般水泥土收缩量在0.1%～1%，粗粒土料接近下限，细粒土料接近上限[6]。

在工程运行早期，水泥土的收缩会受到上下层摩擦约束，产生收缩应力，当收缩应力超过水泥土的最大容许拉应力时，会产生裂缝，裂缝的产生还将加速水的渗透，从而降低其耐久性[7]。一般来说，黏土水泥土的裂缝宽度较小但间距很近(0.6～3.0 mm)[8]。

George[9]研究发现高强的水泥稳定材料收缩更大；Bahar等[10]研究了阿尔及利亚的水泥稳定细颗粒土的收缩，发现在早期收缩值也很大。水泥土的收缩还与其初始含水率有关，如果初始含水率降低到70%，由于孔隙水的不连续性，收缩裂缝会减少[11]。

我国于20世纪70年代开始对水泥土的工程性质和理论开展研究，近年来随着我国基础建设的推进，水泥土以经济实用、施工方便的特点成为地下防渗[12]、地基处理、护坡的主要材料[13]。国内对于水泥土的收缩研究较少，嵇晓雷等[14]针对水泥搅拌桩研究了不同养护方式对水泥土试件收缩的影响，但不包含干燥环境；陈甦等[15]对水泥土强度问题进行了尺寸效应研究。目前相关研究存在以下不足：①试件成型基本为挤压方式，与实际碾压工艺有偏差；②缺乏前期不同养护方式对干缩影响的研究；③没有研究室内干缩试验的尺寸效应。

本文结合安徽蒙城某水利枢纽工程，对水泥土的干缩和尺寸效应进行室内试验研究，以期为工程制定防裂控制方案提供参考。

1 原材料

试验原材料取自安徽蒙城的某水利枢纽工程，该工程由节制闸、分洪闸、船闸3座建筑物组成，是一座集防洪、排涝、蓄水灌溉、交通航运于一体的枢纽工程。根据设计，节制闸和船闸基础处理采用水泥土换填。试验用土包括轻粉质壤土(船闸部位选用，以下简称“轻土”)和重粉质壤土(节制闸选用，以下简称“重土”)两种(该分类名称来自SL 265—2001《水闸设计规范》)。水泥选用散装32.5级粉煤灰硅酸盐水泥。

依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》对两种土分别进行了物理性质、颗粒组成等测试，结果见表1和表2，可见它们属于低液限黏土。两种土的性质区别不大，重土的细颗粒略多。

表1 土的物理性质

表2 土的颗粒组成

表3 水泥土的配合比

2 试验方法

2.1 水泥土配合比计算

在进行水泥土试验前，对水泥用量为10%左右的水泥土进行了击实试验(筒容积2 103.9 cm3，击锤质量4.5 kg，每层击数56，落距457 mm)，得到最大干密度和最佳含水率。其中，轻土水泥土的最大干密度为1.72 g/cm3,对应最佳含水率为19.8%；重土水泥土最大干密度为1.73 g/cm3,对应最佳含水率为18.2%。水泥土配合比以此为基础进行计算，水泥用量以干土为基准共选用7%、10%和13%等3种。

拌和前将原土晾干为风干土，再碾碎并过5 mm圆孔筛，以便去除其中的大颗粒，然后装袋密封保存用于后续试验。由于配合比中土的用量以干土计，而实际拌和制样时使用风干土，故需测量风干土的含水率，便于配合比计算。试验前对风干土的含水率可再次测量以保证实际用水量的稳定。以风干土为基准的配合比见表3。

2.2 成型及测试方法

水泥土采用强制式砂浆搅拌机拌制。为了模拟工程现场的碾压施工工艺，试件制作未采用通常的压实或击实，而是采用振动台结合压重块的方式进行，振动台振动频率为50 Hz，空载振幅为0.5 mm；参考SL 352—2018《水工混凝土试验规程》对碾压混凝土试验的要求，压重块采用高度为61 mm的不锈钢块，截面尺寸同试件尺寸。将试模放在振动台上，分层加入拌制好的水泥土，每层均放上压重块，开启振动台30 s，水泥土即可振动压实。

强度试件为边长50 mm的立方体，干缩试件为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体。干缩试模端部留有小孔便于装入测头，每个试件分3层压实，最后一层压实后，用刮刀小心去除多余材料，并使表面平整。参照SL 352—2018《水工混凝土试验规程》中的水泥砂浆干缩试验，采用电子千分尺测量长度。

同一个配合比进行不同养护期的干缩对比，即试件拆模后，分别在标准养护室养护3 d、7 d和14 d，养护期满后再放入干缩室(温度(20±2)℃，相对湿度60%)，测量其干燥后各龄期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d)的试件长度，并计算其干缩率，基准值测量在拆模后即开始；测长时同步称重，以记录试件的质量变化。

尺寸效应对比试验采用100 mm×100 mm×315 mm的大试件，同样在试件制作过程中埋入不锈钢测头，采用混凝土测长仪测量试件长度的变化。重土和轻土各对比一个水泥用量下不同尺寸试件的干缩率。

3 试验结果与分析

试件成型后压实度均在94%以上，可避免压实度不合格对于试验结果的影响。

图3 试件的质量损失率

3.1 无侧限抗压强度

水泥土试件在标准养护条件(温度(20±2)℃，相对湿度大于95%)下的7 d、28 d、56 d的无侧限抗压强度见图1。加入水泥后，水泥土的强度是原土样的几十倍。随龄期延长，强度增长，28 d后基本稳定，增速变缓；随着水泥用量的增加，水泥土强度增加明显。因为水泥水化在28 d前较快，生成的水化产物填充了土壤颗粒的空隙，大大增加了整体强度，而28 d后水化产物增加减缓，故强度增加较少。

图1 试件的无侧限抗压强度

3.2 不同养护期下的干缩率和质量损失率

两种水泥土试件在不同养护期后的干缩率和质量损失率见图2和图3。

由图2和图3可见，总体来看，水泥土的干缩率和质量损失率均随干燥龄期延长而增大，7 d前迅速增大，7 d后减缓，14 d后趋于稳定，56 d基本稳定，其最终干缩率在(9～15)×10-3间，最终的质量损失率为10%～12%。

在不同的养护期下，水泥土的干缩会随养护时间略有降低。图4为养护期对各组试件最终干缩率的影响；养护期从3 d增加到14 d时，降低率为5%～14%，说明养护期延长对降低水泥土的干缩有利，但延长养护期对于降低干缩率的效果没有增加水泥用量明显。

从图4还可以看出，水泥用量对最终干缩率的影响大于养护时间，轻土干缩率较重土大。在不同的养护时间下，各组试件最终干缩率由大到小顺序为MQ1、MZ1、MQ2、MZ2、MQ3、MZ3，综合来看，水泥用量增加，干缩率降低，且轻土的干缩率大于重土，可能是由于拌和用水相对较多，形成的孔洞较多导致。

崔宏环等[16]通过研究和计算，认为水泥土的干缩主要发生在前15 d，因此如果在前15 d加强养护，就可以减小干缩变形，但是从本次试验结果看，早期的养护对于水泥土的干缩有一定缓解，但进入干燥期后，之前长时间的养护对于水泥土干缩降低效果有限，因此实际工程可酌情进行养护。

图4 标准养护期对水泥土试件56 d干缩率的影响

图6 干缩率与质量损失率的关系

图7 试件尺寸对干缩率的影响

图8 试件尺寸对质量损失率的影响

3.3 水泥用量对干缩率的影响

由图2和图3、4可以看出，随着水泥用量的增加，各龄期的水泥土干缩率均降低，其原因有两方面，一是水泥颗粒水化后，堵塞了土壤颗粒的大孔，改善了孔结构[17]，使得水分散失减少；二是水泥水化形成的水泥石弹性模量较高，收缩率远小于土。图5为各组试件56 d干缩率与水泥用量的关系，水泥用量每提

图5 水泥用量对水泥土试件56 d干缩率的影响

高3个百分点，最终干缩率可降低10%～20%。

3.4 干缩率与质量损失率的关系

不同水泥用量的水泥土干缩率均与其干燥的质量损失率正相关，质量损失是由于干燥环境下的失水导致。由图6可见，干缩率与质量损失率基本呈线性关系，质量损失率超过9%后，干缩率变化略缓；不同标准养护时间下，早期干缩率差异不大，养护时间长的试件，后期在相同质量损失率下，其最终干缩率略小，其原因是在较长的养护时间下，水泥水化较为充分，形成的水泥石较多，抑制了水泥土的后期收缩。

3.5 水泥土试件的尺寸效应

选择MZ2和MQ2两组试件配合比，进行养护期为3 d的大试件(100 mm×100 mm×315 mm)和小试件(40 mm×40 mm×160 mm)干缩变形对比试验，结果见图7和图8。由图7、图8可见，大小试件的干缩率曲线基本重合，小试件的早期干缩率较大，这是由于其早期失水较快所致，而大试件体积较大，失水较慢，因此在干燥早期质量损失率和干缩均较小，但14 d后，随着失水的加剧，大试件的干缩率与小试件已无差别，甚至略大。MZ2组大小试件的最终干缩率分别为12.307×10-3和11.616×10-3，相对偏差约5%；MQ2组大小试件干缩率分别为13.971×10-3和12.616×10-3，相对偏差约10%。对于水泥土干缩率测试来说，10%以内的偏差是可以接受的，且对于室内试验来说，干缩率测试仅作为相互对比，因此可以认为干缩率的测量与试件尺寸没有太大关系，采用小试件具有相当好的代表性。

4 结 论

a.在相对湿度60%、温度(20±2)℃条件下，水泥土的干缩率随干燥龄期延长而增大，7 d前干缩率迅速增大， 14 d后趋于稳定，56 d基本稳定，最终干缩率在(9～15)×10-3之间，水泥用量每提高3个百分点，最终干缩率可降低10%～20%。

b.与重土相比，轻土干缩较大，可能是由于拌和用水较多，形成的孔洞较多所致；水泥土的干缩率与其干燥的质量损失率正相关。

c.由于水泥水化产物对于土体收缩的抑制，随着水泥用量的增加，试件各龄期的干缩率均降低。干燥前的养护期延长会降低水泥土后期的干缩率，如干燥前养护时间从3 d增加到14 d时，干缩的降低率为5%～14%，说明延长养护时间对降低水泥土的收缩有利，但降低效果没有水泥用量增加的影响大， 实际工程可根据需要确定合理的养护期。

d.与小试件相比，大试件由于体积较大，在干燥环境下早期失水较慢，干缩率较小，但14 d后，随着失水的加剧，大试件的干缩率与小试件非常接近，最终干缩率相对偏差在10%以内。对于水泥土来说，采用小试件测量干缩率具有良好的代表性。