水泥固化淤泥质土的强度与压缩特性研究

谢祖芬

（垒智设计集团有限公司福州分公司 福建福州 350001）

0 引言

淤泥质土在我国东南沿海及内陆湖泊、河流沿岸多有分布，具有含水率高、孔隙率大、有机质含量高、压缩性大、强度低的特点，是工程建设中常见的不良土质，处理难度大、成本高、周期长［1-2］。诸多学者对淤泥质土的研究中取得了较多成果，对淤泥质土的强度、变形、电导率、渗透性等有了较为全面的认识。为了减少淤泥质土的工程危害，提升我国建设工程的技术水平，对于淤泥质土的加固研究就成为热点［3-5］。

淤泥质土的加固措施主要分为2 种：①不在土中添加任何化学物质，采用抛填砂石、真空预压、排水固结等措施加固土体；②在土中加入生物酶、液态固化剂和固体胶凝材料等措施，利用化学反应生成的凝胶物质加固土体。这两种措施对于固化淤泥质土起到了积极作用，有各自的优势和短板［6-9］。为了更好地解决福州某工地淤泥质土引起的工程问题，本文选用水泥作为加固材料，从强度和压缩特性分析水泥固化淤泥质土的作用效果，并利用扫描电镜试验从微观分析水泥固化淤泥质土的机理，为更好进行下步工序提供依据。

1 试验方案

试验用土取自福州某项目基坑开挖工地，经过实验室测定其基本物理指标见表1。试验过程中将淤泥质土在105 ℃～120 ℃的烘箱内烘烤8 h，去除淤泥质土中的水分，随后用橡胶锤将淤泥质土敲碎并过2 mm 筛，去掉土中贝壳、砂砾等杂质。

表1 淤泥质土的物理指标

按照水泥与干土的质量比重定义水泥含量，水泥含量分别按照6%、12%、18%、24%和30%添加，试验用普通硅酸盐水泥P32.5，试样含水率为天然含水率，制样完成后用保鲜膜密封。为了探究不同养护龄期下水泥固化淤泥质土的效果，将试样养护3 d、7 d、14 d 和28 d 后进行无侧限抗压强度试验、压缩试验和扫描电镜试验。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度试验分析

本次试验选用的是SJ-1A 型应变控制三轴试验机，在不施加轴向围压时进行试验，应变控制速度为0.2 mm/min，每变形0.2 mm 读取数据1 次，绘制应力应变曲线，对于有明显峰值点的取峰值为无侧限抗压强度值qu，对于没有明显峰值点的取应变为20%对应的值为无侧限抗压强度值qu。绘制出5种不同水泥掺量，在不同养护龄期下的无侧限抗压强度发展曲线如图1。

图1 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

由图1 可知，水泥固化淤泥质土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长强度逐渐增长，前14 d 强度增长量在162 kPa～292 kPa 之间，而后继续养护14 d 至龄期28 d 时强度增长量在55 kPa 左右，前14 d 强度增长值占总强度发展值的78%～85%之间，水泥对于淤泥质土的固化作用主要集中在养护龄期14 d 以前；随着掺入水泥含量的增大淤泥质土的强度也逐步提高，5 种水泥含量的淤泥质土在不同养护龄期下的强度增长幅度表现出一定差异，即制样完成后直接进行试验的土体强度基本没有差异，养护龄期分别为3 d、7 d、14 d 和28 d 的5 种水泥含量试样强度最大差值为37 kPa、109 kPa、136 kPa 和138 kPa，总体呈现养护龄期越长不同水泥含量的固化土强度差异越明显的趋势；水泥含量为24%和30%的固化淤泥质土在各龄期下的强度值较为接近，其试验过程中的应力应变曲线也基本一致，试样破坏形态近似。

水泥对于淤泥质土的固化作用取决于水泥水化产物对土中颗粒的胶结作用，在前14 d 绝大部分活性水泥已经水化，生成的水化产物也较多，凝结硬化后强度提高显著，而后时段内的少量惰性水泥才逐步水化，使水泥对于淤泥质土的固化作用主要集中在前14 d，施工过程中可以根据水泥固化土的这一特性结合工程需要适当提前进行下部工序做业。水泥含量的增加有助于固化土强度的增长，试验中30%与24%水泥含量的固化淤泥质土性质接近，分析认为是在有限含水量的情况下水泥含量的增加会使部分水泥无法充分进行水化反应，多余的水泥以颗粒形式存在于土体之间，对于土体强度的增长没有明显作用。因此，在施工过程中需要根据试验科学确定淤泥质土的水泥添加量，减少材料浪费。

2.2 侧限压缩试验分析

侧限压缩试验选用的是三联固结压缩仪，试验压力从25 kPa～1 600 kPa，共8 个压力值，每级压力下2 h 沉降变形小于0.01 mm 时即认为变形稳定，记录每级压力下试样的最终沉降量（s），并开始下级荷载施压，绘制出养护7 d 和14 d 龄期下不同水泥含量的淤泥质土在各级压力下的沉降量曲线，如图2。

由图2 可知，土体沉降量随着上覆压力的增加逐渐增大，水泥对抑制土体沉降具有一定作用，从整体的压力—沉降变化曲线上看，压力是影响沉降的主要因素；各水泥含量下的压力-沉降曲线变化趋势一致，但存在一定差别，水泥含量为24%和30%的固化淤泥质土压缩曲线较为接近，且在压力小于300 kPa 时沉降曲线较为平缓，在随后压力下沉降曲线变陡，其余水泥含量的土体沉降曲线没有明显转折点，养护龄期为7 d和14 d 的各水泥含量下土体沉降曲线组成分别呈条带状和月牙形分布。

图2 各水泥含量下的沉降曲线

淤泥质土的含水率和孔隙率较一般土大，压缩过程就是排除土中空气和水的过程。水泥的加入会与土中的水发生水化反应，水泥浆包裹在土颗粒周围，凝结硬化后增强土颗粒之间的胶结作用，并形成土体骨架。随着养护龄期的增长，这种固化作用逐渐增强，对于外界荷载作用下的变形有一定抑制作用，当上部覆加压力大于土体所能承受的压力后，土体结构破坏，其变形速率增大。24%和30%水泥含量的固化淤泥质土在养护龄期7 d 时沉降曲线还有一定差异，养护至14 d 后两者的沉降曲线基本一致。分析认为随着养护龄期的增长，24%的水泥量已完全与土中水发生水化反应，增加的6%水泥量已经没有可供水化反应所需的水，使得此部分水泥只能以固体颗粒形式存在于土体之中，对于土体的固化作用已不明显，在采用水泥加固淤泥质土地基过程中需要根据土中含水量情况，综合考虑水胶比与变形沉降要求等确定最优水泥添加量。

2.3 扫描电镜试验分析

扫描电镜试验是从微观角度分析土体性质变化的常用手段。为了更好地探究水泥固化淤泥质土其强度和压缩特性的变化机理，对不同水泥含量、不同养护龄期下的试样进行扫描电镜试验，对比不同试验条件下试样内部结构差异，扫描图片见图3。

图3 扫描电镜图像

由图3 可知，扫描过程中抓取放大2 000 倍的照片，对比3 种情况下的扫描图像可知：土颗粒表面均有水泥凝结硬化后的产物，与土中原有的胶结物质共同组成了胶结材料，强化了土体骨架，24%水泥含量的固化淤泥质土较6%水泥含量的固化淤泥质土结构更加密实，土颗粒表面附着的水化产物更多、土中孔隙更少，部分水化产物单独凝结成细小颗粒；24%水泥含量的固化淤泥质土养护龄期为14 d 相比养护龄期为7 d 的试样表面水化产物多，有更多的水化产物聚集在土颗粒之间，使得土颗粒表面更圆润。正是由于水化产物的胶结作用，使得土颗粒之间的粘结力更强，土骨架承受外荷载和抵御变形的能力增强，同时水化反应还消耗了土体中的原有水分，减少了水在土颗粒之间的润滑作用，间接增大了土颗粒之间的咬合力。水化产物的凝结加固作用与水泥水化减少水分对土颗粒的润滑作用是水泥加固淤泥质土的主要作用机理，在淤泥质土地基处理过程中，一方面可以从增强土颗粒之间的胶结力考虑，另一方面可以从加速土中水分消耗、排泄入手，采用多种途径协同提高淤泥质土的强度和抵抗变形的能力。

3 结论

水泥作为水硬性的凝胶材料，对于固化地基土具有一定优势。通过无侧限抗压强度试验、压缩固结试验以及扫描电镜试验从不同层面考虑水泥掺量和养护龄期对水泥固化淤泥质土的效果和机理进行分析，得到以下5 点结论。

（1）水泥对于淤泥质土的强度提升具有显著效果。随着水泥含量的增大无侧限抗压强度增大，当水泥含量为30%时土体强度增长情况与24%水泥含量的土体强度基本一致，养护龄期越长水泥对淤泥质土的固化作用越显著，且主要发生在前14 d 的养护中。

（2）水泥的加入能有效减少淤泥质土的沉降变形。随着水泥含量的提高，固化淤泥质土在各级压力下沉降变形逐渐减少，24%和30%水泥含量的淤泥质土的压缩曲线在300 kPa 处有明显转折，此时土的结构在上覆压力作用下破坏。

（3）扫描电镜中发现水泥含量的提高能减少土中孔隙、增加土颗粒之间的胶结作用，并随着养护龄期的增长这种作用更明显。

（4）水泥加固淤泥土的作用机理主要表现在2 个方面：①水泥水化产物增强了土颗粒之间的胶结作用、减少了土中孔隙；②水泥水化消耗了土中原有水分，减少水对土颗粒之间的润滑作用。

（5）淤泥质土加固过程中水泥添加量、养护龄期及含水率是影响其加固效果的主要因素。施工中需要根据土中水含量通过试验确定出最优的水泥添加量，本试验的水泥最优添加量为24%。