水泥土的工程特性研究

王方圆，肖 瑜，于春亮

(济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250014)

水泥土也称水泥稳定土，是由一定含水量的土、水泥以及其他组分(如外加剂)按照一定比例拌合均匀，并经机械压实、养生后形成的具有一定整体性、水稳定性和强度的结硬性混合物[1，3，5]。水泥土以其良好的承载力、低压缩性、较高的抗剪强度、较好的抗滑稳定性能、抗渗稳定性能、抗液化性能和耐冲刷性能等工程性质，最大限度地利用场地现状土的优势等，在水利工程处理浅部软弱地基土层及液化地基土层、翼(挡)墙墙后回填和河道防护中得到广泛应用。

1 水泥土的凝结硬化与加固机理[8-9]

水泥土的凝结硬化与加固是基于水泥与一定含水量的土之间一系列的物理—化学反应，不仅存在水泥的水化硬化，而且还伴随着土体与水泥水化物的相互作用。通常认为水泥土的凝结硬化与加固机理有：①水泥的水解和水化反应；②离子交换和团粒化作用；③硬凝反应；④水泥水化物的碳酸化作用。其中②和③两条为土体与水泥水化物的相互作用。

2 水泥土的物理力学及其他工程性质

结合水泥土在水利工程中的实际应用来看，工程技术人员关注的水泥土的物理力学性质及其他工程性质主要有：①物理性质参数(含水量、密度和比重)；②力学性质参数(压缩性，抗剪强度参数)；③渗透性；④抗冲刷性；⑤耐久性(抗冻性、耐干湿性和耐腐蚀性)。

2.1 物理性质参数

(1)含水量

由于水泥土在凝结硬化与加固过程中需要消耗原土样中的水分参与物理—化学反应，因此水泥土的含水量通常比原土样的含水量低。根据文献[6]，水泥土含水量比原土样含水量一般减少约0.5%～7.0%之间，且随着水泥掺入比的增加原土样含水量减少。

(2)密度

根据文献[1]，水泥的密度(指堆积密度)取决于堆放的紧密程度，松散时约为1.0～1.3g/cm3，紧密时可达1.5～2.0g/cm3，一般与土的密度(软土1.4～1.9g/cm3，常规土1.75～1.95g/cm3)[7]相差不多。因此水泥土的密度通常与原土样的密度相近。根据文献[6]，当原土样密度1.71～1.75g/cm3，水泥掺入比在5%～20%变化时，水泥土的密度比原土样增加约0.5%～2.5%。

(3)比重

根据文献[1]，硅酸盐水泥的比重一般为3.05～3.20，在进行配比计算时通常取值3.10，一般比土的比重(砂、砂壤土、壤土和黏土平均比重分别取值为2.65、2.70、2.71和2.74)[7]大，因此水泥土的比重通常比原土样的比重稍大。根据文献[6]，当原土样比重2.69～2.76，水泥掺入比在5%～20%变化时，水泥土的比重比原土样增加约0.7%～2.5%。

2.2 力学性质参数

(1)压缩性

水泥土是由各组分按照一定比例拌合均匀，并经机械压实、养生后形成的结硬性混合物，因此水泥土的压缩性与原场地土相比大幅度降低，且具有低压缩性。根据文献[6]，水泥土的压缩系数约为0.02～0.035MPa-1，其相应的压缩模量为60～100MPa。

(2)抗剪强度

由于形成过程中的凝结硬化与加固，水泥土的整体性和稳定性均较原场地土有大幅度提高。根据文献[6]，水泥土的抗剪强度随着抗压强度的增加而提高，当水泥土的无侧限抗压强度fcu=0.3～4.0MPa时，其黏聚力c=0.1～1.0MPa，内摩擦角在20°～30°；且一般来说，原场地土中粗颗粒含量越多，内摩擦角越大[10]。

2.3 渗透性

由于水泥的水化产物将原场地土颗粒胶聚在一起，形成水稳定性较好的结硬性混合物水泥土，加之水泥土的细颗粒含量较高，使得水泥土具有较好的防渗性能和抗渗性能[11-13]；根据文献[6]，水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小，一般可达10-5～10-8cm/s数量级，具弱～极微透水性。

2.4 抗冲刷性

水泥土的整体性和水稳定性均较原场地土有大幅度提高，其抗冲刷性也较原场地土有大幅度的提高。山东省水利科学研究院与长江水利委员会合作进行的抗冲刷试验资料见表1，其中试件采用轻粉质砂壤土(黏粒含量3%～6%)及325号硅酸盐水泥配置，挤压成型后干密度为1.5g/cm3，标准养护28d后经平冲及45°角斜冲试件表面2h的试验资料。

表1 水泥土抗冲刷性能试验资料

由表1可得，不掺水泥的夯实素土试件抗冲流速小于0.5m/s；而水泥掺量大于4%的试件，平冲的抗冲流速大于6m/s，斜冲的抗冲流速大于3m/s，抗冲刷性较夯实素土有了大幅度的提高。根据文献[14]，土料中黏粒含量越多，水泥土的抗冲刷性越强。

2.5 耐久性(抗冻性、耐干湿性和耐腐蚀性)

由于水泥土形成过程中的凝结硬化与加固成为结硬性混合物，改善了原场地土的孔隙结构，降低了孔隙率，孔隙水减少，结冰产生的劈裂破坏力减弱，由此水泥土的抗冻性较原场地土有所提高；耐干湿性也较原场地土有所提高。

根据文献[1]，山东省水利科学研究院选用鲁西北平原地区侵蚀性能较强的硫酸钠溶液进行的试验结果表明，水泥土具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力。

3 水泥土性能的影响因素

影响水泥土物理力学及其他工程性质的因素较多，包括土性(岩性、黏粒含量、土体含水量、土体有机质含量、土体酸碱性、塑性指数和黏土矿物成分等)、水泥品种与强度等级、水泥掺入比、外加剂、水泥与土的拌合及压实程度，养护方法、养护条件、养护龄期与使用条件等。

(1)土性(岩性、土体含水量、土体有机质含量、土体酸碱性和黏土矿物成分等)

①通常原场地土中粗颗粒含量越多，水泥土的强度越大，渗透系数越大，抗冲刷性越差，抗冻性越强。

②当水泥土的配方相同时，其强度随原场地土天然含水量的降低而增大；试验表明，当土的含水量在50%～85%范围内变化时，含水量每降低10%，水泥土强度可提高30%。

原场地土含水量的减少，水泥土的压缩性降低；原场地土含水量对水泥土的抗冻性能影响较小，但是当接近原场地土的最优含水量时，水泥土的抗冻性能最优[16]。

③由于有机质会阻碍水泥的水化反应，影响水泥土强度的增长，因此有机质含量高的原场地土单纯用水泥进行加固，效果较差。

④呈碱性的原场地土与水泥作用后形成的水泥土性能比呈酸性的效果好[18]。

⑤当土的塑性指数大于25时，水泥和土不易搅拌均匀。

⑥水泥与土中的黏土矿物高岭石、蒙脱石加固效果比伊利石好。

(2)水泥品种与强度等级

抗硫酸盐水泥的抗冻性优于矿渣硅酸盐水泥[1]。提高水泥的强度等级可增大水泥土的强度和抗冻性。

(3)水泥掺入比

通常随着水泥掺入比的增加，水泥土的压缩性降低，抗剪强度增大，抗渗性、抗冲刷性、抗冻性、耐干湿性和耐腐蚀性均增强。

(4)外加剂

不同外加剂对水泥土强度有着不同的影响，如木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大，主要起减水作用；石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用，且石膏兼有缓凝和早强的双重作用；粉煤灰可提高水泥土的强度，增强其抗渗性，且对水泥土的膨胀有一定的抑制作用。

(5)水泥与土的拌合及压实程度

水泥与土拌合时间越长、拌合程度越均匀，则水泥土的强度越高；水泥与土形成过程中压实程度越好，则水泥土的强度越高，抗渗性、抗冲刷性、抗冻性、耐干湿性均越强。

(6)水泥土的养护方法、条件、龄期与使用条件

如采用蒸汽养护方法，可以使水泥充分水化，加速反应，也能改善其抗冻性能；通常水泥土的养护方法对其早期强度影响大，后期强度影响较小；碱性养护环境条件比酸性环境好；随着养护龄期增长，水泥土的压缩性降低，强度增大，抗渗性增强；在水泥土的使用条件中，随着冻融循环次数的增多，水泥土的强度降低，渗透性增大。

4 工程实例

济南高新区杨家河西小龙堂段河道治理工程位于彩石街道办境内，治理河段长1.37km，上下游高差达15.7m，平均比降约1∶87。受城市建设影响，治理河段现状遭到占压。根据片区规划，规划后的河道轴线与现状相比发生变化，且河道宽度受到束缚，为满足防洪要求，河道两岸采取垂直挡墙防护；为减少投资，并使河道水流有控制性地向下游降低水头，沿线设置4座跌水。

工程沿线及附近场地包含黄土地貌、河流侵蚀堆积形成的河谷地貌，以及受人类活动影响较大的堆土地貌。根据工程地质勘察报告[20]，第①层杂填土分布较连续，钻孔揭露平均层厚6.05m；结构松散、成分复杂、性质不均，存在承载力低、沉降大、稳定性差等工程地质问题；第②层黄土状壤土分布较为连续，钻孔揭露平均层厚6.76m；具轻微～中等湿陷性，且存在抗冲刷性能差、抗渗透能力差等工程地质问题。

鉴于河道工程对防渗、防冲刷的要求，以及挡墙与跌水构筑物对地基承载力、压缩性、抗滑稳定性、抗渗稳定性(跌水)、抗冲刷稳定性及岸坡防护等要求，河道采取水泥土护底，挡墙和跌水采取水泥土换填垫层法处理。

5 结语

水泥土以其良好的工程特性，并且能最大限度地利用原场地土的优势，在水利工程中得到广泛应用。由于水泥土的性能受到原场地土性质、水泥掺入比、水泥与土的拌合及压实程度等诸多因素的影响，小型水利工程可根据工程特征需求，结合场地土性质等条件，参照地区经验，选择合适的水泥品种及水泥掺入比等。大中型水利工程建议通过室内试验、现场试验等进行对比分析、比较研究确定更为合理的参数等，以期在保证达到工程处理目的、满足工程特征要求的同时，实现最佳的经济效益。