浅谈水泥土强度的影响因素

[摘要]针对水泥土在土体加固中的广泛应用，在综合各种文献的基础上，本文重点探讨了水泥土强度的若干影响因素。主要因素有土的天然含水率、土的物理性质、有机质含量、pH值、水泥掺入比、水灰比、水泥土含水率、龄期、养护条件，明确这些因素，有利于指导水泥土设计和施工从而达到预期目的。

[关键词] 水泥土强度因素

1引言

目前，国内外地基加固处理方法很多。水泥土主要作为道路路面基层、护坡修筑、衬砌注灌、地基加固、基础夯土和铺垫等工程材料，具有经济耐久、就地取材、施工简便、施工期短、可加固深度大、处理效果好等特点，近年来发展迅速，应用面越来越广，尤其是水泥土搅拌桩作为一种新的桩型，在软弱地基加固处理中被广泛采用。利用水泥作为固化剂加固软土地基，使其硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土的强度，其作用机理主要有三方面：一是水泥的水解和水化反应。即水泥颗粒表面的钙化物和水发生水解和水化反应，生成Ca(0H)zCaSiO4等迅速溶于水中，水溶液达到饱和后新生产物以细分散状态的胶体析出并悬浮于溶液中形成胶体；二是土颗粒与水泥水化物的作用。有的水化物继续硬化形成水泥石骨架，有的则与其周围活性粘土颗粒发生离子交换团粒化作用和硬凝反应，胶体的凝胶粒子比表面积约比水泥颗粒增大近1000倍，其强大的表面积能强烈吸附大团粒，结合形成水泥土的团粒结构，并能封闭土体土团的空隙形成坚固的联结，而Ca与粘土中的Si02、Alz()3继续发生化学反应生成不溶于水的稳定结晶化合物，拌入水泥7d后土颗粒周围充满水泥胶体，30d后水泥土中生成大量纤维状结晶，形成网状结构；三是碳酸化作用。水化物中游离的能吸收水和空气中的C02发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，从而增加水泥土强度。可见，水泥固化剂来固化提高土的强度，本质是系列的物理一水化反应过程，影响水泥土强度的因素有很多，如土的天然含水率、土的物理性质、土的有机质含量及pH值、土中某些有害离子(如S0；一)、水泥掺入比、水灰比、水泥土含水率、水泥土形状尺寸、养护条件及龄期等。本文将对以上诸因素进行系统深入研究，找出其主要的影响因素，并提出解决方法，对提高水泥土加固软土地基的质量和效果将有重大的指导意义。

2水泥土强度的影响因素研究

2．1土的天然含水率对水泥土强度的影响

当水泥土配方相同时，其强度随土样的天然含水率的降低而增大，试验结果表明：当土样含水率在50～85范围内变时，含水率每降低1O ，强度可降低3O ～5O 。

2．2土的物理性质对水泥土强度的影响

不同成因的土样，由于形成环境的不同，所形成的土体结构、矿物成分、颗粒级配、土体渗透性等方面的物理性质均不同，表现为水泥土加固体的无侧限抗压强度差别较大。细砂、粉砂为砂性土，它们属无粘性土，其结构为单粒结构，分散构造，矿物成分主要为物理风化后的原生矿物石英、长石等，颗粒大，渗透性好。一般来说，对于无粘性的细粒土，其水泥土性质类似于混凝土，粉粒类似于骨料，水泥浆类似于充填物，并且土体和水泥浆液容易搅拌均匀。从水泥土的固化机理可知，无粘性水泥土周围的水溶液容易达到饱和状态，使新生成物不能再溶解，以胶体状态或结晶形式析出，并继续硬化，形成水泥石骨架。这是水泥土强度的主要来源。另外，石英、长石中的化学成分si02，Alz 03和水泥水化物发生离子交换和团粒化作用、凝硬反应充分，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度提高，故而无粘性水泥土桩桩身具有较高强度。粉质粘土、粘土属粘性土，其矿物成分主要为化学风化后的次生矿物高岭石、蒙脱石和伊利石等，结构呈絮状、裂隙状构造，松散多孔，其压缩性较高，膨胀性较大，渗透性较低。从水泥土的固化机理可知，水泥和土拌合后的水化产物Ca(0H)2可以以Ca抖、0H 和CaO的形式存在，粘土对ca抖有表面吸附式阳离子的交换作用。通常情况下，水泥水化产物Ca(0H)z难以满足土样对CaO的吸收量，从而使水泥土的孔隙水可能处于Ca(0H)z溶液的不饱和状态。而水泥土的强度主要来自于水泥水化产物CSH的胶结作用。在水泥土孔隙水Ca(OH)z不饱和条件下，土质对ca ，0H一和CaO的吸收将降低CSH的生成量，致使水泥土强度降低。另外对于粘性土来说，由于粘土矿物参与水泥的水解、水化反应，故而水泥土强度与粘土矿物的成分有关．一般来说，高岭土类粘土矿物形成的水泥土强度较其他粘土矿物形成的水泥土强度偏高，蒙脱石次之，伊利石类粘土矿物形成的水泥土强度最低。再者，由于粘性土颗粒较细，粘土中粘粒含量高，粘性大，其土体和水泥浆液不容易搅拌均匀，故而也影响其加固效果。粉土是介于砂性土和粘性土之间的一类土，其结构为蜂窝状、层状构造，也属无粘性土。颗粒相对于粘性土较大，透水性较好，其加固后的水泥土桩桩身强度介于细砂、粉砂和粉质粘土、粘土之间。总之，水泥土整个强度增加的过程是一系列复杂的物理化学反应的综合，是一种土的固有结构与组成的物理改良、水泥硬化、凝硬反应的过程2]。

2．3有机质含量对水泥土强度的影响

有机质含量增大，水泥土的无侧限抗压强度减小，且其强度增长率也越小(即强度随龄期的增长速度越来越慢)3]。且当有机质含量>5 时，对水泥土强度的影响较大，利用水泥加固软土的效果不显著J。有机质的主要成分是腐殖酸，而腐殖酸的主要成分是富里酸和胡酶酸。胡酶酸分子对粘土颗粒的分散作用很大，抑制离子交换和团粒化作用，从而不利于水泥土强度的增长。富里酸与水泥矿物的吸附作用所形成的吸附层会延迟水泥水化的进程，富里酸的分解作用使已生成的水化铝酸钙，水化硫酸钙和水化铁铝酸钙晶体等水化产物解体，破坏了水泥加固土结构的形成，呈现出一种化学分化的特征；腐殖酸的含量增大，对金属的吸着力上升，从而使得水泥水化产物的减少，抑制硬凝反应，不利于水泥土的强度增长。另外，由于有机质颗粒很小，其结构特征相当程度上决定了其持水性和吸附性都很强，有机质颗粒吸附于水泥颗粒及粘土颗粒表面，阻碍和延缓了水泥水化产物的形成及水泥水化产物和粘土颗粒间的相互作用 。

2．4 pH值对水泥土强度的影响

研究表明，pH值为2～4，水泥土强度仅为自然养护条件下的5O左右，试件强度明显降低，说明强酸对水泥土的侵蚀性较大，工程中不可忽略；pH值为4～9，水泥土强度与自然养护条件试件强度相比变化不大；pH值为12，水泥土强度较自然养护条件试件强度提高了30以上，可见在强碱环境中，有利于水泥土强度的增长6]。因为当水泥土试件浸泡在酸性溶液里时，水泥和粘土矿物中的某些矿物成分(如CaO和Al O。)将与氢离子发生一系列的化学反应，生成物溶于

水，使水泥土试件软化，甚至脱落，水泥土强度因此降低。而当水泥土试件浸泡在碱性溶液里时，水泥和粘土矿物中的某些矿物成分(如CaO和si02等)将与碱液发生化学反应，加速水泥的水化，生成的沉淀物能充填水泥土原有的孔隙，增加水泥土的密实程度，从而提高水泥土的强度7]。

2．5 SO；一对水泥土强度的影响

因硫酸盐与水泥发生反应时，对水泥土具有结晶性侵蚀，会出现开裂、崩解而丧失强度，为此应选用抗硫酸盐水泥使水泥土中产生的结晶膨胀物质控制在一定的数量范围内，藉以提高水泥土的抗侵蚀性能 J。

2．6水泥掺入比对水泥土强度的影响

当其他条件相同，在同一土层中水泥掺入比不同时，水泥土的强度也不同，但当水泥掺入比大于1O 时，标准强度可达0．3~2MPa以上，且掺入比由1O 增加到12 时，水泥土强度可增加1O ～26 ；但当掺入比小于5 时，水泥与土的反应过弱、固化程度偏低，试件强度离散性较大，故实际工程中选用掺入比大于5 为宜，一般可使用7 ～15 [1]。同类别土，同天然含水率、同水泥浆水灰比的情况下，水泥的掺入比不同导致水泥土水化物生成量及固化作用不同，表现为水泥土强度随水泥掺量增大而先增大而后变为平缓的趋势。因此存在一个最大水泥掺量。在水泥掺量达到该掺量之前，水泥量增加，水泥水化产物增多、浓度增大，水泥土颗粒与水化产物与土颗粒反应及碳酸化作用加强，致使其内部结构更为密实，达到提高水泥土强度的效果。当水泥水化达到一种饱和，水泥量增大，水化反应因没有完全水化致使水化产物量增大不明显，不能很好的体现其提高水泥土强度的效果。因此，水泥的掺入比与水泥土的含水率关系密切相关，当水泥土中有足够水分满足水泥的水化作用，则相应可以不断充实水泥土的内部结构，达到不断提高水泥土强度的作用。

2．7水灰比对水泥土强度的影响

同天然含水率、同类别土、同水泥掺入比的情况下，水泥浆水灰比对水泥土强度的影响为：当天然含水率较低致使水泥土未达到最佳含水率的情况下，可能随着水泥浆水灰比的提高而提高，当天然含水率较大致使水泥土含水率超过最佳含水率的情况下，随着水泥浆水灰比的提高而降低l9]。

2．8水泥土含水率对水泥土强度的影响

在水泥土的物化反应过程中，溶解出的Ca(OH)z并形成其他水化物，在强碱介质和饱和Ca(0H)z环境中结晶硬化，形成较坚强的水泥石骨架。因此，当土中含水率增大时，水泥土液相中的Ca(OH)z浓度就会降低，相应含水硅酸盐的成分就会减少，从而降低了由其形成的晶体结构的强度，使水泥土强度降低；反之，当土中含水量较小时，一方面的结构增强、Ca(OH)z浓度增大，则含水硅酸盐所形成的晶体结构增加，水泥土强度提高。但是如果含水率过小，满足不了水泥土发生充分物化反应的需水量，则水泥土的反应就不能充分，从而也会影响水泥土的强度发育和提高。所以，土中含水率过大或过小对水泥土的强度发育增长均不利。当含水率降低到某一值以下或增大超过某一值时，水泥土强度不但不会增加，反而开始下降。这个值就是水泥土的最佳含水率lg]。

2．9龄期对水泥土强度的影响

同一水泥掺入比，同类别土、同似水灰比在相同的养护条件下养护，随着养护龄期的增长而提高，不同类别的水泥土的早期及晚期强度增长速度有所不同。文献(10)研究表明，28d抗压强度较7d增长了36 ～109 ，90d抗压强度较28d增长了36 ～67 ，增长幅度随含水率的增加而增大，随水泥用量的增加而增大。文献(2)研究表明标准强度为90d，一般情况下水泥土强度7d时可达标准强度的3O ～5O ，30d可达标准强度的6O ～75 ，90d为180d的8O oA，180d以后水泥强度增加仍未终止。文献(5)研究了各龄期与强度的关系并给出了参考关系式：qu(90d)一(1_2O～ 1．33)qu(28d) (1)q (120d)= 1．31qu(60d)一(1．57～ 1．74)q (28d) (2)文献(11)研究了水泥土的7d，28d和90d强度的关系，并给出了下列近似关系：qu(28d)-~ 1．49q．(7d) (3)qo(90d)≈ 1．97qu(7d) (3)__ q (90d)≈ 1．33q (28d) (3)

2．1O养护条件对水泥土强度的影响

水泥土的养护条件对水泥土强度的发展影响也较大。养护环境温度及湿度的提高可以保证水泥土中水泥水化及后期反应的充分进行，但其养护温度不宜过高。养护条件一般有以下三种方式：(a)标准养护：制样后，放入塑料袋中(20±2)℃恒温保湿养护；(b)湿养护：制样后，标准养护7天后浸人水中及(c)软土养护：将试件包裹在土样中养护。文献(10)表明，湿养护和软土养护强度相差不大，但软土养护空间要大，操作复杂。水泥土(只掺水泥)78d抗压强度：湿养护是标准养护的1.4倍。改良水泥土(掺水泥和改良剂)78d抗压强度：湿养护是标准养护的1.9倍。

3结语

影响水泥土强度的影响因素很多，上述研究表明，其主要的影响因素及其解决方法如下：

(1)土的天然含水率：因当水泥土配方相同时，其强度随土样的天然含水率的降低而增大，故处理时应充分考虑土的天然含水率对水泥土强度的影响。

(2)有机质：有机质含量增大，水泥土的无侧限抗压强度减小，且其强度增长率也越小，当有机质含量>5 时，对水泥土强度的影响较大，利用水泥加固软土的效果不显著。

(3)pH值及养护条件：水泥土在强碱环境中湿养护，有利于其强度的增长。

(4)水泥掺入比：在实际工程中宜选用掺入比大于5 ，一般可使用7 ～15 。

(5)水灰比及水泥土含水率：宜确保土的天然含水率适宜，从而使得水泥土含水率接近最佳含水率时，水泥土强度发育程度最佳。

(6)龄期：水泥土强度随着养护龄期的增长而提高，180d以后水泥强度增加仍未终止。

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5．3严格控制混凝土坍落度

每车混凝土出厂前需检查坍落度，合格后才能出厂。掺加优质I级粉煤灰的混凝土的坍落度损失很小，故只要混凝土出厂坍落度符合要求，现场坍落度一般也能符合要求。

5．4把好混凝土运输关

在混凝土装料前，应特别注意车内不能积水；在运输过程中，混凝土车滚筒应慢速转动，以免混凝土发生离析；到达施工现场后，应先快速转动滚筒，使混凝土搅拌均匀后再卸料人泵。

5．5施工浇筑养护

施工单位要按规范浇筑振捣，混凝土浇捣时不要漏振，以防产生蜂窝麻面或其它结构缺陷；但也不要过振，防止石子下沉，板面砂浆过多而出现表面塑性裂缝。混凝土在即将初凝时，应采取二次抹面等措施，这对于封闭混凝土表面毛细孔，防止内部水分继续往外大量蒸发而引起较大干缩和弥合混凝土初级裂纹，防止裂缝扩展是十分有效的。混凝土初凝后、终凝前应立即用塑料薄膜、麻袋或湿砂覆盖，并浇水养护，

尽量缩小构件中心与上表面的温差。另外采用圆盘磨机抹面，能有效控制裂缝出现。

6结语

混凝土配合比采取掺优质I级粉煤灰、高效减水剂以及优化配合比等措施，可提高混凝土的可泵性，提高抗渗性，减少水化热，减少裂缝产生的可能性，确保了工程质量和泵送施工的顺利进行。生产应用过程中，通过对原材料、计量、出厂坍落度、运输、泵送过程、现场质量检验的严格把关，所供应的C45P8膨胀混凝土能满足该工程的设计和施工要求。该工程地下室结构混凝土采用优化设计O2编号配合比的膨胀混凝土进行施工，经现场取样检测该混凝土28天抗压强度平均值达53．8MPa，抗渗等级满足要求。工程完工近一年半的时间，经过有关单位检查，该工程地下室结构均未出现裂缝，说明该优化配合比在施工中应用是成功的。

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