新型水泥土外加剂的试验研究

[摘　要]　通过室内的土工试验，研究了不同掺量的PA－１型外加剂对水泥土不同龄期强度的影响。工程应用表明，在水泥搅拌桩中添加一定比例的PA－１型外加剂，可以提高水泥深搅桩的桩身强度。
[关键词]　水泥土　PA－１型外加剂　强度

　　江苏省在高速公路的软基处理中常用粉喷桩加固桥头软基，粉喷桩是在软土地基中输入粉粒体加固材料，通过和原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生化学反应，在稳定地基土的同时提高其强度。大量的工程应用表明，粉喷桩桩身强度低，而且强度分布不均，加固深度较浅，软基沉降稳定时间较长，直接影响了软基的加固效果。
　　江苏已开始尝试在公路的软基处理中采用水泥深搅桩，水泥深搅桩是通过搅拌机将水泥浆与地基土就地强制拌和均匀，形成水泥加固土稳定地基。为了充分利用水泥深搅桩的潜能，江苏省交通科学研究院研制了一种性能较佳、价格低廉、施工方便的PA－１型水泥土外加剂，该水泥土外加剂能有效地改善水泥深搅桩桩身强度的均匀性，在一定的水泥掺入比aw下显著提高水泥深搅桩的桩身强度，或在一定桩身强度的要求下，使水泥掺入比aw有所降低，从而节省水泥用量，降低工程造价，具有较高的经济效益。
　　江苏省在高速公路的软基处理中常用粉喷桩加固桥头软基，粉喷桩是在软土地基中输入粉粒体加固材料，通过和原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生化学反应，在稳定地基土的同时提高其强度。大量的工程应用表明，粉喷桩桩身强度低，而且强度分布不均，加固深度较浅，软基沉降稳定时间较长，直接影响了软基的加固效果。
　　江苏省在高速公路的软基处理中常用粉喷桩加固桥头软基，粉喷桩是在软土地基中输入粉粒体加固材料，通过和原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生化学反应，在稳定地基土的同时提高其强度。大量的工程应用表明，粉喷桩桩身强度低，而且强度分布不均，加固深度较浅，软基沉降稳定时间较长，直接影响了软基的加固效果。
　　江苏已开始尝试在公路的软基处理中采用水泥深搅桩，水泥深搅桩是通过搅拌机将水泥浆与地基土就地强制拌和均匀，形成水泥加固土稳定地基。为了充分利用水泥深搅桩的潜能，江苏省交通科学研究院研制了一种性能较佳、价格低廉、施工方便的PA－１型水泥土外加剂，该水泥土外加剂能有效地改善水泥深搅桩桩身强度的均匀性，在一定的水泥掺入比aw下显著提高水泥深搅桩的桩身强度，或在一定桩身强度的要求下，使水泥掺入比aw有所降低，从而节省水泥用量，降低工程造价，具有较高的经济效益。

１　水泥土外加剂配方试验研究

试点工程位于南京市某软土地区，地层从上至下分别为：
　　①素植土
　　黄或灰色，松散，表层0.40-0.60m为石子、碎砖、石块和砼；其下为粉质粘土，含5%～8%的石子和碎砖，土质不均。层厚0.90～1.50m。
　　②粘土
　　灰黄色，饱和，软塑，局部可塑，中～高压缩性，层厚0～1.50m。
　　③－1粉土夹淤泥质粉质粘土
　　灰色，饱和，稍密，高压缩性，土质不均。层厚0.20～4.20m。
　　③－2淤泥质粉质粘土
　　灰色，饱和，流塑，高压缩性，局部夹有粉土或粉砂薄层，土质不均。层厚18.70～25.50m。
　　③－3淤泥质粉质粘土夹粉土
　　灰色，饱和，流塑，局部软塑，高压缩性，土质不均。最大控制厚度21.00m。
　　③－4淤泥质粉质粘土灰色，饱和，流塑，高压缩性。最大控制厚度7.50m。
1.1　试验方案的制定
　　由于所取土样取自不同深度和土层，为了避免土样的不均匀性对试验结果的影响，故将所取土样全部烘干、粉碎、过筛并拌和均匀。考虑到场地土层原状土样的实际情况，试验时按含水量Ｗ＝40%进行配制。
　　为了研究外加剂PA－1掺量对水泥土强度的影响作用，外加剂PA－1掺入比（PA－1掺量／水泥掺量）ap分别为2%、4%、5%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%、24%、26%、28%、30%、32%共15组试样。取水泥掺入比aw＝12%，水灰比C＝0.5。作为对比，还做了水泥掺入比aw＝12%，水灰比C＝0.5；水泥掺入比aw＝15%，水灰比C＝0.5的两组单掺水泥试样。考虑到7d、30d和90d3个龄期，每组试样又分为3个小组，每个小组做3个平行试样。所做试样共计153个。
1.2　试样的制备
　　(1)试剂：①水泥：425＃普通硅酸盐水泥；②添加剂：PA－1型外加剂。
　　(2)试样的制备过程：采用40mm×40mm×40mm规格的试模。按配方配料比例配制水泥浆液，然后加入对应量的水和烘干土样人工揉和均匀。试样采用振密成型。静置24小时后脱模编号，为了保证温度和湿度，试样放入标准养护室进行养护。
1.3　密度试验
　　为了保证每组试样的均匀性和可比性，试样脱模后测定其质量，进而求出其密度。密度试验结果见表2。
　　从试验结果来看，单个试样的测值与平均值之差最大不超过平均值的1.8%，绝大多数低于1.0%，说明所制备平行试样的均匀性比较好，具有可比性。
1.4　无侧限抗压强度试验
　　(1)设备：采用压力试验机，其荷载量程分为0.5t、1t、2t、5t和10t5个档次，可根据需要进行调节。量程的选用按照使试样预计破坏荷载不小于全量程的20%，也不大于全量程的80%的标准。
　　(2)测定养护龄期分别为7d、30d和90d试样的无侧限抗压强度。
　　(3)试样的承压面与成型时的顶面垂直。使承压面与压板接触均衡，避免使试样发生应力集中。试验时应绝对禁止使试样受冲击荷载。
1.5　强度试验结果的计算与整理
　　(1)水泥土无侧限抗压强度qu按下式计算 　　
　　式中：qu——试验龄期下的水泥土无侧限抗压强度（MPa）；
　　P——破坏荷载（MN）；
　　A——试样承压面积（m²）。
　　(2)取3个平行试样测值的算术平均值作为该小组试样的无侧限抗压强度值。当单个试样的测值与平均值之差超过平均值的±15%时，该试样的测值应剔除，按余下试样的测值计算平均值。如一组试样不足两个，则该组试验结果无效，须重做。
　　(3)试验结果
　　无侧限抗压强度试验结果见表3。
　　qup——掺PA－1型外加剂水泥土试样的无侧限抗压强度；
　　qun——不掺外加剂、单掺水泥的水泥土试样的无侧限抗压强度。
　　从下表可以看出，不同龄期的水泥土无侧限抗压强度值之间的关系可表达如下：
　　qu.7＝（0.36～0.37）qu.90（2.2－2）
　　 注：强度比系指在aw和T相同的条件下，掺PA－1型外加剂的水泥土试样与不掺外加剂、单掺水泥的水泥土试样的无侧限抗压强度之比。
　　 qu.30＝（0.65～0.67）qu.90（2.2－3）
　　以上两式中：qu.7——T＝7d的无侧限抗压强度值；
　　qu.30——T＝30d的无侧限抗压强度值；
　　qu.90——T＝90d的无侧限抗压强度值。
　　在相同的龄期下，aw＝15%水泥土试样的无侧限抗压强度约是aw＝12%水泥土试样的1.5～1.6倍。单掺水泥试样的无侧限抗压强度qu与龄期T的关系曲线见图1。
　　水泥掺入比aw＝12%的水泥土试样的无侧限抗压强度qu与龄期T的关系曲线见图1、图2。不同龄期的水泥土无侧限抗压强度值之间的关系见表4。
　　从图1、图2和表3、表4可以看出，当PA－1掺入比ap＝2～8%时，掺PA－1型外加剂对水泥土的90天标准强度无甚影响，而对其早期和中期强度的提高有明显的作用，强度提高的程度随着PA－1掺量的增加而增大；当ap＝8～14%时，PA－1的掺入有效地提高了水泥土的早期、中期和后期强度，而其早强、中强作用尤为显著，强度提高的程度也是随着PA－1掺量的增加而增大。
　　从图3、图4和表3、表4可以看出，当ap＝14～28%时，PA－1型外加剂的掺入显著地提高了水泥土的早期、中期和后期强度，其对提高水泥土强度的促进作用无论是在早期、中期还是后期都比较显著，强度提高的程度随着PA－1型外加剂掺量的增加而增大；当ap＝28～32%时，PA－1型外加剂的掺入比较显著的提高了水泥土的早期、中期和后期强度，但强度提高的程度并不是随着PA－1型外加剂掺量的增加而增大，而是有波动。

2　工程应用

　　该工程的原设计情况为：深层搅拌桩设计桩长13m，水泥掺入比为14%，桩径为双头700mm，水泥土无侧限抗压设计强度为1.2MPa。在水泥土掺加了PA－1型外加剂后，根据不同固化配比的室内试验结果，水泥掺入比调整为12%，进行了以下配比的无侧限抗压强度试验，结果见表5。
　　由于室内试验条件与现场施工条件存在差异，故现场强度值并不等于室内试验值，应根据具体情况乘一折减系数。南京市质检中心对该工程的深搅桩桩身质量进行了检测，取芯桩为13m，桩身测试结果见表6。
从表6检测结果分析，0～8m的芯样较完整，强度也较高，30天龄期的水泥土无侧限抗压强度可达1.2MPA。从三个取芯桩的桩身强度来看，桩身强度分布较为均匀。该工程改用PA－1型外加剂后，软基处理费用　　经初步测算，节约成本约27%，经济效益显著。

3　结论

　　通过水泥土外加剂的研究，并将之应用于某软基的加固工程，取得了良好效果。不仅提高了地基的承载能力，而且解决了8m以下水泥深搅拌桩成桩质量难以得到保证的难题，有效地增加地基处理深度从而减少软基的最终沉降量。
　　PA－1型外加剂能有效提高水泥深搅拌桩的桩身强度，节约水泥用量，从而降低水泥深搅拌桩的造价，使得水泥深搅拌桩的潜能得到更充分的发挥，增强了水泥深搅拌桩在软基处理领域的生命力和竞争力。