水泥攪拌樁室內(nèi)試驗(yàn)研究

趙順利 邵景干 李文凱 黃運(yùn)軍 姬小祥

（1.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450046；2.綠色高性能材料應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，河南 鄭州 450046；3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

軟土地基在施工過程中較為常見，既具有高壓縮性和低抗剪強(qiáng)度，同時(shí)也具備一定的流變性，承載能力比較差。在軟土地基上修筑路基時(shí)，需要進(jìn)行一定的加固處理，否則路基可能發(fā)生沉降過快的現(xiàn)象，導(dǎo)致路基穩(wěn)定性達(dá)不到工程要求。

水泥攪拌樁是處理軟土地基的一種常用且有效的方法［1-3］，具體方法是將水泥漿與軟土進(jìn)行攪拌，使其充分融合，經(jīng)過一系列反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟土地基加固的目的。在符合地基的設(shè)計(jì)要求同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，天然土、水和水泥的混合比例需要嚴(yán)格控制?？紤]到各因素對(duì)結(jié)果的影響，通過分析各原材不同比例下水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來確定最佳比例，了解水泥攪拌樁各影響因素，實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)施工的目的。

1 水泥攪拌樁配比試驗(yàn)原理

水泥攪拌樁是將水泥和一定含水率的天然軟土進(jìn)行攪拌混合，水泥和天然土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使得原狀天然土結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膠結(jié)硬化成的水泥土固結(jié)體［4］，其反應(yīng)如下。

1.1 水泥的水解和水化反應(yīng)

水泥和原狀天然土及定量的水?dāng)嚢杌旌虾?，水泥里的礦物成分很快與水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成含水鋁酸鈣、氫氧化鈣、含水鐵酸鈣、含水硅酸鈣等化合物。這些水化產(chǎn)物不斷生成后，會(huì)使得溶液發(fā)生飽和，水化產(chǎn)物會(huì)以膠體形式析出水中。

1.2 土顆粒與水泥水化物的反應(yīng)

水泥經(jīng)過水解和水化反應(yīng)后，土的顆粒便可以和水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，土的表面鈉離子、鉀離子和水化產(chǎn)物表面的鈣離子進(jìn)行離子交換，通過離子交換過程使得較小的土顆粒變?yōu)檩^大的土團(tuán)，從而提高土體強(qiáng)度。

1.3 碳酸化作用

水泥的水化產(chǎn)物有氫氧化鈣，其接觸水和空氣中二氧化碳，會(huì)發(fā)生碳酸化反應(yīng)，生成碳酸鈣，即碳酸化作用［5-7］，從而進(jìn)一步增加水泥土強(qiáng)度。

2 原材料及試驗(yàn)方法

水泥攪拌樁試驗(yàn)各原材料主要包括土、水泥和水，試驗(yàn)原材料規(guī)格見表1。

表1 試驗(yàn)原材料規(guī)格

首先，根據(jù)土的天然密度和成型試件的體積來確定試驗(yàn)所需土的質(zhì)量；其次，通過攪拌樁的水泥摻入比來確定水泥質(zhì)量；最后，以攪拌樁配比土的設(shè)計(jì)含水率、水灰比來確定水的摻入量。按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 233—2011）［8］的規(guī)定，先將土和水泥拌和均勻，再灑水?dāng)嚢?，澆筑成邊長為70.7 mm 的正方體水泥土試件，水泥攪拌樁試件成型時(shí)，試驗(yàn)室的溫度控制在15~25 ℃，相對(duì)濕度控制在不低于50%。拆模后試件在（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)，相鄰試件間距離不小于10 mm，養(yǎng)護(hù)水面高出試件表面至少20 mm。養(yǎng)生到規(guī)定齡期后，取出試件用壓力試驗(yàn)機(jī)以0.03~0.15 kN/s 速率均勻?qū)υ嚰虞d，獲取試件強(qiáng)度。

按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 233—2011）的配比計(jì)算時(shí)，土的天然含水率由工地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，而本次試驗(yàn)研究天然含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此設(shè)定4 組天然初始含水率分別為30%、40%、50%、60%，水泥摻量為19%，水灰比為0.6，并取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗(yàn)結(jié)果。

為分析水泥摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本次試驗(yàn)設(shè)定土初始含水率為30%、水灰比為0.6的定值，設(shè)計(jì)3 種水泥摻量（16%、19%和22%）來制作無側(cè)限抗壓試件，對(duì)比3 種試件試驗(yàn)結(jié)果分析水泥摻量的影響。

為了研究不同水灰比對(duì)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)采用在30%初始含水率和19%的水泥摻量，并在保持不變前提下，變換水灰比，分別采用0.5、0.6、0.7、0.8 的水灰比，從試驗(yàn)結(jié)果來分析水灰比對(duì)最終無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。在相同初始含水率和水泥摻量的基礎(chǔ)上，取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗(yàn)結(jié)果，來確定不同齡期下試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化情況。

壓力試驗(yàn)機(jī)采用WDW-50 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，具體如圖1（a）所示，成型試件所用振動(dòng)臺(tái)和試模如圖1（b）所示。

圖1 水泥土試驗(yàn)儀器

3 土的初始含水率和最終強(qiáng)度相關(guān)性分析

設(shè)定水泥摻量為19%，水灰比為0.6，初始含水率分別為30%、40%、50%、60%，取得7 d、28 d、90 d三種齡期的試驗(yàn)結(jié)果見表2。含水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示。

圖2 含水率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表2 不同含水率無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（相同水灰比和水泥摻量） 單位：MPa

由表2和圖2可知，在相同的水泥摻量和水灰比下，隨著土的初始含水率的增長，水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，一般情況下，土的天然含水量只需滿足水泥的水化和水解等反應(yīng)即可，超過反應(yīng)所需的含水量，會(huì)影響水泥土的最終強(qiáng)度。

4 水灰比的影響

在同樣初始含水率和水泥摻量保持不變前提下，變換水灰比，分別采用0.5、0.6、0.7、0.8 的水灰比，其三個(gè)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表3。水灰比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系，如圖3所示。

圖3 水灰比與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表3 相同初始含水率和水泥摻量、不同水灰比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

由表3 和圖3 可知，在19%的水泥摻量和初始含水率30%條件下，隨著水灰比的增加，水泥土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。通常情況下，施工現(xiàn)場(chǎng)土都具備一定的天然含水率，而水泥攪拌樁中水泥摻量偏小，土的天然含水量可以滿足水泥的水化和水解等一系列反應(yīng)。因此，一定水灰比中的水量滿足施工現(xiàn)場(chǎng)水泥泵送需要即可，在一定范圍內(nèi)，水灰比越小對(duì)強(qiáng)度的提升越有利，但并不是越小越好，水灰比太小，水泥漿稠度高，不能和攪拌樁施工區(qū)的土充分?jǐn)嚢杌旌希斐伤酀{在攪拌樁處分布不均勻，將無法保證攪拌樁的完整性，從而直接影響到工程質(zhì)量。

5 水泥摻量的影響

在同樣水灰比和初始含水率前提下，變換水泥摻量，三種水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表4。水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系，如圖4所示。

圖4 水泥摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表4 0.6水灰比不同水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

由表4 和圖4 可知，在水灰比同樣是0.6、含水率30%的情況下，變換水泥摻量，在各個(gè)齡期下，隨著水泥摻量的增加，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有提升。這是因?yàn)殡S著水泥摻量的增加，水泥的水解和水化反應(yīng)、土顆粒與水泥水化物的反應(yīng)及碳酸化作用都在加強(qiáng)，因此水泥對(duì)土的加固效果就會(huì)越明顯，強(qiáng)度就越高。

6 齡期的影響

由表2、表3和表4可知，在初始含水率、水泥摻量和水灰比相同的條件下，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加會(huì)不斷提高，而且這個(gè)強(qiáng)度變化是一個(gè)緩慢長期的過程。作為固化劑的水泥在剛接觸水的時(shí)候便會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，水泥水解和水化等反應(yīng)速率會(huì)變得緩慢，主要化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物附著在水泥表面，覆蓋住暫時(shí)未反應(yīng)的水泥，減弱水泥的水化作用，從而導(dǎo)致水泥的一系列化學(xué)反應(yīng)從試驗(yàn)加水時(shí)刻算起直到90 d都在緩慢進(jìn)行，從而使試件強(qiáng)度隨著齡期的增加而提高。

7 其他因素影響

除了上述試驗(yàn)原材料配比對(duì)水泥攪拌樁結(jié)果影響較大之外，試驗(yàn)人員試驗(yàn)操作過程的規(guī)范程度也會(huì)產(chǎn)生一定影響。水、水泥及土拌和不均勻，也會(huì)造成試塊各部位成分不均一，造成試塊穩(wěn)定性差，強(qiáng)度受較大影響，因此在攪拌機(jī)中拌和時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范中的先后順序加料，攪拌時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制。試件成型時(shí)應(yīng)用搗棒插搗和振動(dòng)臺(tái)振實(shí)，未用振動(dòng)臺(tái)振實(shí)的試件會(huì)出現(xiàn)空隙，出現(xiàn)裂紋的概率也較大，會(huì)造成試件強(qiáng)度降低。養(yǎng)生條件也需要一定的控制，標(biāo)準(zhǔn)要求養(yǎng)生條件是拆模后試件應(yīng)在（20±1）℃水中養(yǎng)護(hù)，各個(gè)試件間距離不小于1 cm，水面應(yīng)高出試件高度2 cm 以上，養(yǎng)生條件差會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值偏小。最后，試塊加載速率過快或過慢也會(huì)影響最終試驗(yàn)結(jié)果，速率過快導(dǎo)致最終強(qiáng)度提高，因此應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范規(guī)定速率來進(jìn)行，即0.03~0.15 kN/s壓至試件破壞。

因此，試件成型中各原材料的拌和均勻程度、成型后的養(yǎng)生條件控制以及試件荷載加載過程中的速率調(diào)控都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

8 結(jié)論

水泥攪拌樁中水泥土強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果與原材料中水灰比、水泥摻量、試件齡期密切相關(guān)。

①天然土的初始含水率會(huì)對(duì)水泥攪拌樁的強(qiáng)度產(chǎn)生最直接的影響，強(qiáng)度隨著含水率的增加而減弱。

②在一定范圍內(nèi)，水灰比越小對(duì)強(qiáng)度的提升越有利，但并非越小越好，水灰比太小，水泥漿稠度高，不能和攪拌樁施工區(qū)的土充分?jǐn)嚢杌旌稀?/p>

③水泥摻量和齡期對(duì)最終無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果影響較大，隨著摻量和齡期的增加，強(qiáng)度也不斷提高。

④在試驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制原材拌和的均勻程度、試件的振實(shí)程度、養(yǎng)生條件和加載速率，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。室內(nèi)水泥攪拌樁配合比試驗(yàn)是施工前必須要做的指導(dǎo)性試驗(yàn)，應(yīng)以滿足設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則來調(diào)控配比，根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果來指導(dǎo)施工。