新型水泥土外加劑的試驗研究

[摘　要]　通過室內的土工試驗，研究了不同摻量的PA－１型外加劑對水泥土不同齡期強度的影響。工程應用表明，在水泥攪拌樁中添加一定比例的PA－１型外加劑，可以提高水泥深攪樁的樁身強度。
[關鍵詞]　水泥土　PA－１型外加劑　強度

　　江蘇省在高速公路的軟基處理中常用粉噴樁加固橋頭軟基，粉噴樁是在軟土地基中輸入粉粒體加固材料，通過和原位地基土強制性攪拌混合，使地基土和加固材料發(fā)生化學反應，在穩(wěn)定地基土的同時提高其強度。大量的工程應用表明，粉噴樁樁身強度低，而且強度分布不均，加固深度較淺，軟基沉降穩(wěn)定時間較長，直接影響了軟基的加固效果。
　　江蘇已開始嘗試在公路的軟基處理中采用水泥深攪樁，水泥深攪樁是通過攪拌機將水泥漿與地基土就地強制拌和均勻，形成水泥加固土穩(wěn)定地基。為了充分利用水泥深攪樁的潛能，江蘇省交通科學研究院研制了一種性能較佳、價格低廉、施工方便的PA－１型水泥土外加劑，該水泥土外加劑能有效地改善水泥深攪樁樁身強度的均勻性，在一定的水泥摻入比aw下顯著提高水泥深攪樁的樁身強度，或在一定樁身強度的要求下，使水泥摻入比aw有所降低，從而節(jié)省水泥用量，降低工程造價，具有較高的經濟效益。
　　江蘇省在高速公路的軟基處理中常用粉噴樁加固橋頭軟基，粉噴樁是在軟土地基中輸入粉粒體加固材料，通過和原位地基土強制性攪拌混合，使地基土和加固材料發(fā)生化學反應，在穩(wěn)定地基土的同時提高其強度。大量的工程應用表明，粉噴樁樁身強度低，而且強度分布不均，加固深度較淺，軟基沉降穩(wěn)定時間較長，直接影響了軟基的加固效果。
　　江蘇省在高速公路的軟基處理中常用粉噴樁加固橋頭軟基，粉噴樁是在軟土地基中輸入粉粒體加固材料，通過和原位地基土強制性攪拌混合，使地基土和加固材料發(fā)生化學反應，在穩(wěn)定地基土的同時提高其強度。大量的工程應用表明，粉噴樁樁身強度低，而且強度分布不均，加固深度較淺，軟基沉降穩(wěn)定時間較長，直接影響了軟基的加固效果。
　　江蘇已開始嘗試在公路的軟基處理中采用水泥深攪樁，水泥深攪樁是通過攪拌機將水泥漿與地基土就地強制拌和均勻，形成水泥加固土穩(wěn)定地基。為了充分利用水泥深攪樁的潛能，江蘇省交通科學研究院研制了一種性能較佳、價格低廉、施工方便的PA－１型水泥土外加劑，該水泥土外加劑能有效地改善水泥深攪樁樁身強度的均勻性，在一定的水泥摻入比aw下顯著提高水泥深攪樁的樁身強度，或在一定樁身強度的要求下，使水泥摻入比aw有所降低，從而節(jié)省水泥用量，降低工程造價，具有較高的經濟效益。

１　水泥土外加劑配方試驗研究

試點工程位于南京市某軟土地區(qū)，地層從上至下分別為：
　　①素植土
　　黃或灰色，松散，表層0.40-0.60m為石子、碎磚、石塊和砼；其下為粉質粘土，含5%～8%的石子和碎磚，土質不均。層厚0.90～1.50m。
　　②粘土
　　灰黃色，飽和，軟塑，局部可塑，中～高壓縮性，層厚0～1.50m。
　　③－1粉土夾淤泥質粉質粘土
　　灰色，飽和，稍密，高壓縮性，土質不均。層厚0.20～4.20m。
　　③－2淤泥質粉質粘土
　　灰色，飽和，流塑，高壓縮性，局部夾有粉土或粉砂薄層，土質不均。層厚18.70～25.50m。
　　③－3淤泥質粉質粘土夾粉土
　　灰色，飽和，流塑，局部軟塑，高壓縮性，土質不均。最大控制厚度21.00m。
　　③－4淤泥質粉質粘土灰色，飽和，流塑，高壓縮性。最大控制厚度7.50m。
1.1　試驗方案的制定
　　由于所取土樣取自不同深度和土層，為了避免土樣的不均勻性對試驗結果的影響，故將所取土樣全部烘干、粉碎、過篩并拌和均勻?？紤]到場地土層原狀土樣的實際情況，試驗時按含水量Ｗ＝40%進行配制。
　　為了研究外加劑PA－1摻量對水泥土強度的影響作用，外加劑PA－1摻入比（PA－1摻量／水泥摻量）ap分別為2%、4%、5%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、26%、28%、30%、32%共15組試樣。取水泥摻入比aw＝12%，水灰比C＝0.5。作為對比，還做了水泥摻入比aw＝12%，水灰比C＝0.5；水泥摻入比aw＝15%，水灰比C＝0.5的兩組單摻水泥試樣?？紤]到7d、30d和90d3個齡期，每組試樣又分為3個小組，每個小組做3個平行試樣。所做試樣共計153個。
1.2　試樣的制備
　　(1)試劑：①水泥：425＃普通硅酸鹽水泥；②添加劑：PA－1型外加劑。
　　(2)試樣的制備過程：采用40mm×40mm×40mm規(guī)格的試模。按配方配料比例配制水泥漿液，然后加入對應量的水和烘干土樣人工揉和均勻。試樣采用振密成型。靜置24小時后脫模編號，為了保證溫度和濕度，試樣放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。
1.3　密度試驗
　　為了保證每組試樣的均勻性和可比性，試樣脫模后測定其質量，進而求出其密度。密度試驗結果見表2。
　　從試驗結果來看，單個試樣的測值與平均值之差最大不超過平均值的1.8%，絕大多數低于1.0%，說明所制備平行試樣的均勻性比較好，具有可比性。
1.4　無側限抗壓強度試驗
　　(1)設備：采用壓力試驗機，其荷載量程分為0.5t、1t、2t、5t和10t5個檔次，可根據需要進行調節(jié)。量程的選用按照使試樣預計破壞荷載不小于全量程的20%，也不大于全量程的80%的標準。
　　(2)測定養(yǎng)護齡期分別為7d、30d和90d試樣的無側限抗壓強度。
　　(3)試樣的承壓面與成型時的頂面垂直。使承壓面與壓板接觸均衡，避免使試樣發(fā)生應力集中。試驗時應絕對禁止使試樣受沖擊荷載。
1.5　強度試驗結果的計算與整理
　　(1)水泥土無側限抗壓強度qu按下式計算 　　
　　式中：qu——試驗齡期下的水泥土無側限抗壓強度（MPa）；
　　P——破壞荷載（MN）；
　　A——試樣承壓面積（m²）。
　　(2)取3個平行試樣測值的算術平均值作為該小組試樣的無側限抗壓強度值。當單個試樣的測值與平均值之差超過平均值的±15%時，該試樣的測值應剔除，按余下試樣的測值計算平均值。如一組試樣不足兩個，則該組試驗結果無效，須重做。
　　(3)試驗結果
　　無側限抗壓強度試驗結果見表3。
　　qup——摻PA－1型外加劑水泥土試樣的無側限抗壓強度；
　　qun——不摻外加劑、單摻水泥的水泥土試樣的無側限抗壓強度。
　　從下表可以看出，不同齡期的水泥土無側限抗壓強度值之間的關系可表達如下：
　　qu.7＝（0.36～0.37）qu.90（2.2－2）
　　 注：強度比系指在aw和T相同的條件下，摻PA－1型外加劑的水泥土試樣與不摻外加劑、單摻水泥的水泥土試樣的無側限抗壓強度之比。
　　 qu.30＝（0.65～0.67）qu.90（2.2－3）
　　以上兩式中：qu.7——T＝7d的無側限抗壓強度值；
　　qu.30——T＝30d的無側限抗壓強度值；
　　qu.90——T＝90d的無側限抗壓強度值。
　　在相同的齡期下，aw＝15%水泥土試樣的無側限抗壓強度約是aw＝12%水泥土試樣的1.5～1.6倍。單摻水泥試樣的無側限抗壓強度qu與齡期T的關系曲線見圖1。
　　水泥摻入比aw＝12%的水泥土試樣的無側限抗壓強度qu與齡期T的關系曲線見圖1、圖2。不同齡期的水泥土無側限抗壓強度值之間的關系見表4。
　　從圖1、圖2和表3、表4可以看出，當PA－1摻入比ap＝2～8%時，摻PA－1型外加劑對水泥土的90天標準強度無甚影響，而對其早期和中期強度的提高有明顯的作用，強度提高的程度隨著PA－1摻量的增加而增大；當ap＝8～14%時，PA－1的摻入有效地提高了水泥土的早期、中期和后期強度，而其早強、中強作用尤為顯著，強度提高的程度也是隨著PA－1摻量的增加而增大。
　　從圖3、圖4和表3、表4可以看出，當ap＝14～28%時，PA－1型外加劑的摻入顯著地提高了水泥土的早期、中期和后期強度，其對提高水泥土強度的促進作用無論是在早期、中期還是后期都比較顯著，強度提高的程度隨著PA－1型外加劑摻量的增加而增大；當ap＝28～32%時，PA－1型外加劑的摻入比較顯著的提高了水泥土的早期、中期和后期強度，但強度提高的程度并不是隨著PA－1型外加劑摻量的增加而增大，而是有波動。

2　工程應用

　　該工程的原設計情況為：深層攪拌樁設計樁長13m，水泥摻入比為14%，樁徑為雙頭700mm，水泥土無側限抗壓設計強度為1.2MPa。在水泥土摻加了PA－1型外加劑后，根據不同固化配比的室內試驗結果，水泥摻入比調整為12%，進行了以下配比的無側限抗壓強度試驗，結果見表5。
　　由于室內試驗條件與現(xiàn)場施工條件存在差異，故現(xiàn)場強度值并不等于室內試驗值，應根據具體情況乘一折減系數。南京市質檢中心對該工程的深攪樁樁身質量進行了檢測，取芯樁為13m，樁身測試結果見表6。
從表6檢測結果分析，0～8m的芯樣較完整，強度也較高，30天齡期的水泥土無側限抗壓強度可達1.2MPA。從三個取芯樁的樁身強度來看，樁身強度分布較為均勻。該工程改用PA－1型外加劑后，軟基處理費用　　經初步測算，節(jié)約成本約27%，經濟效益顯著。

3　結論

　　通過水泥土外加劑的研究，并將之應用于某軟基的加固工程，取得了良好效果。不僅提高了地基的承載能力，而且解決了8m以下水泥深攪拌樁成樁質量難以得到保證的難題，有效地增加地基處理深度從而減少軟基的最終沉降量。
　　PA－1型外加劑能有效提高水泥深攪拌樁的樁身強度，節(jié)約水泥用量，從而降低水泥深攪拌樁的造價，使得水泥深攪拌樁的潛能得到更充分的發(fā)揮，增強了水泥深攪拌樁在軟基處理領域的生命力和競爭力?！　?/SPAN>