伍永平，馬芹永

(1. 安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

水泥土是一種由土、水泥和水按一定配合比制成的加固材料，主要用于地基和路基等巖土工程中,尤其是制作成水泥攪拌樁用于軟土加固中[1-2]264。然而水泥的生產(chǎn)過程會消耗大量能源并產(chǎn)生高碳排放[3-4]244，且水泥土易受到氯鹽、硫酸鹽的侵蝕作用以及凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等復(fù)雜環(huán)境的影響，造成水泥土的耐久性能降低[5-6]447。為了尋找水泥替代品，提高水泥土的性能，國內(nèi)眾多專家學者做了大量的相關(guān)試驗研究，結(jié)果表明：偏高嶺土可有效提高水泥土的抗壓強度[7-9]115。

偏高嶺土(Metakaolin，簡稱MK)是高嶺土在600～900℃下煅燒形成，生產(chǎn)過程能耗低、二氧化碳排放量少[3]244。其含有大量活性Al2O3和SiO2，常溫下的性質(zhì)穩(wěn)定，在堿性環(huán)境下，生成硅鋁酸鹽類物質(zhì)[1]365，從而促進水泥的水化反應(yīng)并產(chǎn)生更多水化產(chǎn)物。以往關(guān)于偏高嶺土摻量對水泥土強度影響的研究中，文獻[10]研究了江蘇連云港海相軟土，發(fā)現(xiàn)偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為在1:6至1:5范圍內(nèi)時，水泥土的強度提升效果最好，分析了偏高嶺土的作用機理；文獻[11]以太原市砂質(zhì)黏土為研究對象，提出偏高嶺土與水泥的最佳質(zhì)量比為1∶3～1∶2；文獻[12]選取太原粉質(zhì)砂土進行無側(cè)限抗壓強度試驗， 結(jié)果表明， 偏高嶺土的最佳摻入比為2%～3%； 文獻[13]認為太原市粉質(zhì)黏土制得的水泥土強度達到最佳時， 偏高嶺土的摻入比為1.5%， 對應(yīng)的偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1∶9。

以上研究結(jié)果表明，不同土質(zhì)的水泥土，偏高嶺土的最佳摻量并不統(tǒng)一，且只有一個大概范圍。本文以黏土為研究對象，設(shè)定不同偏高嶺土摻量，研究其不同摻量對不同齡期水泥黏土性能的影響，進而確定偏高嶺土的最佳摻量，為實際工程提供一定的試驗依據(jù)。

1 試驗方案與試驗過程

1.1 試驗材料

試驗所用黏土取自合肥某工地，將取回的土風干，碾碎并過2mm篩。參照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[14]，測得土的粒徑級配見表1，土樣的液限為40.89%，塑限為21.93%，塑性指數(shù)為18.96，最優(yōu)含水率wop為19.84%，最大干密度ρd為1.755g/cm3。水泥選用淮南市某廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，試驗用水為普通自來水，偏高嶺土產(chǎn)自河南焦作某廠，細度為1 250目，各項成分如表2所示。

表1 土的粒徑級配

表2 偏高嶺土的化學成分

1.2 試驗方案

在水泥土應(yīng)用于處理高速公路軟黏土路基時，國內(nèi)標準規(guī)定水泥的摻量在15%～20%之間[15]，因此，試驗選用干土質(zhì)量的15%作為水泥的基準摻量，偏高嶺土摻入量分別為干土質(zhì)量的0%、1%、2%、3%、4%，等質(zhì)量替代水泥，水泥土的試驗方案如表3所示。

1.3 試驗過程

按照擊實試驗所得最優(yōu)含水率拌制土樣，將拌制好的濕土樣裝入密封袋內(nèi)密封靜置24h，之后按配合比向土樣中加入水泥、偏高嶺土、水，充分拌勻[16]。采用分層擊實的方法將拌合料分4次裝入內(nèi)壁涂抹薄層凡士林的圓柱體鋼模中，模具內(nèi)直徑為50mm，高度為100mm，最后一次振搗完成后用刮土刀將試樣表面刮平。拆模后，用保鮮膜將試樣包裹并放入密封袋，在室內(nèi)分別養(yǎng)護3d、7d、14d和28d。每組均制作3個平行試樣，共計60個試樣。

表3 水泥土試驗方案

試樣養(yǎng)護到設(shè)定齡期之后，參照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233-2011)[17]進行無側(cè)限抗壓強度試驗，所用儀器為WDW-100微機控制電子式萬能試驗機，加載裝樣如圖1所示。試驗采用應(yīng)變控制，加荷速率為1mm/min。試驗數(shù)據(jù)處理時，若試樣的測值低于或超過該組平均值的15%時，則該試樣的測值作廢，按余下試樣的測值計算平均值；若一組中滿足要求的試樣不足兩個，則該組須重新制樣進行試驗直至滿足要求。

圖1 加載裝樣示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥土強度與偏高嶺土摻量的關(guān)系

圖2表示不同齡期下水泥土無側(cè)限抗壓強度隨偏高嶺土摻量變化的試驗結(jié)果。由圖2可知，相同齡期條件下，摻入偏高嶺土的水泥土強度均高于未摻偏高嶺土水泥土，說明偏高嶺土能有效提高水泥土的抗壓性能。并且發(fā)現(xiàn)水泥土強度與偏高嶺土摻量不是單一線性增長關(guān)系，當偏高嶺土摻量從0增到3%時，3d、7d、14d和28d下水泥土的強度分別由1.36MPa、1.71MPa、2.07MPa和2.61MPa增長到1.95MPa、2.38MPa、2.85MPa和3.73MPa；當偏高嶺土摻量由3%到4%時，其強度則分別下降到1.44MPa、1.86MPa、2.19MPa和2.80MPa。

對上述現(xiàn)象作出分析：一方面,水泥自身水化反應(yīng)生成水化硅酸二鈣,水化硅酸三鈣等產(chǎn)物，同時水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2和偏高嶺土中高活性的Al2O3和SiO2反應(yīng)，生成了鈣礬石AF-t及水化硅酸鈣C-S-H、水化鋁酸鈣C-A-H等一系列膠結(jié)性水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物既可以填充在水泥土孔隙中，使結(jié)構(gòu)更加致密(填充作用)，又因其本身具有較高的膠結(jié)強度且能使黏土顆粒彼此連接在一起，進而使水泥土的強度得以提升[5]449。隨著火山灰反應(yīng)的進行，Ca(OH)2含量減少，從而促進了水泥的水化反應(yīng)，水泥的水化反應(yīng)與偏高嶺土火山灰反應(yīng)相互協(xié)作，共同提升水泥土的強度[8]114。

另一方面，當偏高嶺土摻量較少時，水泥的摻量相對較多，此時水泥產(chǎn)生的水化產(chǎn)物Ca(OH)2與偏高嶺土反應(yīng)后尚有剩余，隨著偏高嶺土摻量逐漸增大，水泥的摻量減小，水泥的水化產(chǎn)物在火山灰反應(yīng)過程中被逐漸完全消耗。當偏高嶺土進一步增多時，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2相對減少，偏高嶺土不能被完全反應(yīng)，導(dǎo)致水泥土強度的增長幅度減小[8,13]114，64。其中，當偏高嶺土摻量為3%時，兩者恰好反應(yīng)完全，水泥土內(nèi)部顆粒相互關(guān)聯(lián)共同抵抗外力的效果達到最佳，水泥土無側(cè)限抗壓強度達到最大。

圖2 無側(cè)限抗壓強度與MK摻量的關(guān)系

2.2 水泥土強度與齡期的關(guān)系

圖3為水泥土無側(cè)限抗壓強度增量與齡期增量的關(guān)系圖，結(jié)合圖2可以看出,隨著齡期的增長，同一摻量的偏高嶺土水泥土強度也增加。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，0～3d齡期內(nèi)水泥土強度增長速率最快，摻入偏高嶺土后，強度提升更加明顯，在14～28d養(yǎng)護齡期內(nèi)水泥土強度亦在增加，與前期相比，增長速率減小。說明不同摻量的偏高嶺土對不同齡期水泥土的強度都有提高作用，但對早期強度的提高效果更加顯著。

另外，從水泥土強度增長速率隨偏高嶺土摻量的變化情況來看，相同齡期時間段內(nèi)，摻入偏高嶺土的水泥土強度提升速度均高于未摻加偏高嶺土水泥土。偏高嶺土摻量在3%時強度增長速率最大，超過3%后強度增長速率降低，與圖2顯示的結(jié)果一致。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4給出了28d時不同偏高嶺土摻量水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致包括四個階段：壓實階段；線彈性階段，此階段應(yīng)力隨應(yīng)變線性增加；塑性變形階段，表現(xiàn)為曲線斜率減小，應(yīng)力增長直到峰值應(yīng)力頂點；破壞階段的特征在于應(yīng)變繼續(xù)增加，應(yīng)力開始下降[18]。

圖4 28d下不同MK摻量水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4可以看出，隨著偏高嶺土摻量的不斷增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線線彈性階段越來越陡峭，峰值應(yīng)力先增大后減小。偏高嶺土摻量對峰值應(yīng)變有明顯影響，偏高嶺土摻量由0增加到3%時，破壞應(yīng)變由2.61%增長到3.24%；摻量為4%時，水泥土的破壞應(yīng)變?yōu)?.76%。說明偏高嶺土不僅能提高水泥土的強度，也能提高水泥土的塑性。這可能是因為偏高嶺土與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2進行二次反應(yīng)，生成大量的水化硅酸鈣等膠凝性物質(zhì)，這些物質(zhì)分散在水泥土中，將土顆粒膠結(jié)在一起，形成一種空間網(wǎng)狀聚合體系，提高了水泥土的整體性，使水泥土表現(xiàn)出一定的塑性破壞特征。

3 結(jié)論

(1)偏高嶺土能明顯提升水泥土的強度，主要因為其可以和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)加速水泥水化并發(fā)揮火山灰效應(yīng)。隨著偏高嶺土摻量的增加，水泥土強度先增大后減小。

(2)在3d、7d、14d、28d齡期下，水泥土強度隨齡期增大而增加，且不同摻量的偏高嶺土對不同齡期水泥土的無側(cè)限抗壓強度均有提高作用，對早期強度的提升效果更加明顯。

(3)摻入偏高嶺土后，水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線中線彈性階段曲線斜率變大，水泥土的破壞應(yīng)變也增大。偏高嶺土不僅提高了水泥土的無側(cè)限抗壓強度，也提高了水泥土的塑性。

(4)相較于等質(zhì)量的水泥，結(jié)合經(jīng)濟性和加固效果，偏高嶺土的最佳摻量為3%，即偏高嶺土與水泥的質(zhì)量比為1∶4。