水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土力學特性試驗研究

谷雷雷，張 梅，鄧先軍，吉久發(fā)，于劍波，王盛年

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.南京工業(yè)大學交通運輸工程學院，江蘇南京 211816）

0 引言

水泥土是地基加固、基坑支護、防滲帷幕等工程中常用的巖土材料，具有施工技術(shù)成熟、效率高、成本低等特點（Zhang et al.2012；陳四利等， 2018；邱浩浩等， 2020）。然而，大量工程實踐表明，隨水泥用量提高，水泥水化放熱效應(yīng)將導(dǎo)致水泥土硬化過程溫縮體縮顯著，進而引發(fā)干縮開裂等缺陷（裴向軍等， 2000）。同時，水泥本身也是一種高成本高能耗產(chǎn)品，其工業(yè)生產(chǎn)還伴隨有海量溫室氣體排放，這是加劇全球氣候變暖危機的一個重要因素（馬忠誠和汪瀾， 2011）。因此，如何有效提升水泥土性能并減少水泥用量是資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和提高土方工程經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。

使用礦物摻合料可有效改善水泥土工程性能，如強度、耐久性等，并降低水泥消耗（鄭俊杰等，2000； 何學云等， 2013； 解邦龍等， 2021）。Edil et al.（2006）研究了水泥粉煤灰對軟土的穩(wěn)定效果，發(fā)現(xiàn)用一定量粉煤灰替代水泥可提高軟土承載力；Kolias et al.（2005）發(fā)現(xiàn)，粉煤灰中游離CaO與黏土成分可發(fā)生反應(yīng)形成硅酸鋁鈣等水合物；Kamei et al.（2013）研究了凍融和干濕條件下廢石膏和粉煤灰對水泥土耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)摻入廢石膏和粉煤灰能有效提高水泥土強度和耐久性；Wu et al.（2020）發(fā)現(xiàn)，海水侵蝕環(huán)境下?lián)饺脘撛墓袒翉姸入S侵蝕時間而增加，未添加鋼渣情形則相反；Choobbasti and Kutanaei（2017）研究了納米二氧化硅對水泥固化砂土微觀結(jié)構(gòu)和強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻入一定量的納米二氧化硅能夠提升固化土強度。上述提高水泥土工程性能的研究，究其原理主要是因為礦物摻合料中含有較高的CaO和硅鋁礦物，可為水泥水化提供充沛原料，形成更多凝膠，從而有效改善了土體的密實性與完整性（鄭俊杰等，2000； 何學云等， 2013）。

偏高嶺土是高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O，簡稱AS2H2）經(jīng)600～900℃高溫煅燒脫水形成的高活性無水硅酸鋁礦物摻合料，由于其內(nèi)無定型的硅鋁成分具有極高的火山灰活性，因此常被用作無機凝膠材料外添劑（周海龍等， 2020）。Kolovos et al.（2013）發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土可降低水泥固化黏土收縮率，改善微觀結(jié)構(gòu)；鄧永鋒等（2016）研究偏高嶺土部分替代水泥固化海相軟黏土發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土摻入可大幅提高泥土無側(cè)限抗壓強度；Wu et al.（2016）發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土可提高水泥土抗壓和抗劈裂強度，并導(dǎo)致更多水化產(chǎn)物和更密集微孔分布；Zhang et al.（2020）、馬冬冬等（2021）指出，水泥土強度隨偏高嶺土摻量增加先增后減，適量偏高嶺土能夠減小孔隙直徑；Wang et al.（2018）發(fā)現(xiàn)，摻入偏高嶺土能夠提升水泥土強度，加速水泥水化，細化孔隙結(jié)構(gòu)，并改善土顆粒和粘結(jié)劑間界面區(qū)；吳子龍等（2017）發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土對水泥土壓實特性、強度性能的提升明顯優(yōu)于鋼渣；Xing et al.（2018）指出，當偏高嶺土含量超過一定值時，水泥土強度不再增加，偏高嶺土摻量存在限值；談云志等（2020）研究了偏高嶺土對水泥復(fù)合石灰穩(wěn)定淤泥土長期強度的改善機制。上述研究顯然可為軟弱土穩(wěn)定研究與應(yīng)用提供有力支撐。然而，粉砂土物質(zhì)構(gòu)成主要為砂粉粒，粘粒含量較低，其受水泥偏高嶺土穩(wěn)定效果如何，偏高嶺土使用最大可節(jié)約水泥量如何，當前研究卻不是很充足，有待深入探究。

圍繞利用偏高嶺土提升水泥穩(wěn)定粉砂土工程性能、降低水泥消耗目標，通過開展一系列強度試驗，分析探討了水泥偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養(yǎng)護齡期對粉砂土抗壓強度提升的影響規(guī)律，并總結(jié)完善了相關(guān)上述因素的強度經(jīng)驗預(yù)測模型。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）粉砂土

試驗所用粉砂土收集于南京長江漫灘區(qū)某基坑工程。如圖1所示，該土體質(zhì)地呈灰褐色，砂粉粒占比居多，少數(shù)為粘?！，F(xiàn)場勘測顯示，該土埋深位于-17.93 m，重度19.4 kN/m3，天然含水量24.1%，初始孔隙比0.678，粘聚力4.3 kPa，內(nèi)摩擦角29.3°?？紤]到天然粉砂土中夾雜有少量粒徑大于2 mm的顆粒，對土樣烘干過2 mm篩以確保試樣均一性。

圖1 粉砂土級配曲線Fig.1 Grading curve of silty sand soil

（2）水泥

試驗所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，由江西省新余市分宜海螺水泥有限責任公司生產(chǎn)。

（3）偏高嶺土

試驗所用偏高嶺土為灰白色、平均粒徑10 μm的粉體，如圖2所示，其由河南省鉑潤鑄造材料有限公司生產(chǎn)，主要化學成分見表1所示，硅鋁礦物總含量超94%。

表1 偏高嶺土主要化學成分Table 1 Main chemical components of metakaolin

圖2 偏高嶺土Fig.2 Metakaolin powder

1.2 試驗方案

采用單一變量法探究水泥偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養(yǎng)護齡期對粉砂土強度提升的影響規(guī)律。文中同一方案試樣制備是一次完成的，其后續(xù)養(yǎng)護環(huán)境條件是一致的。

具體試驗內(nèi)容包括：

（1）水泥偏高嶺土摻比

Wang et al.（2018）對水泥煤系偏高嶺土穩(wěn)定砂土進行研究后建議水泥與煤系偏高嶺土摻比取4.0～6.5。因此，試驗將以水泥偏高嶺土摻比分別為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1進行。其中，凝膠總摻量設(shè)計按10%、15%、20%和25%考慮，水/水泥偏高嶺土比為0.6，養(yǎng)護齡期為7d。文中水/水泥偏高嶺土選擇0.6原因主要是基于兩方面考慮：一是水/水泥偏高嶺土（灰）是影響水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土強度的重要因素，通常水灰比越大，強度將越差，因此試驗設(shè)計時優(yōu)先考慮小水灰比設(shè)計（儲誠富等， 2005；賈堅， 2006）；二是文中試驗制樣采用振動密實法，但這又要求制樣水灰比不宜過小，因此，為保證試樣拌合及密實容易性，制樣時通過多次試摻水調(diào)配了試樣狀態(tài)，最終根據(jù)試樣適配情況確定了該比值。

（2）水/水泥偏高嶺土比

為探究水/水泥偏高嶺土比對水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土力學性能的影響，試驗水/水泥偏高嶺土比依次選擇0.4、0.6、0.8、1.0和1.2。其中，凝膠總摻量固定為15%，水泥偏高嶺土摻比固定為上述試驗所得最佳值，養(yǎng)護齡期為7d。

（3）凝膠總摻量

凝膠材料用量直接決定水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土力學性能提升，因此，試驗?zāi)z總摻量依次選擇10%、15%、20%和25%。其中，水泥偏高嶺土摻比固定為上述試驗所得最佳值，水/水泥偏高嶺土比取試驗所得建議值，養(yǎng)護齡期為7d。

（4）養(yǎng)護齡期

分別開展3 d、7 d和28 d齡期下的水泥偏高嶺土復(fù)合穩(wěn)定土力學強度測試，以探明水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土力學性能隨養(yǎng)護齡期的變化。其中，水泥與偏高嶺土摻比取試驗所得最佳值，水/水泥偏高嶺土比取試驗所得建議值，凝膠總摻量取15%。

1.3 試驗方法

試樣制備時，先稱量各方案粉砂土、水泥、偏高嶺土和水所需質(zhì)量，將砂土、水泥、偏高嶺土干混均勻，分多次拌入水，待拌合均勻后，分四次裝入直徑50 mm、高100 mm的圓柱形模具。標準養(yǎng)護下靜置24小時脫模，然后繼續(xù)養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

抗壓強度試驗采用微機控制電子萬能試驗機進行。該設(shè)備采用交流伺服驅(qū)動器和伺服電機，可實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變四種閉環(huán)試驗進程控制，系統(tǒng)設(shè)計最大軸向力為20 kN，加載速率范圍0.001～500 mm/min，調(diào)速精度為±1%，即0.001～10 mm/min，變形量測精度為±0.5%，力、位移控制范圍為0.2～100%FS（FS為滿量程）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥偏高嶺土摻比

圖3為水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨水泥偏高嶺土摻比變化的試驗結(jié)果曲線。水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度均隨水泥偏高嶺土摻比值減小呈先增后減發(fā)展。當僅當將水泥和偏高嶺土按質(zhì)量比5∶1混合用時，粉砂土可獲得最佳性能提升，也即最理想情況下可節(jié)約1/6水泥消耗，且該摻比關(guān)系不會因凝膠總摻量變化而改變。究其緣由可能是，當水泥與偏高嶺土摻比小于5∶1，也即偏高嶺土用量相對較多時，水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2僅夠與有限數(shù)量的高活性硅鋁礦物反應(yīng)生成CSH凝膠，致使偏高嶺土未能被充分利用，因而使得其抗壓強度隨水泥偏高嶺土摻比減小而降低（吳子龍等， 2017）；當水泥與偏高嶺土摻比大于5∶1時，此時水泥用量相對較高，水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2可充分與偏高嶺土所含數(shù)量有限高活性硅鋁礦物反應(yīng)生成CSH凝膠或使偏高嶺土中高活性硅鋁礦物發(fā)生共價聚合形成地聚物，偏高嶺土得到充分利用，因而使得水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨偏高嶺土相對用量增加而增加（顧海榮等，2022）。

圖3 不同水泥偏高嶺土摻比下的水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度變化曲線Fig.3 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different cement metakaolin ratios

2.2 水/水泥偏高嶺土比

圖4為水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比變化的試驗結(jié)果曲線。可知，水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比增加而非線性減少，水/水泥偏高嶺土比越大，降低幅度越大。究其原因可能是，一方面水/水泥偏高嶺土比越大，水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土硬化后內(nèi)部因過多自由水蒸發(fā)而殘留的孔隙會大幅增加，另一方面，偏高嶺土比表面積較小，過多水可能反而不利于其與Ca（OH）2反應(yīng)，因此，其抗壓強度隨水/水泥偏高嶺土比增加而減小?？紤]到粉砂土的拌合容易性以及為盡可能提升水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度，文中后續(xù)試驗采用水/水泥偏高嶺土比為0.6。

圖4 不同水/水泥偏高嶺土比水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度Fig.4 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different water / cement and metakaolin ratios

2.3 凝膠總摻量

圖5為水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨凝膠總摻量變化的試驗結(jié)果曲線?？芍?，當凝膠總摻量由10%提高至25%過程中，水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨凝膠總摻量增加而線性提高，且兩者之間存在良好的相關(guān)關(guān)系。該結(jié)論與Wang et al.（2022）研究水泥土的結(jié)論具有一致性。但需要說明的是，圖5與圖3相比水泥偏高嶺土總摻量相同而抗壓強度不同，其主要原因應(yīng)是試樣養(yǎng)護溫度不同導(dǎo)致（陳昌富等， 2023； Leklou and Das， 2023）。由于文中試驗方案設(shè)計中后邊的試驗需要基于前邊試驗的結(jié)果，因此，試驗工作具有先后性。實際試驗時，前部分試驗是在春夏交接時段完成，后續(xù)試驗實在夏季完成的。盡管試驗采用標準養(yǎng)護試驗箱進行養(yǎng)護，但標準養(yǎng)護試驗箱在溫度不足時會自動加熱，在溫度超過標準養(yǎng)護溫度后卻不能降溫，因此，相同試驗方案下，后期試驗中水泥偏高嶺土總摻量相同而抗壓強度不同。

圖5 不同凝膠摻量水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度Fig.5 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil with different total binder contents

2.4 養(yǎng)護齡期

圖6為水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨養(yǎng)護齡期變化的試驗結(jié)果曲線?？芍?，隨養(yǎng)護齡期發(fā)展，水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度不斷提高，但齡期28天抗壓強度約是7天和3天的2倍和5倍，齡期7天抗壓強度約是3天的3倍。這表明，隨齡期增加，水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度提升在逐漸放緩（Gill and Siddique， 2018）。其緣由可能是，水泥作為凝膠材料主成分，為復(fù)合穩(wěn)定粉砂土抗壓強度提升主控因素，一方面偏高嶺土可與水泥水化產(chǎn)物進一步反應(yīng)，形成了更多的凝膠產(chǎn)物，另一方面亦有效消耗了導(dǎo)致水泥干縮開裂的Ca（OH）2，因此，其抗壓強度提升規(guī)律與單一水泥穩(wěn)定情形類似。

圖6 不同養(yǎng)護齡期水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度Fig.6 Compressive strength of cement and metakaolin stabilized sility sand soil at different curing ages

3 經(jīng)驗預(yù)測模型

3.1 抗壓強度與水/水泥偏高嶺土比間關(guān)系

許多研究已指出，水泥土抗壓強度與水/水泥偏高嶺土比之間存在著某種定量關(guān)系。因此，依據(jù)水/水泥偏高嶺土比預(yù)測水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度可為工程設(shè)計和應(yīng)用提供經(jīng)驗參考。Horpibulsk et al.（2011） 提出了一種關(guān)于水/水泥偏高嶺土比的指數(shù)型水泥土抗壓強度預(yù)測公式

式中：qc為水泥土抗壓強度（kPa），w/c為水/水泥偏高嶺土比，a和b為試驗擬合量。

采用上述公式對試驗結(jié)果進行擬合（圖7）發(fā)現(xiàn)，其可很好地表征兩者間關(guān)系，因此，能用于水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度預(yù)測分析。

圖7 抗壓強度和水/水泥偏高嶺土比間關(guān)系Fig.7 Relationship of compressive strength and water /cement and metakaolin ratio

3.2 抗壓強度與凝膠總摻量間關(guān)系

圖8為水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度與凝膠總摻量間的線性擬合，所采用函數(shù)表達式為

圖8 抗壓強度和凝膠總摻量間關(guān)系Fig.8 Relationship of compressive strength and total binder content

式中：pcm為凝膠總摻量（%），λ達標表征凝膠摻量對強度的貢獻程度，與凝膠性能有關(guān)，qs為天然粉砂土的抗壓強度（kPa）。擬合結(jié)果顯示，該方程同樣可非常理想的表征兩者間的關(guān)系。

3.3 抗壓強度、凝膠總摻量、水/水泥偏高嶺土比間關(guān)系

水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度不僅受凝膠總摻量控制，亦受水/水泥偏高嶺土比影響顯著，因此，綜合抗壓強度、凝膠總摻量、水/水泥偏高嶺土比間的相關(guān)性，提出如下經(jīng)驗預(yù)測模型

式中：α、k、δ和η為試驗擬合量，與土性有關(guān)。

圖9所示為采用上述經(jīng)驗表達式對所得試驗結(jié)果的擬合。可知，該經(jīng)驗預(yù)測模型可很好地表征三者間關(guān)系，其趨近1.0的相關(guān)系數(shù)則證明了該預(yù)測模型的有效性。

圖9 抗壓強度與多因素間關(guān)系Fig.9 Relationship of compressive strength and multiple influence factors

3.4 抗壓強度與養(yǎng)護齡期間關(guān)系

依據(jù)圖6所述試驗結(jié)果，參照Gill and Siddique（2018） 總結(jié)的關(guān)于養(yǎng)護齡期的水泥穩(wěn)定土抗壓強度經(jīng)驗預(yù)測公式，提出如下經(jīng)驗預(yù)測模型

式中：m和n為試驗擬合量，T為水泥土養(yǎng)護齡期。

圖10所示為采用上述經(jīng)驗表達式對本文所得試驗結(jié)果的擬合?？芍捎迷摴娇珊芎玫乇硎鏊鄰?fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的發(fā)展，可作為工程施工強度判斷的經(jīng)驗參考。

圖10 抗壓強度與養(yǎng)護齡期間關(guān)系Fig.10 Relationship of compressive strength and curing age

4 結(jié)論

通過開展系列水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度試驗，探討水泥與偏高嶺土摻比、水/水泥偏高嶺土比、凝膠總摻量和養(yǎng)護齡期對粉砂土抗壓強度的提升規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

（1）水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度均隨水泥偏高嶺土摻比值減小呈先增后減發(fā)展，其峰值均在水泥與偏高嶺土摻比為5∶1時獲得，也即最理想情況下可節(jié)約1/6水泥消耗，且該摻比不受凝膠總摻量的改變而改變。

（2）水泥復(fù)合偏高嶺土穩(wěn)定粉砂土抗壓強度提升與水/水泥偏高嶺土比呈負相關(guān)變化，隨凝膠總摻量線性提高，隨養(yǎng)護齡期發(fā)展強度提升先快后慢。

（3）歸納提出了關(guān)于水/水泥偏高嶺土比、凝膠材料用量、養(yǎng)護齡期的四個經(jīng)驗公式，并利用試驗數(shù)據(jù)論證其有效性。研究成果可為水泥偏高嶺土復(fù)合穩(wěn)定工程軟弱土提供參考。

［附中文參考文獻］

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