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掺矿粉的水泥土力学性能试验研究

范文

陈洁瑶王飞陈秀敏陈甦陈辉

摘要：水泥土是基坑止水帷幕的基本材料，因此必须具有一定的强度和抗渗性能，而矿粉的掺入能够改善水泥土的性能，因此，研究矿粉掺量和龄期对水泥土性能的影响对止水帷幕施工有较大的参考价值。本文选取苏州具有代表性的粉砂夹粉土，按7种不同配合比加入水泥和矿粉，对水泥矿粉土进行室内抗压强度和渗透试验，采用不同拟合函数对水泥矿粉土实测强度值进行数学拟合。研究表明：在一定固化剂总掺入比（30%）和水灰比（1.5）条件下，水泥矿粉土强度随龄期增加而增加、随矿粉掺入比增加而先增加后减小，矿粉掺入比为15%时水泥矿粉土强度值最大，水泥矿粉土强度大于水泥土强度;水泥矿粉土渗透系数小于水泥土渗透系数，矿粉掺入比为15%时渗透系数较小;采用多项式拟合水泥矿粉土实测值，拟合精度较高。综上，可以在止水帷幕施工中掺入适量的矿粉增强墙体的性能。

关键词：水泥矿粉土;矿粉掺入比;抗压强度;渗透系数;预测公式

中图分类号：TU411.3 ? ?文献标识码：A ? 文章编号：1006-8023（2019）05-0113-06

Abstract：Cement-soil is the basic material of foundation pit water-proof curtain， so it must have certain strength and impermeability， and the addition of mineral powder can improve the performance of cement-soil. Therefore， the study of the influence of mineral powder content and age on the performance of cement-soil has great reference value for the construction of water-proof curtain. In this paper， representative samples of silty sand with silt in Suzhou are selected， and then cement and slag powder are added according to 7 different proportions. The indoor compressive strength and permeability tests of the slag powder soil-cement are carried out. The measured strength values are fitted mathematically with different fitting functions. The results are as following： under the condition of a fixed amount of stabilizer （30%） and water cement ratio （1.5）， the strength of slag powder soil-cement increases with age; the strength increases first and then decreases with the increase of the ratio of slag powder， and reaches the maximum when the ratio of slag powder is 15%; the strength of slag powder soil-cement is greater than that of soil-cement without slag powder， while the permeability coefficient is smaller; when the ratio of slag powder is 15%， the permeability coefficient is rather small; the polynomial fitting method is used to fit the measured value of slag powder soil-cement， and the fitting accuracy is satisfactory. In conclusion， the performance of the wall can be enhanced by adding appropriate amount of mineral powder in the construction of water-proof curtain.

Keywords：Slag powder soil-cement; mixing ratio of slag powder; compressive strength; permeability coefficient; prediction formula

0 引言

水泥攪拌桩、TRD工法墙[1-4]（Trench cutting Re-mixing Deep wall）、CSM[5-6] （Cutter Soil Mixing）工法墙等常用于地基加固或基坑止水帷幕，为满足其承载或止水要求，作为复合地基中的竖向桩体或基坑四周的止水墙体，应具有一定的强度或抗渗性能。水泥搅拌桩、TRD工法墙和CSM工法墙等，是通过一定的施工机具和工艺将土与水泥搅拌而形成的，桩体或墙体水泥土强度或抗渗性能受土体与水泥性质、水泥掺入比、养护龄期与方式、外掺剂种类与掺入比以及施工工艺与方法等诸多因素的影响。

陈甦等[7-8]、胡汉兵等[9]分别针对水泥有机质土、水泥淤泥质土、水泥粘性土和粉细砂，研究了水泥土强度与水泥掺入比、龄期，变形模量与强度以及渗透系数与水泥掺入比、龄期等的关系。黄宏伟等[10]、刘顺妮等[11]、荀勇[12]、董邑宁等[13]、王文军[14]、饶彩琴等[15]、燕仲彧[16]、庞文台[17]以及马晓宇[18]分别研究了掺入矿粉、石膏、ZDYT -1（固化剂）、纳米矿粉、JM-HF灌浆剂、粉煤灰及复合粉煤灰、复合矿粉等各种外掺剂后的水泥土强度、渗透性及耐久性。虽然很多学者对水泥土力学性能进行了较为深入的探讨研究，并取得了很多的研究成果，但由于影响水泥土力学性能的因素众多，因此针对不同性质的土体，进一步开展水泥土力学性能研究仍然十分必要。本文选取苏州粉砂夹粉土，以水泥和矿粉作为固化剂，按不同配合比制备水泥土试样，通过室内试验，较为系统地研究了水泥矿粉加固土强度、渗透等力学性质。

1 试验用原材料

试验所用土料为苏州轨道交通3号线某车站施工现场④ 2层粉砂夹粉土（该土层的编号和土层性质由本工程地铁车站工程勘察报告中所得），该土的物理力学性质见表1。

试验所用水泥为天山牌42.5普通硅酸盐水泥。

试验选用苏钢集团生产的矿粉，其化学成分见表2。

2 水泥矿粉土配合比设计

在混合固化剂总掺入比为30%、水灰比为1.5的前提下，改变水泥、矿粉的掺入比，设计7个不同配合比，见表3（为叙述方便，在后文中以表3中的序号表示相应的各配合比）。

3 试验方法、结果及其分析

3.1 试验方法

首先称取过5 mm筛孔的试验用量风干土，然后分别按表3配合比加入固化剂，手工拌匀后再加入所需水量（考虑风干土含水率并满足土的天然含水率和水灰比要求）制备成水泥矿粉土。

将制备好的水泥矿粉土装入边长70.7 mm的立方体试模中捣实成型（成型高度为70.7 mm），试件在标准养护条件下（温度为20±2 ℃、相对湿度大于95%）进行养护。每个配合比按7、14、28、60、90 d 5个龄期制作试件，共计35组152块试件（除1组8块、1组9块和3组5块外，其余各组均为4块）。达到龄期的试件在YAW-300微机控制电液伺服压力机上，以0.125kN/s的速度进行无侧限抗压强度试验，试验过程中同时测量试件的压力和竖向变形。

将制备好的水泥矿粉土装入内径61.8、高40 mm的环刀中捣实成型，试件在标准养护条件下进行养护。每个配合比按龄期28 d制作2个试件，共计14块。对达到龄期的试件进行室内变水头渗透试验。

3.2 试验结果

不同配合比的水泥矿粉土强度与龄期关系如图1所示，不同龄期的水泥矿粉土强度与矿粉掺入比关系如图2所示。不同配合比、龄期的水泥矿粉土强度实测值见表4，相同配合比、不同龄期的水泥矿粉土强度比值（qui/quj，i、j表示不同龄期、单位为d）见表5，相同龄期、不同配合比的水泥矿粉土强度比值见表6。28 d龄期和各配合比的水泥矿粉土渗透系数实测结果见表7。

3.3 试验结果分析

由图1-图2和表4-表7可知：

（1）不同配合比试块强度随养护龄期增加而增长。水泥土（配合比1）试块28、90 d与7 d以及90 d与28 d的试块强度比值分别为qu28/qu7=2.41、qu90/qu7=2.73和qu90/qu28=1.14;水泥矿粉土各配合比（配合比2～7）试块28、90 d与7 d以及90 d与28 d的试块强度比值分别为 qu28/qu7=1.99～2.28（平均为2.12）、qu90/qu7=2.15～2.44（平均为2.29）和qu90/qu28=1.06～1.14（平均为1.08）。

水泥土强度主要源于水泥的水化反应和土粒与水泥水化物的作用，加入矿粉后，增加了火山灰效应，水泥土强度进一步得到提高。上述这些反应或作用，都随着时间的推移而逐步发生，因此水泥土、水泥矿粉土强度也随养护龄期增加逐步增长。

（2）养护龄期为7、14、28、60、90 d时，配合比2～7的试块强度与配合比1试块强度的比值分别为1.33～1.66（平均为1.49）、1.12～1.42（平均为1.27）、1.15～1.45（平均为1.31）、1.12～1.41（平均为1.27）、1.08～1.38（平均为1.25）。

由于矿粉颗粒粒径较小，掺入水泥土后颗粒细小的矿粉可以填充水泥土孔隙，使得形成的水泥矿粉土变得更加致密;同时矿粉中含有的活性物质SiO2和Al2O3会与水泥水化产物Ca（OH）2发生火山灰反应而生成具有粘结力的C-S-H凝胶[14，18]。因此，水泥土中掺入矿粉后，形成的水泥矿粉土试块强度要高于水泥土试块强度。

（3）当矿粉掺入比由6%增至15%时，水泥矿粉土强度随矿粉掺入比的增加而增加;而当矿粉掺入比由15%增至21%时，水泥矿粉土强度则随矿粉掺入比增加而减小。矿粉掺入比为15%，水泥矿粉土强度最高。

当矿粉掺入比较小时，水泥矿粉土的强度增长主要由于矿粉充填水泥土孔隙而使土体变得密实所致，此时强度增长相对较小;随着矿粉掺入比不斷增大，矿粉火山灰效应得到充分发挥，在矿粉充填和火山灰反应的共同作用下，强度增长较大;当矿粉掺入比超过一定值后（本次试验为15%），未参与火山灰反应的矿粉细粒会占据一部分水泥和土粒的空间，使得水泥和土粒形成的团粒结构减少，同时水泥的掺入比相应减少，因此水泥矿粉强度反而有所降低[18-19]。

（4）水泥矿粉土早期强度增速高于水泥土增速早期强度，但其后期强度增速则低于水泥土强度增速。

（5）水泥土中掺入矿粉后，由于矿粉的充填作用而使得水泥矿粉土变得更加密实，因此其渗透系数减小，渗透性明显降低。当矿粉掺入比为15%时，渗透系数降低的较多。

4 水泥矿粉土实测强度拟合分析

4.1 拟合公式

4.2 水泥矿粉土实测强度拟合精度

多项式、偏态概率密度函数与双曲线函数乘积的复合函数强度拟合值与实测值如图3-图4所示。

由图3-图4可知：多项式拟合值与实测值相对误差最大和最小值分别为11.80%和-11.11%，拟合值与实测值相对误差绝对值的平均值为|3.64|%;复合函数拟合值与实测值相对误差最大和最小值分别为14.89%和-9.06%，拟合值与实测值相对误差绝对值的平均值为|5.88|%;多项式、复合函数拟合度分别为0.98和0.95;采用多项式、复合函数拟合其拟合精度均较高，相对而言多项式的拟合精度更高。

5 结论

（1）水泥矿粉土强度高于水泥土强度，且随矿粉掺入比增加而先增加后减小，当矿粉掺入比为15%时，其强度值最大。

（2）相对于水泥土，水泥矿粉土早期强度增速较快而后期强度增速较慢。在实际工程，考虑到施工工期和基坑止水帷幕强度的工程实际要求等因素，对止水帷幕的水泥矿粉土强度宜取28 d龄期试块的无侧限抗压强度。

（3）水泥矿粉土渗透系数小于水泥土渗透系数。相对于本次试验的其它矿粉掺入比，当矿粉掺入比为15%时，水泥矿粉土渗透系数较小。

（4）采用多项式、复合函数的拟合精度均较高，但多项式拟合精度高于复合函数拟合精度。

（5）水泥矿粉土的强度高于水泥土强度、渗透系数小于水泥土渗透系数，而且矿粉是一种工业废料，其价格低于水泥价格，因此建议在水泥搅拌桩或止水帷幕墙体中可掺入适量矿粉。

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