朱崇輝，王增紅

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100)

水泥土是由土顆粒、水泥和水按比例拌合形成的一種水硬性復(fù)合建筑材料，壓實(shí)水泥土的多種工程力學(xué)性能較素土都有顯著提高，在壓實(shí)性、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、防滲、抗?jié)B性能方面都顯著優(yōu)于素土。目前，水泥土已開(kāi)始運(yùn)用于基坑支護(hù)、地基加固、路基墊層、渠道防滲抗?jié)B等方面。加強(qiáng)水泥土滲透性能研究，探明滲透系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)水泥土的滲透理論研究和對(duì)采用水泥土施工或加固的巖土工程建設(shè)都具有積極的探索意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

英國(guó)人阿斯譜丁(J.Aspdin)于1824年10月最先發(fā)明了波特蘭水泥［1］，此后，水泥作為一種固化材料開(kāi)始在許多國(guó)家展開(kāi)研究，隨之便逐漸產(chǎn)生了性能各異的水泥品種。將水泥摻入土中加水拌合壓實(shí)以加固土體，增強(qiáng)土的力學(xué)性能的水泥土研究則始于20世紀(jì)初的美國(guó)和日本［2］。隨著經(jīng)濟(jì)和建筑業(yè)的發(fā)展，我國(guó)于20世紀(jì)70年代也開(kāi)始了水泥土的工程性質(zhì)理論和應(yīng)用研究。從目前國(guó)內(nèi)外水泥土的研究成果來(lái)看，主要集中在水泥土強(qiáng)度與含水率［3－5］、水泥摻量［6－8］、齡期［9－10］的關(guān)系方面。隨著電子顯微鏡掃描技術(shù)的發(fā)展，近10多年來(lái)，一些學(xué)者還從水泥土隨時(shí)間延長(zhǎng)的微觀結(jié)構(gòu)變化機(jī)理方面進(jìn)行了研究［11－14］，這些研究成果正在為水泥土力學(xué)本構(gòu)模型研究創(chuàng)造條件。水泥土滲透性方面的研究成果目前還很少，主要問(wèn)題在于研究手段有待完善。為此，課題組通過(guò)自行設(shè)計(jì)的水泥土滲透儀進(jìn)行了黃土拌合的水泥土進(jìn)行了滲透系數(shù)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究。

2 水泥土滲透系數(shù)試驗(yàn)研究

2.1 水泥土滲透儀研制

普通細(xì)粒土滲透試驗(yàn)在許多試驗(yàn)規(guī)程中都有規(guī)定［15］，試驗(yàn)儀器、方法和步驟都較為成熟，但課題組參考規(guī)范對(duì)水泥土滲透系數(shù)的前期研究發(fā)現(xiàn)，采用南55滲透儀對(duì)水泥土滲透系數(shù)試驗(yàn)存在以下問(wèn)題:水泥土滲透系數(shù)與齡期有關(guān)，土樣需養(yǎng)護(hù)，將水泥土置于滲透儀中養(yǎng)護(hù)，水泥土?xí)蛩懦鰺崃矿w積膨脹，在滲透環(huán)刀側(cè)限條件下出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥土滲透系數(shù)測(cè)試不準(zhǔn)確。因此，水泥土養(yǎng)護(hù)必須在無(wú)側(cè)限條件下進(jìn)行。將試樣推出環(huán)刀進(jìn)行無(wú)側(cè)限養(yǎng)護(hù)則會(huì)由于土樣膨脹后無(wú)法再次無(wú)損放入環(huán)刀，削樣可將試樣放回環(huán)刀進(jìn)行試驗(yàn)，但削樣對(duì)試樣的擾動(dòng)破壞，同樣會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

為此，課題組設(shè)計(jì)了專門的水泥土滲透儀，解決了水泥土因膨脹變形無(wú)法無(wú)損放入儀器中進(jìn)行滲透試驗(yàn)的技術(shù)難題。試驗(yàn)儀器基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)思想為:土樣采用圓柱體試樣，考慮到水泥土試樣養(yǎng)護(hù)后膨脹，將試驗(yàn)儀器放樣空間在徑向上增大，滿足最大膨脹后土樣能無(wú)損地放入儀器中。試樣與儀器間出現(xiàn)的縫隙，通過(guò)寬度大于試樣厚度的臺(tái)階設(shè)計(jì)，使側(cè)向滲徑大于垂直滲徑，臺(tái)階部分的土樣上下放置平板式環(huán)狀止水環(huán)止水，上部采用內(nèi)徑與進(jìn)水腔體內(nèi)徑相同的環(huán)形壓力蓋固定，以保證滲透水流從露空的中間部分進(jìn)行滲透，滲透面積按漏空面積計(jì)算，從而解決了土樣養(yǎng)護(hù)膨脹帶來(lái)的試驗(yàn)難題，試驗(yàn)證明效果比較理想。

圖1 水泥土滲透儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of cement soil permeameter

2.2 試樣制備

土料取自陜西省楊凌工業(yè)園區(qū)以北的崔西溝黃土苔原，參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL—1999)測(cè)定了土的基本物理參數(shù):天然含水率12.8%，土粒比重2.71，液限34.5%，塑限17.7%，塑性指數(shù)16.8。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)中塑性圖分類，土粒試樣屬低液限黏土(黃土)。水泥為陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的秦嶺牌425#普通硅酸鹽水泥。

按設(shè)計(jì)方案，共制樣7組，每組8個(gè)試樣。水泥摻量按干水泥與干土質(zhì)量的百分比計(jì)算，制樣含水率參考前期水泥土擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水率，將試樣所需全部水量分層噴灑入過(guò)2 mm篩后的素土中悶制24 h后拌勻，制樣前將每個(gè)試樣對(duì)應(yīng)的水泥量摻入土中拌勻后立即進(jìn)行制樣，制樣采用靜壓和擊實(shí)2種方法進(jìn)行。試樣均為半徑3.91 cm，厚度4 cm的圓柱體，靜壓制樣法試樣干密度均為定值 ，擊樣法試樣采用單位輕型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功分2層擊樣控制干密度，試樣制好后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，溫度控制在20℃，相對(duì)濕度控制在80%，各組試樣最終試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。表1中水泥摻量范圍為2.5% ～20%，準(zhǔn)確摻入量分別為2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，12.5%，15.0%，17.5%，20.0%;干密度范圍為1.66 ～1.73 g/cm3，準(zhǔn)確值分別為1.66，1.67，1.68，1.69，1.70，1.71，1.72，1.73 g/cm3;齡期范圍為 3 ～90 d，準(zhǔn)確天數(shù)分別為 3，7，14，21，28，35，60，90 d，含水率范圍為17.0% ～24.0%，準(zhǔn)確數(shù)值分別為17.0%，18.0%，19.0%，20.0%，21.0%，22.0%，23.0%，24.0%。

表1 試樣試驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Parameters of cement soil specimens for the test

2.3 試 驗(yàn)

參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)中變水頭滲透試驗(yàn)有關(guān)步驟，在試樣滿齡期前一天，將其放入抽氣缸中抽氣2h，然后用無(wú)氣水浸水飽和至齡期備用。試驗(yàn)前，將環(huán)形平板止水圈放入滲透儀臺(tái)階上，環(huán)形止水圈上放置水泥土樣，土樣上再放置一個(gè)環(huán)形止水圈，為防止?jié)B水從滲透儀內(nèi)壁滲出，在上平板止水圈上放入一個(gè)具有較高強(qiáng)度的有機(jī)玻璃環(huán)，形狀與環(huán)形止水圈相同，然后在有機(jī)玻璃環(huán)上再放置大小與滲透儀內(nèi)腔直徑相同的圓環(huán)形止水圈，最后在上部通過(guò)加壓環(huán)施加壓力固定滲透試樣，試樣裝好后，進(jìn)行加水排氣，施加水頭進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取6次平行試驗(yàn)平均值，試驗(yàn)用水為真空抽氣無(wú)氣水。

3 結(jié)果分析

將不同條件下滲透系數(shù)與滲透試驗(yàn)起始坡降、水泥摻量、水泥土齡期關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果整理到圖2、圖3、圖4所示的單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中。圖2為第1和第2組試樣曲線，圖3為第3至第5組試樣曲線，圖4為第6和第7組試樣曲線。

圖2 滲透系數(shù)與滲透試驗(yàn)起始坡降關(guān)系曲線Fig.2 Curves of permeability coefficient vs.initial gradient in the permeability test for cement soil

圖3 滲透系數(shù)與水泥摻量關(guān)系曲線Fig.3 Curves of permeability coefficient vs.cement content of cement soil

圖4 滲透系數(shù)與水泥土齡期關(guān)系曲線Fig.4 Curves of permeability coefficient vs.age of cement soil

從圖2滲透系數(shù)與滲透試驗(yàn)起始坡降關(guān)系曲線可見(jiàn)，水泥土滲透系數(shù)大小與滲透試驗(yàn)起始坡降有關(guān)。在水泥摻量、齡期和干密度相同情況下，水泥土滲透系數(shù)并非是一個(gè)定值，隨著滲透起始坡降的增大，滲透系數(shù)逐漸增大，水泥摻量為10%、齡期為7 d、干密度為1.68 g/cm3的水泥土，測(cè)試起始坡降從10增大到45，滲透系數(shù)則從7.33×10－7cm/s增大到了1.50×10－5cm/s;水泥摻量為15%、齡期也為7 d、干密度為1.68 g/cm3的水泥土，測(cè)試起始坡降從10增大到45，滲透系數(shù)則從2.29×10－6cm/s增大到了4.78×10－5cm/s，滲透系數(shù)增大幅度都在10倍以上，超過(guò)了一個(gè)數(shù)量級(jí)。從圖2曲線趨勢(shì)上看，隨著滲透起始坡降的增大，滲透系數(shù)還具有增大趨勢(shì)，其它齡期的滲透試驗(yàn)結(jié)果也具有相同現(xiàn)象。為何滲透系數(shù)隨初始水力坡降增大而增大，原因在于滲透水流在土樣中滲透需克服土顆粒表面的薄膜水的阻礙作用，當(dāng)滲透初始坡降增大后，滲透壓力增高，滲流水速度加快，薄膜水層厚度減小，有效滲透水流面積增加，導(dǎo)致滲透系數(shù)增大。這就說(shuō)明，在其它條件不變的情況下，水泥土的滲透系數(shù)大小要具有可比性，必須在某一相同滲透起始坡降下進(jìn)行。

因此，本文其余全部試驗(yàn)的滲透系數(shù)測(cè)定都選擇在固定滲透起始坡降為40的條件下進(jìn)行。

從圖3滲透系數(shù)與水泥摻量關(guān)系曲線圖，可見(jiàn)，在水泥土齡期為7 d，干密度相同條件下，水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量的增加逐漸增大，這給人一種反常印象。其實(shí)，原因在于干密度相同所致。因?yàn)樵摻M土樣試驗(yàn)條件是在干密度為1.70 g/cm3這一固定干密度情況下進(jìn)行的，在前期水泥土的擊實(shí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擊實(shí)功相同時(shí)，水泥土最大干密度隨水泥摻量增加而增大。在水泥土擊實(shí)過(guò)程中，水泥會(huì)產(chǎn)生固化，固化后的水泥比重較土顆粒比重稍大，好比黏性土中含礫石，水泥摻量越大，固化后含礫越多，最大干密度增加。當(dāng)在相同干密度條件下，隨著水泥摻量增加，水泥土相應(yīng)試樣的相對(duì)壓實(shí)度有所降低，土粒間空隙越多，滲透系數(shù)必將增大。圖2中水泥摻量為15%的曲線位于摻量為10%的曲線上方也反映這一現(xiàn)象。在實(shí)際施工中這種情況是不允許出現(xiàn)的，一般會(huì)根據(jù)不同水泥摻量對(duì)應(yīng)的擊實(shí)最大干密度，采用壓實(shí)度控制實(shí)際施工干密度，也就是說(shuō)，水泥摻量增加，對(duì)應(yīng)的干密度度也應(yīng)相應(yīng)增大。根據(jù)這種情況，又進(jìn)行了按標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功控制試樣干密度的2組不同水泥摻量滲透試驗(yàn)，參考混凝土強(qiáng)度測(cè)定齡期，滲透試驗(yàn)齡期分別選在了14 d和21 d，該條件下測(cè)得的滲透系數(shù)結(jié)果見(jiàn)圖3中另2條曲線。從圖中可見(jiàn)，同一曲線上水泥土滲透系數(shù)隨水泥摻量增加，滲透系數(shù)逐漸減小，減小幅度隨水泥摻量增加而變緩，齡期為21 d的不同摻量曲線均位于齡期為14 d的不同摻量曲線下方，說(shuō)明相同摻量的水泥土滲透系數(shù)隨齡期增加而減小。原因在于，水泥水化過(guò)程是逐漸進(jìn)行的，試樣成型初期速度較快，隨時(shí)間延長(zhǎng)，可參與水化的水量和水泥量都逐漸減少，水泥水化速度變得越來(lái)越慢。2條曲線都在水泥摻量約為8%～10%左右出現(xiàn)拐點(diǎn)。由此規(guī)律可得到啟示，利用水泥土防滲，在滲透系數(shù)減小到符合要求的前提下，存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)上合理的摻入比，一般在8% ～10%較為合理。摻量超過(guò)該比例，相同水泥增量在防滲上的作用顯著降低，經(jīng)濟(jì)上是不合算的。

圖4顯示，相同水泥摻量下，相同干密度和標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功控制干密度的水泥土，隨齡期的延長(zhǎng)，水泥土滲透系數(shù)都逐漸降低，降低幅度都隨齡期增加逐漸放緩，該現(xiàn)象再次表明，水泥土水化速度在試樣成型初期較快，隨時(shí)間延長(zhǎng)，水化速度逐漸變慢，在齡期為90 d，滲透系數(shù)還有減小趨勢(shì)，表明水泥水化過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際工程中，由于水泥土體積較實(shí)驗(yàn)室試樣體積大得多，水化時(shí)間還會(huì)延長(zhǎng)，可能會(huì)達(dá)到半年、1年、甚至數(shù)年。但是，根據(jù)圖中滲透系數(shù)與齡期關(guān)系曲線趨勢(shì)可以判斷，水泥土水化量在試樣成型初期的前2周或3周已大部分完成，前期水化結(jié)果對(duì)水泥土的滲透系數(shù)或強(qiáng)度起重要作用。圖4還顯示，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功控制干密度的曲線較固定干密度曲線陡，且二者還出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，原因在于，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功控制干密度的試樣，密度是一個(gè)變值，在水泥摻量較小時(shí)干密度也較小，隨水泥摻量增加干密度增大，當(dāng)水泥摻量增大到一定程度后，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功試樣干密度已大于采用靜壓法控制的試樣干密度，出現(xiàn)滲透系數(shù)小于靜壓法試樣控制干密度的現(xiàn)象。從圖2至圖4上可看出，在水泥摻量為10%，制樣方法為靜壓、齡期為7 d的條件下，第1組和第3組水泥土的滲透系數(shù)在1×10－5～1×10－6cm/s之間，而第6組水泥土的滲透系數(shù)在1×10－7～1×10－8cm/s之間，主要在于第6組試樣干密度較大，同時(shí)，密度不同試樣滲透系數(shù)曲線較相同密度試樣滲透系數(shù)曲線陡，說(shuō)明干密度大小對(duì)水泥土滲透系數(shù)大小起決定性控制作用。

4 結(jié)論與建議

從上述結(jié)果分析中可得出水泥土以下幾點(diǎn)滲透系數(shù)方面的研究結(jié)論:

(1)在水泥土水泥摻量、干密度、齡期等物理狀態(tài)一定條件下，滲透系數(shù)與試驗(yàn)時(shí)的起始坡降有關(guān)，隨起始坡降的增大而增大，滲透系數(shù)的大小測(cè)定必須在某一特定物理狀態(tài)和起始坡降下才具可比性。

(2)在水泥土水泥摻量、干密度等物理狀態(tài)保持一定的條件下，水泥土滲透系數(shù)隨齡期延長(zhǎng)而減小，減小幅度逐漸變緩，試樣成型初期的前2～3周，變化最為顯著，前后期滲透系數(shù)可相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)干密度是影響水泥土滲透系數(shù)的最重要因素，水泥摻量、齡期的改變，從而導(dǎo)致水泥土滲透系數(shù)變化的直接原因都在于這些改變最終直接導(dǎo)致了水泥土干密度變化，干密度變化的結(jié)果引起土樣中孔隙率和孔隙連通性的改變，從而宏觀表現(xiàn)在滲透系數(shù)上的巨大變化。

本文主要從水泥摻量、齡期、干密度方面定性探討了以黃土拌合的水泥土滲透系數(shù)的宏觀變化規(guī)律，而滲透系數(shù)與上述因素間是否存在定量計(jì)算模型關(guān)系，土的類別、水泥型號(hào)、養(yǎng)護(hù)條件等因素影響水泥土滲透系數(shù)的作用大小，則需繼續(xù)深入研究。

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