殷 俊

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司 長(zhǎng)沙市 410075)

0 引言

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌和，在壓實(shí)、養(yǎng)生等工序后具有一定強(qiáng)度的硬化材料，因其取材方便、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在道路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施中應(yīng)用廣泛[1-2]。但水泥土強(qiáng)度影響因素較多，主要有水泥標(biāo)號(hào)及摻量、土樣性質(zhì)、齡期、養(yǎng)生條件等，其中水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加逐漸提高，但強(qiáng)度增長(zhǎng)速率及抗拉性相對(duì)降低[3]。對(duì)此，選用合適的外摻劑改善水泥土的力學(xué)性能，既可避免水泥摻量過(guò)高，又能提高水泥土工程應(yīng)用效果。韓天等[4]研究表明，水泥土摻入鋼渣粉和硫酸鈉后，鋼渣粉與水泥的水化反應(yīng)加快，其早期抗壓強(qiáng)度提升明顯。張彬等[5]研究了鐵尾礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)力特性的影響規(guī)律，在鐵尾礦粉摻量6%時(shí)，其性能最佳。夏永杰等[6]研究表明水泥土摻入10%的鋼渣后，抗剪性能最優(yōu)，且鋼渣水泥土脆性程度隨養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)逐漸提高?？麻_展[7]研究了鎳鐵渣粉對(duì)水泥土早期微觀結(jié)構(gòu)的影響，隨鎳鐵渣粉摻量增加，其微觀結(jié)構(gòu)致密性逐漸提高。馬曉宇[8]研究了復(fù)合礦粉對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并結(jié)合土樣、水泥、復(fù)合礦粉技術(shù)性質(zhì)解釋了復(fù)合礦粉改良水泥土的固化機(jī)理。

上述研究表明，水泥土中摻入礦物摻合料可提高其性能，而不同土樣對(duì)水泥土力學(xué)強(qiáng)度影響不一[9]。另外，超細(xì)礦粉含有較多礦物活性成分，在混凝土材料中應(yīng)用廣泛，而摻超細(xì)礦粉水泥土設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究較少。因此，筆者采用超細(xì)礦粉等量取代部分水泥摻量，研究超細(xì)礦粉水泥土的強(qiáng)度特性，并選用Ca(OH)2為激發(fā)劑，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻超細(xì)礦粉水泥土的配合比。

1 研究方案

1.1 試驗(yàn)材料

(1)黏土：黏土土樣物理性質(zhì)見表1。土樣取自天津某路基施工現(xiàn)場(chǎng)，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)確定土樣物理力學(xué)性質(zhì)。

表1 黏土物理性質(zhì)

(2)水泥：水泥選用盾石牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表2。

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)

(3)超細(xì)礦粉：超細(xì)礦粉比表面積為520m2/kg，化學(xué)組成見表3。

表3 超細(xì)礦粉化學(xué)組成

(4)激發(fā)劑：激發(fā)劑選用氫氧化鈣，Ca(OH)2含量≥95.0%。

1.2 試驗(yàn)方案

(1)超細(xì)礦粉水泥土力學(xué)強(qiáng)度研究

研究水泥摻量、超細(xì)礦粉摻量及養(yǎng)生齡期對(duì)普通水泥土(以下簡(jiǎn)稱“水泥土”)力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)中，控制固化劑(水泥和超細(xì)礦粉)摻量為10%，超細(xì)礦粉取代率分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%。固化劑摻量為固化劑質(zhì)量與土粒質(zhì)量的比值。超細(xì)礦粉取代率為超細(xì)礦粉質(zhì)量與固化劑質(zhì)量的比值。超細(xì)礦粉水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：ρ(n)—超細(xì)礦粉取代率n的水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率，%；

Rc(n)—超細(xì)礦粉取代率n的水泥土強(qiáng)度，MPa；

(2)超細(xì)礦粉水泥土配合比設(shè)計(jì)

基于超細(xì)礦粉水泥土的力學(xué)強(qiáng)度，選用Ca(OH)2激發(fā)超細(xì)礦粉活性，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)超細(xì)礦粉水泥土。正交試驗(yàn)方案見表4。

表4 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

(1)試樣制備及養(yǎng)護(hù)方法

土樣風(fēng)干碾碎，過(guò)5mm圓孔篩，測(cè)定其風(fēng)干含水率；根據(jù)摻超細(xì)礦粉水泥土室內(nèi)最佳含水率，采用靜壓法成型壓實(shí)度96%的試樣。試樣制備完成后，用塑料薄膜包裹，放入20℃±2℃、濕度95%以上的養(yǎng)生室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。水泥和超細(xì)礦粉采用外摻法。試樣尺寸為Φ100×h100mm。

(2)強(qiáng)度特性試驗(yàn)方法

按《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2009)中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定超細(xì)礦粉水泥土的力學(xué)強(qiáng)度。試驗(yàn)儀器選用壓力試驗(yàn)機(jī)MYL-2000D，加載速率為1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超細(xì)礦粉水泥土強(qiáng)度特性

水泥土和超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值見圖1、圖2。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值采用3倍均方差確定。

圖1 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1、圖2可知：

(1)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加呈線性增長(zhǎng)，超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)礦粉取代率增加而逐漸降低，且水泥摻量較超細(xì)礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度提高效果顯著。養(yǎng)生齡期一致條件下，水泥摻量增加2%，水泥土抗壓強(qiáng)度提高17.2%以上；固化劑摻量一致條件下，超細(xì)礦粉取代率增加至20%，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度平均降低6.4%；超細(xì)礦粉取代率在20%～40%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度降低顯著，超細(xì)礦粉取代率增加10%，抗壓強(qiáng)度平均降低10.3%；超細(xì)礦粉取代率由60%增加至80%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)水泥摻量一致條件下，隨超細(xì)礦粉取代率增加，超細(xì)礦粉水泥土強(qiáng)度較水泥土(10%水泥摻量)呈負(fù)增長(zhǎng)，如表5所示，在齡期7d時(shí)強(qiáng)度降低最顯著，強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨養(yǎng)生齡期增加逐漸增大。這是因?yàn)樗鄵搅拷档蛯?dǎo)致水化產(chǎn)物氫氧化鈣含量降低，氫氧化鈣與超細(xì)礦粉中礦物成分水化反應(yīng)速率減緩，生成硅酸鈣凝膠相對(duì)減少，因此超細(xì)礦粉取代率增加，其抗壓強(qiáng)度降低。

表5 超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

另外，水泥土與超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致，隨養(yǎng)生齡期延長(zhǎng)，前28d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率顯著大于后期，齡期28d后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。水泥土28d抗壓強(qiáng)度約是其180d抗壓強(qiáng)度的73.2%，超細(xì)礦粉水泥土28d抗壓強(qiáng)度約是其180d抗壓強(qiáng)度的71.3%。對(duì)此，筆者選用超細(xì)礦粉水泥土28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2.2 超細(xì)礦粉水泥土配合比設(shè)計(jì)

超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)結(jié)果見圖3，正交試驗(yàn)極差見表6。

圖3 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 超細(xì)礦粉水泥土正交試驗(yàn)極差

由圖3和表6可知，水泥摻量對(duì)超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響效果最顯著，氫氧化鈣摻量次之，其中水泥摻量8%、超細(xì)礦粉摻量8%、氫氧化鈣摻量1.8%的改良土抗壓強(qiáng)度最大，為7.55MPa。水泥摻量、超細(xì)礦粉摻量、氫氧化鈣摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響見圖4。

圖4 固化劑對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨水泥摻量或氫氧化鈣摻量增加，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)水泥摻量≤6%，水泥摻量增加對(duì)提高超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度效果顯著，水泥摻量增加1%，其抗壓強(qiáng)度約提高了20.8%；水泥摻量由6%增加至8%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高微小；氫氧化鈣摻量由0%增加至0.6%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高顯著，提高了28.8%；氫氧化鈣摻量≥0.6%時(shí)，超細(xì)礦粉水泥土抗壓強(qiáng)度提高緩慢。對(duì)此，建議水泥摻量和氫氧化鈣摻量分別為6%、0.6%。

而隨超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)礦粉摻量增加先降低后增加，在超細(xì)礦粉摻量4%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最低，為4.48MPa；當(dāng)超細(xì)礦粉摻量≥4%，超細(xì)礦粉摻量增加1%，其抗壓強(qiáng)度提高8.1%以上，說(shuō)明超細(xì)礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度影響較大。因此，建議超細(xì)礦粉摻量為8%。

3 結(jié)論

基于室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，選用Ca(OH)2為激發(fā)劑，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)超細(xì)礦粉水泥土的配合比。得到以下結(jié)論：

(1)固化劑摻量一定條件下，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量線性正相關(guān)，隨超細(xì)礦粉取代率增加，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。水泥摻量增加2%，水泥土抗壓強(qiáng)度提高17.2%以上；超細(xì)礦粉取代率由20%增加至40%，抗壓強(qiáng)度降低顯著，為20.6%。

(2)水泥摻量對(duì)超細(xì)礦粉水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響效果最顯著，氫氧化鈣摻量次之。水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量或氫氧化鈣摻量增加逐漸提高，當(dāng)水泥摻量≥6%或氫氧化鈣摻量≥0.6%，抗壓強(qiáng)度提高幅度較小；當(dāng)超細(xì)礦粉摻量≥4%，超細(xì)礦粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度影響較大，超細(xì)礦粉摻量增加1%，其抗壓強(qiáng)度提高8.1%以上。