精品水泥土的研究.docx
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精品水泥土的研究
第一章水泥土的发展现状概述
1。
1水泥土的特点
1.1.1水泥土的概念
肖林在《建筑材料水泥土》教程中将水泥土定义为无机素土中掺入少量硅酸盐水泥，掺水拌匀后，使其密实，并经过适当养护,水泥颗粒与土粒间产生理化反应，逐渐硬化后成为一种新的物质.
池永寿等人在《高压喷注水泥土桩基的设计与计算》教材中将水泥土定义为以水泥为主剂,用水泥浆或水泥粉，按用途选取适当的配合比，与土搅拌均匀混合，使水泥与土起物理化学作用，经机械压实和养护后形成整体的、坚硬的、水稳定性的建筑材料。
JGJ/T233—2011水泥土配合比设计规程中将水泥土定义为水泥和土以及其他组分按适当比例混合、拌制并经硬化而成的材料，其英文翻译为“cementsoil”。
美国混凝土学会ACISP-19将水泥土定义为土/骨料、硅酸盐水泥、包括火山灰在内的添加剂（需要时）和水的混合物，经拌合、振捣和养护而形成的具有特殊工程特性的坚硬材料。
1.1.2水泥土的特点
（1）原料广泛
一般地对于土料、水泥品种，标号和拌合水无过多限制。
（2）改善土性
加入水泥后，可以降低土的塑性、增大土的凝聚力和内摩擦角,使的承载力和固结特性得到改善。
（3）强度可调
可以通过增加外加剂或者调整成分配比，来满足工程要求。
（4）可塑性好
对于湿塑性的水泥土,可以根据建筑物的形状成型,可以整体浇注,也可现场预制.
（5）立即成型
水泥土材料由于土中含有一定数量极细的胶凝颗粒，在外加功能的作用下,能够在水泥凝固之前起固结骨料的作用，因而水泥土预制品成型后可立即脱模而不受影响.
（6）强度不高重量较大
其一般不宜用于薄、轻、巧等建筑物。
（7）遇水软化比较严重
主要受到土料结构不稳和亲水性强的影响，遇水后暂时强度降低。
（8）施工质量要求较高
水泥土中的土料不能被水泥完全固结，从这个角度上讲,其施工质量甚至比混凝土严格。
总之，水泥土是一种经济效益、社会效益和环境效益明显的建筑工程材料，己被广泛应用于水利工程的大坝地基加固、防渗堵漏、路面基层材料和渠道防渗衬砌及工业与民用建筑、高速公路、铁路、机场等的软基加固。
1。
2水泥土在国内的应用研究现状
我国从20世纪70年代初开始对水泥土进行试验和推广。
水泥土最初的应用研究开始于水利工程,七十年代中后期，国内水利科研等单位相继开展了水泥土的应用研究工作,比较深入地研究了材料的一些基本物理力学性能。
例如1974年长江流域规划办公室水利水电科学研究院在荆江大堤颜家台进行了水泥土护坡试验;内蒙古水利勘测设计院在红领巾水库灌区用水泥土进行了渠道防渗试验；广东省水利科学研究所在酸性土壤的农田里埋设水泥土管进行了排灌试验；北京市水利科技情报站翻译了美国硅酸盐水泥协会的“试验手册”
；1978年天津市水利科学研究所对水泥土在国内外水利工程上的应用作了综合报道。
这些材料对于我国水泥土的应用研究起了积极的推动作用。
1974年沈抚南线公路上第一次采用水泥稳定土作为高级沥青面层的基层，开拓了水泥土在公路工程应用的先例。
随后,广东省、黑龙江省、北京市等地区也尝试采用水泥稳定土作为沥青混凝土干线公路的基层和底基层。
近几十年来，水泥土在软土地基处理领域方面发展迅速，取得了一定的研究成果。
刘建军对上海地区水泥加固土的工程性质进行了试验研究,他认为上海地区的水泥土与天然土相比,其内聚力和内摩擦角都有所增加.孙立川等人研究了三种不同种类土（粉土、粉质粘土、淤泥质粘土）对水泥搅拌土工程性质的影响，比较后发现随着水泥掺量的增加,粉土的抗压强度最大，其次是粉质粘土，最低的是淤泥质粘土。
高国瑞等人研究水泥土的宏观和微观特性，分析了水泥固化软土的作用机理.黄新等人经过研究认为利用废石膏和水泥配合加固软土，与单纯用水泥加固相比，可显著提高加固效果.李治平等人经过室内试验研究，通过对试验结果的分析后建议：
在水泥土搅拌桩施工时水泥掺入量宜控制在15％～20％之间，若单纯考虑软土的含水量，则当含水量小于50％时，适合用水泥浆搅拌法加固，若含水量大于50%，则宜用水泥粉搅拌法施工。
曾庆军主要针对珠三角地区淤泥质粘土水泥土进行了现场试验与室内试验比较后发现,28天龄期时，现场水泥土无侧限抗压强度为室内水泥土无侧限抗压强度的一半.周敏峰针对水泥土桩复合地基的工作机理和破坏形式进行了深入系统地研究,建立了水泥土的力学模型及模拟分析方法,给出了水泥土桩破坏时的桩土应力比，淤泥质土，粉质粘土。
王宝勋针对天津滨海新区海积软土,分析了其结构特征和影响强度的主要因素，提出了水泥土强度弱化因子的概念，发现了水泥土搅拌法存在水泥饱和效应。
1.3水泥土在国外的应用研究现状
国外对于水泥加固土的研究和应用，从20世纪初就开始了。
1915年美国佛罗里达（Florida）州一位大胆的铺路承包人，在修筑奥克街的一段，是他用在海湾挖出的贝壳采用犁将它和砂子、水泥混合在一起，经10t蒸汽压路机将表面压实而成。
无意识地创造了很可能是世界上首次应用水泥土的实例。
除美国外，印度、赞比亚、肯尼亚等国也大量使用水泥土作防渗材料或建筑材料.Yamamoto研究了试件尺寸与水泥土无侧限抗压强度的关系。
研究表明，在长径比恒定的情况下,试件的直径越小，强度越大。
随着长径比的增加，强度缓慢变小。
当压力为无侧限抗压强度的一半时，切线模量随着直径递增。
Gotoh研究了pH值、含水量、粘粒含量等对水泥土无侧限抗压强度的影响，并得到了水泥含量随着不同的pH值、含水量、粘粒含量等变化的修正公式，该公式为工程上获得较均匀的水泥混合土强度提供了计算依据.Shin等人在不同的养护条件下进行室内试验,根据不同的水灰比、不同含水量制作了500个水泥土试件，结果表明:
当试件的含水量达到80％以后，无侧限抗压强度的增长趋势并无明显规律.并在此基础上提出了一种现场标准试验的方法。
ShenbagaR.Kaniraj等建立了固化土强度与龄期、粉煤灰掺量和水泥掺量之间的函数关系。
Gerald和Shahriar的试验研究结果表明：
水泥土的pH值与原状土的塑性指数相关，且pH
值与水泥含量有紧密联系。
同时指出:
水泥土的无侧限抗压强度与原状土的塑性指数成反比，塑性指数越高这一结果越明显。
D。
T.Eriktius等采用水泥对淤泥质土进行固化,随着水泥掺量的增加，固化土的液塑限降低，无侧限抗压强度和剪切强度显著提高。
Shibata对不同养护条件下的水泥土进行研究发现：
在龄期小于90天时，水泥土强度持续增长，即使是在含盐较高的水中,其强度仍然持续增长，当龄期大于90天时其无侧限抗压强度达到某一值后，强度增长很慢。
Horpibulsuk和Miura通过试验得出：
可以用28天龄期的水泥土强度推求其它龄期的水泥土强度，同时得出以28天龄期下某一水灰比为基准来预测其他水灰比的水泥土强度的方法。
MostafaA.Ismail等通过三轴试验研究不同种类的水泥对固化土抗剪特性的影响。
Tremblay和Duchesne在两种不同的土中加入了10%的水泥和13种不同的有机物通过室内试验来分析其胶结作用。
结果表明：
碳氢化合物、石油等在水中不能解的物质会减缓水泥土中水泥水化作用，但对最终强度影响不大。
但是当土壤溶的pH值小于9时，会对胶结产物的生成有很大影响，产生的强度几乎为0.Kitazume通过试验研究养护条件对水泥土强度的影响,由不同的养护条件，将水泥土分别养护在淡水、海水和软土中，研究了不同养护条件下水泥土的强度变化情况.同时，他还测定了水泥土中钙含量的分布,找出了钙含量与强度分布之间的关系。
GlenA。
Lorenzo等采用固化后的孔隙比与水泥掺量之比来表征固化土的压缩变形特性。
S.Kolias等采用粉煤灰和水泥对细粒粘土进行固化，随着固化材料的增加，固化土的塑性降低，抗压强度提高，模量增加.G。
M。
Filz等为了考虑原土中的含水量对固化土强度的影响，引入总水灰比的概念预测固化土的强度。
Fook—HouLee等提出同时引入水灰比和土灰比来反映固化土的强度和模量的变化.Huat通过试验发现有机质含量高的土对水泥土的力学性质起消极的作用。
同时,水泥土的液限和最佳含水量随着水泥含量的增加而降低，而水泥土的最大干密度随着水泥含量的增加而增大。
KweishrLi研究了用水泥、粉煤灰和一种来自日本的化学物质加固土体。
第二章水泥土的基本物理性能试验
2。
1试样含水率试验
2。
1.1试验目的
土的含水率指土在105—1100C下烘于恒量时所失去的水的质量和干土质量的百分比值.土在天然状态下的含水率称为土的天然含水率.所以，试验的目的:
测定土的含水率。
2。
1.2试验方法适用范围
1、烘干法：
室内试验的标准方法，一般粘性土都可以采用。
2、酒精燃烧法：
适用于快速简易测定细粒土的含水率。
3、比重法：
适用于砂类土。
2.1.3仪器设备
①烘箱：
采用电热烘箱；②天平：
称量610g,分度值0.01g；③其他：
干燥器，称量盒。
2。
1.4操作步骤
1、取代表性试样，粘性土为15—30g，砂性土、有机质土为50g,放入质量为m0的称量盒内，立即盖上盒盖,称湿土加盒总质量m1，精确至0.01g。
2、打开盒盖，将试样和盒放入烘箱，在温度105-—1100C的恒温下烘干。
烘干时间与土的类别及取土数量有关。
粘性土不得少于8小时;砂类土不得少于6小时;对含有机质超过10％的土,应将温度控制在65-—700C的恒温下烘至恒量。
3、将烘干后的试样和盒取出，盖好盒盖放入干燥器内冷却至室温,称干土加盒质量m2为，精确至0。
01g.
4、计算含水率：
按下式计算：
（2—1）
式中
-含水率（%），精确至0.01％；
—称量盒加湿土质量（g）；
—称量盒加干土质量（g）；
—称量盒质量（g）。
含水率（%）
小于10
10—40
大于40
允许平行差值（%）
0。
5
1.0
2。
0
要求:
①计算准确至0。
1%；②本试验需进行2次平行测定,取其算术平均值,允许平行差值应符合下表规定,每组取两次土样测定含水量,取其算术平均值作为最后成果。
2.1。
4试验结果
表2-1试样含水率测定结果表
试样名称
盒号
盒质量
（g）
盒加湿土质量（g）
盒加干土质量（g）
湿土质量
（g）
干土质量
（g）
含水率
（％）
平均含水率（％）
土样
1＃
15.81
44.87
44。
55
29.06
28.74
1。
11
1.16
2＃
16.88
39.84
39。
57
22.96
22。
69
1。
19
3＃
12。
10
42.53
42.18
30.43
30.08
1.17
水泥
4＃
16.65
35。
83
35.77
19.18
19。
12
0。
31
0。
23
5＃
16.20
32。
76
32。
73
16.56
16。
53
0.18
6#
16。
30
37。
49
37.45
21。
19
21.15
0.19
脱硫石膏
7#
17。
15
39。
03
34。
96
21。
88
17.81
22。
85
22。
80
8#
16。
09
42.92
37。
94
26.83
21.85
22。
79
9#
16。
58
43.33
38。
37
26.75
21。
79
22。
76
50℃下烘干的脱硫石膏
7’＃
16.28
51.20
46.52
34。
92
30。
24
15.48
15。
32
8’#
17.13
53.80
48.97
36。
67
31。
84
15。
17
9’＃
16.58
51.00
46。
43
34.42
29.85
15。
31
粉煤灰
10#
15.86
34。
20
34。
12
18.34
18.26
0.44
0.41
11#
16。
90
37.70
37.61
20.8
20。
71
0.43
12#
16.51
38.10
38。
02
21.59
21。
51
0。
37
2.2土的比重试验
2。
2.1试验的仪器设备
（1）比重瓶:
容积100mL或50mL,分为长颈和短颈两种。
见图2—3所示。
（2）恒温水槽：
准确度应为±1℃.
（3）砂浴：
应能调节温度。
（4）天平：
称量200g，最小分度值为0.001g。
（5）温度计：
刻度为0~50℃,最小分度值为0.5℃
图2-1土样悬浮液（100mL比重瓶）图2—2砂浴试验箱
2。
2。
2试验步骤
（1）将比重瓶烘干。
称取干试样15g装入比重瓶，称试样和瓶的总质量,准确至0。
001g。
（2）向比重瓶内注入半瓶纯水，摇动比重瓶,并放在砂浴上煮沸,煮沸时间自悬液沸腾起砂土不应少于30min,粘土,粉土不得小于1h。
沸腾后应调节砂浴温度，比重瓶内悬液不得溢出。
对砂土宜用真空抽气法;对含有可溶盐、有机质和亲水性胶体的土必须用中性液体（煤油）代替纯水，采用真空抽气法排气,真空表读数宜接近当地一个大气负压值，抽气时间不得少于1h。
（3）将煮沸经冷却的纯水（或抽气后的中性液体）注入装有试样悬液的比重瓶。
当用长颈比重瓶时注纯水至刻度处;当用短颈比重瓶时应将纯水注满,塞紧瓶塞，多余的水分自瓶塞毛细管中溢出.将比重瓶置于恒温水槽内至温度稳定，且瓶内上部悬液澄清.取出比重瓶，擦干瓶外壁，称取比重瓶、水、试样总质量，准确至0。
001g；并应测定瓶内的水温，精确至0。
5℃.
（4）从温度与瓶、水总质量的关系曲线中查得各试验温度下的瓶水总质量。
2.2。
3土粒比重的计算
（2-2）
式中:
—-比重瓶、水总质量（g）；
--比重瓶、水、试验总质量（g）;
——T℃时纯水或中性液体的比重。
水的比重可查物理手册，中性液体的比重应实测,称量应准确至0.001g。
2。
2.4试验结果
表2-2土的相对比重试验
试样编号
温度（℃）
液体比重（g）
比重瓶质量（g）
瓶、干土总质量（g）
干土质量（风干土）
瓶、液体总质量（g）
瓶、液、土总质量（g）
与干土同体积的液体质量（g）
比重
1—1
28.5
0.9960940
52。
200
67.369
15.169
151。
904
161。
248
5.825
2.5940
1-2
28。
5
0。
9960940
52。
787
67.958
15.171
152。
511
161.860
5。
822
2.5956
1—3
28。
0
0.9962371
56。
898
72.048
15。
150
156.705
166.034
5.821
2。
5928
1-4
30.0
0。
9956511
52。
789
67.874
15.085
152.109
161.661
5.533
2。
7145
1—5
27。
0
0。
9965166
53。
140
68。
291
15.151
152。
806
162.075
5.882
2。
5668
取前三个试样的平均值为2。
594
2。
3土的颗粒分析试验
2.3。
1试验目的
颗粒大小分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数，借以明确颗粒大小分布情况，供土的分类与概略判断土的工程性质及选料之用。
2。
3.2试验的仪器设备
（1）分析筛：
细筛,孔径为2。
0,1。
0，0.5，0。
25,0.075mm.
（2）天平：
称量5000g，最小分度值为1g；称量1000g，最小分度值为0.1g；称量200g,最小分度值为0.01g。
（3）振筛机：
筛析过程中应能上下震动。
见图2—5所示.
（4）其他:
烘箱、研锤、瓷盘、毛刷等。
图2—3震筛机
2.3。
2试验步骤
（1）首先称取试样质量，应精确至0。
1g,试样数量超过500g时，应准确至1g。
（2）将试样过2mm筛，称筛上和筛下的试样的质量。
当筛下的试样质量小于试样总质量的10％时,不作细筛分析；筛上的试样质量小于试样总质量的10％时，不作粗筛分析.
（3）取筛上的试样倒入依次叠好的粗筛中，筛下的试样倒入依次叠好的细筛中，进行筛析。
细筛宜置于振筛机上震筛，震筛时间为10—15min。
再按由上而下的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量，应准确至0.1g.
（4）筛后各级筛上和筛底上试样的质量的综合与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1％。
（5）以小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比为纵坐标，颗粒粒径为横坐标，在单对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线,见图2-6所示。
图2—4颗粒分布曲线（样图）
2。
3。
3试验计算
（1）小于某粒径百分比计算
（2—3）
式中：
--小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分比（%）；
——小于某粒径的试样质量（g）；
-—细筛分析时所取的试样质量;粗筛分析时为试样的总质量（g）；
—-粒径小于2mm的试样质量占试样总质量的百分比（％）。
（2）不均匀系数的计算
（2-4）
式中:
——不均匀系数；
——限制粒径，颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的60％；
-—有效粒径,颗粒大小分布曲线上的某粒径,小于该粒径的土含量占总质量的10％。
（3）曲率系数的计算
（2—5）
式中：
——曲率系数;
——颗粒大小分布曲线上的某粒径，小于该粒径的土含量占总质量的30%。
2。
3。
4试验结果
表2—3土的颗粒级配分析
d/mm
1〈d≤2
0。
5〈d≤1
0。
25〈d≤0。
5
0.075〈d≤0.25
d≤0。
075
P1/％
17.18
23.87
11.37
20。
38
27。
20
P2/％
17。
04
24。
48
11.32
20.43
26.73
P3/%
18。
25
25。
23
11.10
19。
84
25.58
平均值/%
17。
49
24.53
11。
26
20。
22
26。
50
累计频率
100％
82.51%
57。
98%
46。
72%
26。
50%
有上述粒径分配,可以将其定义为细粒土质砂，又因为粉粒含量大于50％，故进一步定义为粉土质砂。
不均匀系数:
〈5颗粒分布范围小，级配不良。
曲率系数：
<1比较陡,说明土的级配不良.
2。
4土的界限含水率试验
2.4。
1试验目的
细粒土由于含水量不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。
液限是细粒土呈可塑状态的上限含水量;塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水量。
本试验的目的是测定细粒土的液限、塑限,计算塑性指数、给土分类定名，共设计、施工使用。
2。
4。
2试验的仪器设备
（1）液塑限联合测定仪:
包括带有标尺的圆锥仪、电磁铁、显示屏、控制开关和试样杯、圆锥质量为76g，锥角为30°；读数显示宜采用光电式、游标式和百分表式；试样内径为40mm，高度为30mm。
见图2—7所示.
（2）天平：
称量200g，最小分度值0。
01g。
图2—5液塑限联合测定仪
2。
4。
3试验步骤
（1）试验宜采用天然含水率试样，当土样不均匀时，采用风干试样,当试样含有粒径大于0。
5mm的土粒和杂物时，应过0.5mm筛。
（2）当采用天然含水率土样时，取代表性土样250g；采用风干试样时,取0.5mm筛下的代表性土样200g，将试样放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，放入调土皿，浸润过夜。
（3）将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中,填样时不应有空隙，对较干的试样应充分搓揉，密实地填入试样杯中，填满后刮平表面.见图2—8所示.
（4）将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥上抹一薄层凡士林，接通电源，使电磁铁吸住圆锥.
（5）调节零点，将屏幕上的标尺调到零位，调整升降座，使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮时圆锥在自重下沉入试样，经5s后测读圆锥下沉深度（显示在屏幕上），取出试样杯,挖去锥尖入土处的凡士林，取锥体附近的试样不少于10g，放入称量盒内,测定含水率。
（6）将全部试样再加水或吹干并调匀，重复3—5款的步骤分别测定第二点、第三点试样的圆锥下沉深度和相应的含水率,液塑限联合测定不少于三点。
2.4.4试验计算
（1）含水率的计算
（2-6）
式中
—含水率（%），精确至0。
1%；
-称量盒加湿土质量（g）；
-称量盒加干土质量（g）;
—称量盒质量（g）
（2）塑性指数的计算
（2—7）
式中
-塑性指数,精确至0.1;
—液限（％）；
-塑限（%）。
（3）液性指数的计算
（2-8）
式中：
—-液性指数，计算至0。
01。
2.4。
5试验结果
按照《土工试验方法标准》（GB/T50123—1999）方法标准进行试验，圆锥入土深度为3—4mm，7—9mm，15—17mm三种。
表2—4界限含水率测定的数据表
编号
项目
（1）
H1=4。
04mm
H2=7。
35mm
H3=15.4mm
盒号
1-1
1—2
2—1
2—1
3-1
3-2
盒+湿土重（克）
27.30
38.66
42.68
38.69
35。
86
36。
45
盒+干土重（克）
25。
70
36。
18
40.04
36.73
33.03
33。
53
盒重（克）
17.07
22。
73
27。
67
27。
49
22.21
22。
55
水重（克）
1.6
2.48
2.64
1。
96
2.83
2。
92
干土重（克）
8.63
13.45
12。
37
9。
24
10。
82
10.98
含水率（％）
18.54
18。
44
21。
34
21.21
26.155
26。
59
平均含水率（％）
18.490
21。
275
26。
373
据此可以绘制出含水率与圆锥入土深度的关系曲线,见图2—9所示,取17mm入土深度所对应的含水率为液限;取2mm入土深度所对应的含水率为塑限.
液限
；塑限
；塑性指数
图2—6圆锥下沉深度与含水率关系曲线
2。
5水泥土的击实试验
2。
5。
1试验目的
本试验的目的是用标准的击实方法,测定土的密度与含水率的关系,从而确定土的最大干密度与最优含水率。
2。
5。
2试验的仪器设备
（1）击实仪的击实筒（见图2—10）和击锤尺寸应符合表2—5规定.
表2-5击实仪主要部件规格表
试验方法
锤底直径
（mm）
锤质量
（kg）
落高
（mm）
击实筒
护筒高度
（mm）
内径（mm）
筒高（mm）
容积（cm3）
轻型
51
2。
5
305
102
116
947。
4
50
重型
51
4。
5
457
152
116
2103。
9
50
（2）击实仪的击锤应配导筒,击锤与导筒（图2—11）间应有足够的间隙使锤能自由下落；电动操作击锤必须有控制落距的跟踪装置和锤击点按一定角度（轻型53.5度，重型45度）均匀分布的装置（重型击实仪中心点每圈要加一击）.
（a）轻型击实筒（b）重型击实筒
图2—7击实筒（mm）
（a）2.5kg击锤（b）4.5kg击锤
图2-8击锤和导筒（mm）
（3）天平:
称量200g，最小分度值0.01g。
（4）台秤：
称量10kg，最小分度值5g。
（5）标准筛：
孔径为20mm、40mm
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