超细矿粉水泥土配合比设计及耐久性试验研究

罗振京

(湖南省湘钧建设有限公司， 湖南 长沙 410004)

水泥土是由水泥、土和水按一定比例拌合，经压实、养生后具有一定强度的硬化材料，因其取材方便、施工简便、经济实惠等优点，在软土地基加固、路基填筑、基坑围护等工程中得到广泛应用。但水泥土强度影响因素较多，致使水泥土在工程应用中存在不足，如水泥土抗压强度随着水泥掺量的增加逐渐提高，但强度增长速率降低、抗拉性能降低。选用合适的外掺剂改善水泥土的力学性能，既可避免水泥掺量过高，又能提高水泥土的耐久性。吴燕开等的研究表明，将适量钢渣粉掺入水泥土中，可有效提高其强度。夏永杰等的研究表明，水泥土中掺入10%掺量的钢渣，抗剪性能最优，且钢渣水泥土脆性程度随养生龄期增加逐渐提高。尹钰婷的研究表明，脱硫石膏和粉煤灰改良水泥土的力学性能和耐久性优于普通水泥土。许士钊采用水泥-碱渣改良软土，结果表明，水泥掺量为10.5%、碱渣掺量为4.5%时，土体压缩性显著降低。柯开展的研究表明，随着镍铁渣粉掺量的增加，水泥土早期微观结构致密性逐渐提高。上述研究表明，水泥土中掺入矿物掺合料可提高其性能，而不同土样对水泥土力学强度的影响不一样。另外，超细矿粉含有较多矿物活性成分，在砼材料中应用广泛，而掺超细矿粉水泥土设计及应用研究较少。为此，该文采用正交试验设计超细矿粉水泥土配合比，通过室内冻融循环试验和抗腐蚀试验评价超细矿粉水泥土的耐久性，为实际工程应用提供参考。

1 原材料与试验方案

1.1 试验材料

土样选用黏土，其物理性质见表1。水泥选用盾石牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，其技术性质见表2。超细矿粉的比表面积为520 m2/kg，化学组成见表3。激发剂选用Ca(OH)2，Ca(OH)2含量≥95%。

表1 黏土的物理性质

表2 水泥的技术性质

表3 超细矿粉的化学组成

1.2 试验方案

(1) 超细矿粉水泥土配合比设计。采用正交试验设计超细矿粉水泥土配合比，试验方案见表4。

表4 超细矿粉水泥土正交试验方案

(2) 超细矿粉水泥土耐久性分析。按超细矿粉水泥土最佳配合比制备试件，对照普通水泥土，采用室内冻融循环试验和抗腐蚀性试验评价超细矿粉水泥土的耐久性。冻融循环试验中，水泥掺量为6%、8%、10%，养生龄期为28 d，冻融循环次数为0、1、3、5、7、9、12、15次。抗腐蚀性试验中，选用Na2SO4溶液，Na2SO4浓度为1.5、3.0、4.5、6、9 g/L，养生龄期为7、14、28、60 d。

1.3 试件制备及养生

超细矿粉水泥土由黏土、水泥、超细矿粉、Ca(OH)2和水组成。土样风干碾碎，过5 mm圆孔筛，测定其风干含水率；根据掺超细矿粉水泥土室内最佳含水率，采用静压法成型压实度96%的试样。试样制备完成后，用塑料薄膜包裹，放入(20±2) ℃、湿度95%以上的标准养生室进行养护。水泥和超细矿粉采用外掺法。试样尺寸为直径100 mm×高度100 mm。

1.4 性能测试方法

(1) 无侧限抗压强度试验。按JTG E40—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中无侧限抗压强度试验方法测定超细矿粉水泥土的力学强度，试验仪器选用压力试验机MYL-2000D，加载速率为1 mm/min。

(2) 冻融循环试验。试件养生28 d后，测定试件质量m0并放入冷冻箱中，在-15 ℃条件下冻结12 h；冻结完成后放入20 ℃恒温箱中融化12 h，测定试件质量mn和无侧限抗压强度，此为一次冻融循环过程。试件冻结与融化过程中，不拆除其表面塑料薄膜，以减少试件水分散失引起的误差。冻融循环试验结束后，按式(1)、式(2)分别计算试件的冻融残留强度比和质量损失率。

ηn=Rcn/Rc0×100

(1)

(2)

式中：η为冻融残留强度比(%)；Rcn为冻融循环n次时试件无侧限抗压强度(MPa)；Rc0为冻融循环前试件无侧限抗压强度(MPa)；η′为质量损失率(%)；m0为冻融循环前试件质量(g)；mn为冻融循环n次时试件质量(g)。

(3) 抗腐蚀性试验。试件标准养生1 d后，分别放入Na2SO4溶液和清水中养生到养生龄期，测定其无侧限抗压强度，按式(3)计算抗腐蚀系数。

K=Rc1/Rc0

(3)

式中：K为抗腐蚀系数；Rc1为Na2SO4溶液中养生n天时试件无侧限抗压强度(MPa)；Rc0为清水中养生n天时试件无侧限抗压强度(MPa)。

2 试验结果与分析

2.1 配合比设计

超细矿粉水泥土正交试验结果见图1，正交试验极差见表5。

由图1和表5可知：水泥掺量对超细矿粉水泥土无侧限抗压强度的影响最显著，Ca(OH)2掺量次之，水泥掺量8%、超细矿粉掺量8%、Ca(OH)2掺量1.8%的改良土的抗压强度最大，为7.55 MPa。水泥掺量、超细矿粉掺量、Ca(OH)2掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响见图2。

表5 超细矿粉水泥土正交试验极差与方差

图1 超细矿粉水泥土正交试验结果

从图2可看出：1) 随水泥掺量或Ca(OH)2掺量增加，水泥土无侧限抗压强度逐渐提高。水泥掺量≤6%时，水泥掺量增加对提高超细矿粉水泥土抗压强度效果显著，水泥掺量增加1%，抗压强度提高约20.8%；水泥掺量由6%增加至8%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高微小；Ca(OH)2掺量由0增加至0.6%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高显著，提高28.8%；Ca(OH)2掺量≥0.6%时，超细矿粉水泥土抗压强度提高缓慢。建议水泥掺量和Ca(OH)2掺量分别取6%、0.6%。2) 超细矿粉水泥土的无侧限抗压强度随超细矿粉掺量的增加先降低后增加，超细矿粉掺量为4%时，抗压强度最低，为4.48 MPa；超细矿粉掺量≥4%时，超细矿粉掺量增加1%，抗压强度提高8.1%以上。超细矿粉掺量对水泥土抗压强度的影响较大，建议超细矿粉掺量取8%。

图2 固化剂对水泥土无侧限抗压强度的影响

2.2 耐久性分析

2.2.1 抗冻性

分别按水泥掺量6%、8%、10%制备普通水泥土试件，按水泥掺量6%、超细矿粉掺量8%、Ca(OH)2掺量0.6%制备超细矿粉水泥土试件进行冻融循环试验，结果见图3。

由图3可知：冻融循环条件下，普通水泥土与超细矿粉水泥土的质量损失率和冻融残留强度比变化规律一致，超细矿粉水泥土的抗冻性能优于普通水泥土。1) 冻融循环次数一致时，随水泥掺量增加，水泥土的质量损失率减小、冻融残留强度比增大，抗冻性能提高；水泥土的质量损失率与水泥剂量大致呈线性负相关，水泥掺量增加1%，水泥土的质量损失率降低16.3%以上，冻融残留强度比增长率逐渐增大。随冻融循环次数增加，水泥土的冻融残留强度比呈线性趋势增大(见图4)；水泥掺量增加1%，水泥土冻融循环1次的残留强度比提高约1.2%，冻融循环15次的残留强度比提高约14.1%，说明水泥掺量增加，水泥土的抗冻性能提高较显著。2) 冻融循环次数一致时，与10%水泥掺量水泥土的抗冻性能相比，超细矿粉水泥土的质量损失率降低约36.0%、冻融残留强度比提高约2.7%。这是因为超细矿粉中SiO2、Al2O3等活性成分与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，生成硅酸钙等凝胶物质填充土粒间孔隙，提高了土体密实度，改善了水泥土结构，使超细矿粉水泥土的抗冻性能优于普通水泥土。3) 随冻融循环次数增加，水泥土与超细矿粉水泥土的质量损失率呈线性增长，冻融残留强度比不断降低。这是因为冻结过程中，试件表面发生冻结，体积膨胀且不断向其内部深入，当冻胀应力大于结构强度时，胶凝材料与土粒界面结合处产生微裂缝；在融化阶段，水在压力作用下沿微裂缝流入试件内部较大孔隙，导致在冻结作用下冻胀应力增大，进一步破坏试件结构，使试件质量损失增加、承载能力降低。

图3 超细矿粉水泥土冻融循环试验结果

图4 冻融循环次数-水泥土残留强度比增长率关系

2.2.2 抗腐蚀性

按水泥掺量10%制备普通水泥土试件，按水泥掺量6%、超细矿粉掺量8%、Ca(OH)2掺量0.6%制备超细矿粉水泥土试件，在Na2SO4溶液环境下进行抗腐蚀试验，结果见图5、图6。

图5 普通水泥土抗腐蚀试验结果

图6 超细矿粉水泥土抗腐蚀试验结果

从图5～6可以看出：1) 同龄期的超细矿粉水泥土的抗腐蚀性优于普通水泥土，其无侧限抗压强度提高11.5%以上；随Na2SO4溶液浓度升高，不同养生龄期水泥土和超细矿粉水泥土的无侧限抗压强度、抗腐蚀系数变化规律一致，抗压强度和抗腐蚀系数先增加后减少。Na2SO4溶液浓度为1.5 g/L时，抗压强度和抗腐蚀系数最大，水泥土和超细矿粉水泥土的结构更稳定。Na2SO4溶液浓度从4.5 g/L升高至9.0 g/L时，水泥土和超细矿粉水泥土的抗压强度呈线性缓慢降低，且两者降低速率相近，Na2SO4溶液浓度增加1.5 g/L，抗压强度降低约3.9 g/L；Na2SO4溶液浓度≤3 g/L时，水泥土和超细矿粉水泥土的抗腐蚀系数>1，即抗压强度提高，一定浓度的Na2SO4溶液可促进水泥土和超细矿粉水泥土抗压强度的提高。2) 随养生时间增加，不同Na2SO4溶液浓度时，水泥土与超细矿粉水泥土的抗压强度增长规律一致(见图7)。前28 d抗压强度增长显著，随后抗压强度缓慢增长。养生龄期由28 d增加至60 d时，水泥土与超细矿粉水泥土的抗压强度分别平均提高14.7%、15.3%。这是因为随养生时间增加，水泥熟料逐渐被消耗，在养生龄期28 d时，水泥水化反应基本完成，抗压强度增长减缓。另外，Na2SO4溶液浓度为9.0 g/L时，水泥土与超细矿粉水泥土的抗压强度最小，较清水条件下抗压强度至少降低9.9%。可能是由于大量SO42-与水泥水化产物反应产生膨胀力，使土粒间黏聚力减弱，导致试件出现微裂缝，因而抗压强度降低。

图7 不同Na2SO4溶液浓度时水泥土与超细矿粉水泥土抗压强度增长规律

3 结论

(1) 水泥掺量对超细矿粉水泥土无侧限抗压强度的影响最显著，Ca(OH)2掺量次之。水泥掺量≥6%或Ca(OH)2掺量≥0.6%时，抗压强度提高幅度较小；超细矿粉掺量≥4%，超细矿粉掺量对水泥土抗压强度的影响较大。建议超细矿粉水泥土配合比为水泥掺量6%、超细矿粉掺量8%、Ca(OH)2掺量0.6%。

(2) 超细矿粉水泥土的抗冻性能优于普通水泥土。水泥土的质量损失率与水泥掺量呈线性负相关，水泥掺量增加1%，水泥土的质量损失率降低16.3%以上；冻融循环次数一致时，超细矿粉水泥土的质量损失率较10%水泥掺量改良土降低约36.0%，冻融残留强度比提高约2.7%。

(3) 超细矿粉水泥土的抗腐蚀性优于普通水泥土。Na2SO4溶液浓度为1.5 g/L时，超细矿粉水泥土的抗压强度和抗腐蚀系数最大，其抗压强度较水泥土提高约12.8%；Na2SO4溶液下超细矿粉水泥土前28 d抗压强度增长显著，龄期由28 d增加至60 d时，抗压强度平均提高15.3%。