测水灰比的仪器叫什么(海相淤泥水泥土搅拌桩固化剂室内测试研究)

Posted 2023-05-31

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测水灰比的仪器叫什么(海相淤泥水泥土搅拌桩固化剂室内测试研究)

肖尊群 舒志鹏 彭威 耿星月 王先亚 罗科奇 石银磊 林健

武汉工程大学资源与安全工程学院 谦诚桩工科技股份有限公司 中南大学土木工程学院 武汉工程大学土木建筑与工程学院

摘 要：针对普通硅酸盐水泥在海相淤泥质软土中很难形成完整的搅拌桩的工程问题，基于水泥基材料，研制适用于海相淤泥质软土水泥土搅拌桩的混合固化剂。混合固化剂是一种由水泥、专用固化料、生石膏及其他外加剂组成的固化材料。取A、B两个工点的海相淤泥质软土样，选取A、B两组软土试样进行室内固化软土试块测试试验。结果表明：相同掺灰比条件下，混合固化剂固化软土试块的无侧限抗压强度要明显优于纯水泥固化剂。生石膏掺量对于提高软土固化试块无侧限抗压强度有重要的影响。对于A组软土样，生石膏掺量在改善固化土试块强度性质方面存在一个最优掺量，建议为混合固化料的4%。对于B组土样，固化土试块无侧限抗压强度随着生石膏掺量呈增加的趋势。电镜扫描显示：相同龄期的混合固化剂软土试块比纯水泥固化剂试块能够形成更多的C-A-S-H和AFt水化产物，能够形成更致密的空间网状骨架结构，形成强度更高的固化土。

关键词：海相淤泥;水泥土搅拌桩;无侧限抗压强度;电镜扫描;

基金：国家自然科学基金，项目编号51308424;

海相淤泥在中国沿海地区大量存在，在沿海地区的建设过程中，软土的处理一般采用水泥原位固化。但对于海相软土，采用水泥作固化剂形成的固化土工程强度普遍较低且耐久性差。海相淤泥水泥土搅拌桩固化剂的使用可以有效解决常用固化材料(如水泥、石灰等)带来的问题：(1)减少水泥的使用量，节约资源并降低环境污染；(2)通过海相软土固化剂的处理，可以有效提高固化土的长期强度；(3)改善固化土的微观结构，形成稳定的胶结物，提高固化土的强度和抗渗性能。常见的外掺剂材料为生石膏、矿渣等与工业废渣，并结合新工艺技术应用于实际工程，因此可以有效降低环境污染并减少成本。近年来新型固化剂因成本低、强度高、环保等优点，大量应用于试验研究和现场工程中，众多学者针对固化土做了不少研究。梁仕华等[1,2]的研究表明：用15%掺量的水泥固化南沙地区高含水率淤泥可取得较好的效果且比较经济。有研究表明[3]:在适量的水泥基中掺入适当的外掺剂能有效提高固化土的强度，减少水泥的使用量。常见的外掺剂有石膏、矿渣、氢氧化钠、硫酸钠和减水剂[4,5]。Wang等[6]对固化淤泥的长期强度开展研究，发现水泥和石灰掺量的增加提高了固化土的力学性能，粉煤灰可提高石灰固化沉积土的强度和弹性模量。朱伟等[7,8]研究了水泥固化土在 7～28 d龄期时的强度演化规律，总结出固化土无侧限抗压强度与水泥添加量的数学关系式及预测某龄期和水泥掺量的无侧限抗压强度计算公式。Tremblay[9]的研究发现：土中有机质的存在会降低水泥水化反应的速度，影响加固土的强度。现有关于含有机质软土固化效果的研究[10]具有明显的地域性，主要集中在天津、杭州、江浙等地区，目前对于珠海洪湾地区海相淤泥质软土的研究尚缺乏系统性研究。

本研究针对普通硅酸盐水泥在海相淤泥质软土中很难形成完整的搅拌桩的工程问题，以A、B两工点的海相淤泥质软土为研究对象，按照一定的配合比制成标准固化土试块，放入标准养护室内养护，分别测试养护7 d、14 d、28 d、60 d龄期试块的无侧限抗压强度，分析不同水泥基外加剂对A、B两种土样固化后的力学性能影响和不同外加剂作用下固化软土的微观结构特征，为珠海洪湾地区的海相淤泥质软土的加固提供参考。

1 材料和试验方法

1.1试验

试验所用原状土为A工点和B工点的海相淤泥质软土(图1),原状土主要为淤泥质软土，呈灰黑色，带有臭味，经测试A、B工点的海相淤泥质软土pH值分别为6.87和8.04,通过900℃高温灼烧测得A、B工点淤泥质软土的有机质含量分别为12.14%和11.58%。试验所用水泥为S42.5的普通硅酸盐水泥。所用专用固化料具体成分见表1,专用固化料物理性质分析见表2。

图1 试验主要材料

表1 专用固化料成分组成

表2 专用固化料物理力学特性

1.2试验方案

依据《公路土工试验规程》(JTG 3430-2020),开展本项目海相淤泥水泥土搅拌桩固化剂配合比室内试验。在室内配合比试验中，水泥土标准试样的制作、养护和强度试验按照相关规程进行。分别在A工点和B工点取海相淤泥质软土原状土样，分别编号为A组土样和B组土样，室内烘干、加水饱和，然后与一定水灰比的固化剂充分拌和，制成70.7 m×70.7 m×70.7 m的水泥土试块。对于A组土样选取专用固化料-水泥混合固化剂，专用固化料与水泥的质量比为4∶6,并在混合固化剂中分别掺入混合固化剂质量百分比为0、4%、6%、8%、10%、12%、14%的生石膏制成7组试样，7组试样的掺灰比为20%,水灰比为65%。同时，选取纯水泥固化剂作为对比试验组，对比试验组中，同样掺入水泥质量百分比为0、4%、6%、8%、10%、12%、14%的生石膏制成7组对比试样，水泥掺灰比、水灰比与混合固化剂一致。对于B组土样也选取专用固化料-水泥混合固化剂，专用固化料与水泥的质量比、水灰比与A组土样一致，每组生石膏的掺量与A组土样一致，掺灰比为22%。同时，选取掺灰比为22%、水灰比为65%的纯水泥固化剂作为对照试验组，对照试验组生石膏的掺量与混合固化剂一致。将做好的试块放入标准养护室养护，分别测试养护7 d、14 d、28 d、60 d龄期试块的无侧限抗压强度，测试仪器为微机控制电子万能试验机，型号为RGM-4030,量程为30 kN,该试验仪器能够得到位移～荷载曲线、应力～应变曲线等一系列参数。选取7 d、14 d、28 d龄期试块进行表面微观结构观测，选用型号为JSW-5510LV FALCON60的电镜扫描仪，该试验能够得到试块的表面孔隙、水化产物、土壤颗粒微观结构的分布特征等。选取最优配比混合固化剂在A工点和B工点进行水泥土搅拌桩试桩测试试验，测试内容为28 d龄期单桩承载力测试和抽芯完整性测试，并对现场抽芯试样进行无侧限抗压强度测试试验。室内试验方案如表3所示。

表3 海相淤泥质软土室内试验研究方案

2 试验结果及分析

2.1位移～荷载曲线

将养护龄期达到7 d、14 d、28 d、60 d的试块进行无侧限抗压强度测试试验，得到水泥土的位移～荷载曲线和强度峰值。A土样不同龄期混合固化剂加固试样不同龄期无侧限抗压强度测试位移～荷载曲线如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。A土样不同龄期纯水泥固化剂无侧限抗压强度测试位移～荷载曲线如图2(d)、图2(e)、图2(f)所示。由于7 d试样无侧限抗压强度测试位移～荷载曲线不稳定，仅能提供稳定的峰值，因此本研究没有7 d龄期试样的位移～荷载曲线。图2(a)、图2(b)、图2(c)显示：对于混合固化剂加固试样，不同生石膏掺量对位移～荷载曲线的发展趋势和峰值都有影响。对于14 d龄期试样，不同生石膏掺量的位移～荷载曲线在起始弹性阶段的斜率基本一致，说明生石膏掺量对于早期软土加固试样的弹性模量影响很小，但是不同生石膏掺量对应的位移～荷载曲线峰值相差很大，其中4%的生石膏掺量的峰值为18.436 kN,而10%的生石膏掺量的峰值为11.004 kN。对于28 d龄期试样，不同生石膏掺量的位移～荷载曲线在起始弹性阶段斜率影响稍大一些，对峰值影响较大，其中14%的生石膏掺量的峰值为20.9 kN,而10%的生石膏掺量的峰值为11.4 kN。对于60 d龄期试样，不同生石膏掺量的位移～荷载曲线在起始弹性阶段斜率影响很大，生石膏掺量对早期试块的弹性模量影响很大，对峰值影响也很大，其中4%的生石膏掺量的峰值为24.866 kN,而10%的生石膏掺量的峰值为13.967 kN。图2(d)、图2(e)、图2(f)显示：对于纯水泥固化剂加固试样，不同生石膏掺量对位移～荷载曲线的发展趋势和峰值与混合固化剂加固试样的类似。

通过混合固化剂与纯水泥固化剂加固试样对比试验研究，相同生石膏掺量的混合固化剂与纯水泥固化剂相比，位移～荷载曲线峰值都大大提高，说明专用固化料-水泥混合固化剂固化海相淤泥质软土的性能要优于纯水泥固化剂，如28 d龄期生石膏掺量14%的混合固化剂加固试样的峰值是20.9 kN,而对应的纯水泥固化剂加固试样的峰值是8.7 kN,前者是后者的2.4倍。生石膏在调节固化剂的固化软土性能方面具有重要的作用，这是因为生石膏在整个浆液体系中提供了足够的钙离子，有利于固化过程中水化胶凝体的生成，从而形成更大的骨架材料。位移～荷载曲线在x轴上的投影线段，曲线起始端x坐标对应的竖向直线以及位移～荷载曲线所围成的图形面积为试块破坏时对应的耗能。通过位移～荷载曲线计算试块加载到破坏时的耗能，得到表4。表4显示：能耗消耗越大说明试块所用材料性能越好，对于混合固化剂14 d水泥土软土试块，与分析位移～荷载曲线峰值所得到的结论基本一致，如14 d龄期混合固化剂试样，当生石膏掺量为4%、12%、14%时，对应的试块破坏时的耗能分别是10.171 J、9.761 J、12.883 J。对于14 d、28 d、60 d纯水泥软土试块，28 d、60 d混合固化剂软土试块，与分析位移～荷载曲线峰值所得到的结论有区别，如28 d混合固化剂试块的位移～荷载曲线峰值为生石膏掺量14%时对应的峰值强度(20.9 kN),但试块破坏时耗能最大的为生石膏掺量4%,耗能为25.297 J,说明仅凭位移～荷载曲线峰值强度判断材料性能并不全面，需要试块破坏时耗能做补充。

图2 土样A不同龄期位移荷载曲线对比

B土样不同龄期混合固化剂加固试样不同龄期无侧限抗压强度测试位移～荷载曲线如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示。B土样不同龄期纯水泥固化剂不同龄期无侧限抗压强度测试位移～荷载曲线如图3(d)、图3(e)、图3(f)所示。图3(a)、图3(b)、较长图3(c)显示：对于混合固化剂加固试样，14 d、28 d、60 d龄期固化土试样位移～荷载曲线表现出来的规律与A土样一致，生石膏的掺量对位移～荷载曲线的影响仅表现在峰值上，对早期龄期的试块的弹性模量影响不明显，随着龄期的增加，生石膏的掺量对试块弹性模量的影响逐步变大。对于纯水泥加固试样，则表现出与A土样不同的变化规律，在整个龄期中，生石膏的掺量不仅影响材料的弹性模量，还显著影响位移～荷载曲线的峰值。通过位移～荷载曲线计算试块加载到破坏时的耗能，得到表5。

表4 A土样位移～荷载曲线能耗计算

表5 B土样位移～荷载曲线能耗计算

2.2无侧限抗压强度

将养护龄期达到7 d、14 d、28 d、60 d的试块进行无侧限抗压强度测试试验得到混合固化剂和纯水泥固化剂水泥土的无侧限抗压强度。A土样不同生石膏掺量相同龄期混合固化剂和纯水泥固化剂加固试样无侧限抗压强度对比直方图如图4所示。相同掺灰质量比的混合固化剂和纯水泥固化剂相比，混合固化剂加固试样的无侧限抗压强度要明显高于纯水泥固化剂加固试样。7 d龄期，前者要高出后者9%～95%;14 d龄期，前者要高于后者98%～216%;28 d龄期，前者要高于后者15%～525%;60 d龄期，除了生石膏掺量0时前者要低于后者36%外，其他组前者高于后者20%～131%。生石膏掺量对于纯水泥固化剂和混合固化剂加固土试样无侧限抗压强度影响非常明显，特别是对于混合固化剂，生石膏掺量能够很好地改善加固土试样中后期的无侧限抗压强度。但是，无侧限抗压强度并不随着生石膏掺量的增加而一直增加，而是随生石膏掺量的增加呈向上凸的抛物线形态，说明生石膏在改善混合固化剂无侧限抗压强度方面存在着几个最佳掺量，对于掺灰比为20%的A类土样生石膏的最佳掺量为4%左右。

图5分别为B土样不同生石膏掺量相同龄期混合固化剂和纯水泥固化剂加固试样无侧限抗压强度对比直方图。图5显示：相同掺灰质量比的混合固化剂和纯水泥固化剂相比，混合固化剂加固试样的无侧限抗压强度要稍高于纯水泥固化剂加固试样。7 d龄期，除了生石膏掺量6%和8%时前者要比后者低2%～26%外，其他组前者要比后者高3%～30%;14 d龄期，除了生石膏掺量6%时前者要比后者低16%和生石膏掺量10%时前者要比后者低20%外，其他组前者要比后者高7%～58%;28 d龄期，除了生石膏掺量12%时前者要比后者高62%和生石膏掺量14%时前者要比后者高57%外，其他组前者要低于后者2%～42%;60 d龄期，前者高于后者8%～120%。生石膏掺量对于纯水泥固化剂加固土试样无侧限抗压强度的影响不是很明显，但是，混合固化剂加固土试样随着生石膏掺量的增加而增加，整体呈逐渐增长形态，对于掺灰比为22%的B龄期类土样生石膏的最佳掺量为12%左右。

图3 土样B不同龄期位移荷载曲线对比

2.3养护龄期对强度的影响

图6为A土样和B土样固化土的无侧限抗压强度与固化料掺入比、养护龄期之间的关系拟合曲线。无论是A土样还是B土样，混合固化剂加固土样前期的无侧限抗压强度增长速率要略慢于纯水泥固化剂，但是，中后期混合固化剂加固试样的无侧限抗压强度的增长速率要高于纯水泥固化剂。土样各龄期峰值强度与生石膏掺量之间的函数关系见表6、表7。

图4 A土样不同生石膏掺量对比柱状图

图5 B土样不同生石膏掺量对比柱状图

图6 无侧限抗压强度随龄期变化拟合曲线对比

表6 A土样淤泥各龄期峰值强度与生石膏掺量之间的函数关系

表7 B土样淤泥各龄期峰值强度与生石膏掺量之间的函数关系

图6(a)显示，对于A土样混合固化剂，随着龄期的增长，加固土试样无侧限抗压强度随之增加，其中，除了生石膏掺量为4%和12%的加固土试样无侧限抗压强度拟合曲线呈对数函数关系外，其余组满足二次函数关系。图6(b)显示，对于A土样纯水泥固化剂加固土，无侧限抗压强度随龄期变化的函数关系为生石膏掺量4%和12%的拟合曲线满足二次函数关系，其余组为对数函数关系。图6(c)显示，对于B土样混合固化剂加固土，无侧限抗压强度随龄期变化的函数关系为4%、8%和12%的拟合曲线满足二次函数关系，其余组为对数函数关系。图6(d)显示，对于B土样纯水泥固化剂加固土，无侧限抗压强度随龄期变化的函数关系除了生石膏掺量6%的为二次函数关系，其余组为对数函数关系。

2.4电镜扫描试验分析

通过分析A土样和B土样加固试块无侧限抗压强度，发现A土样加固试块固化效果要优于B土样加固试块，并且生石膏掺量为4%、12%、14%的加固试样的固化效果要明显优于其他组，因此对A土样生石膏掺量为4%、12%、14%养护龄期到达14 d、28 d加固试样进行电镜扫描试验。A土样14 d、28 d龄期加固试样电镜扫描图片如图7和图8所示。图7显示：对于A土样混合固化剂生石膏掺量为4%的加固试样，养护龄期为14 d时，固化土体孔隙较大，未被水化产物包裹的土颗粒占比较高，水化产物 C-A-S-H较少，针状的Aft也很少；对于A土样生石膏掺量为12%的加固土样，养护龄期为14 d时，固化土体孔隙较小，被水化产物包裹的土颗粒占比明显增加，水化产物 C-A-S-H较多，大量针状AFt穿插于土颗粒之间，形成骨架结构；对于A土样生石膏掺量为14%的加固试样，养护龄期为14 d时，生石膏掺量为14%的加固土是3种混合固化剂加固土土体孔隙最少的，被水化产物包裹的土颗粒占比大大增加，并且产生大量水化产物 C-A-S-H,较多针状AFt穿插于土颗粒之间，形成骨架结构。图7(d)、图7(e)、图7(f)显示：3种纯水泥固化剂加固土中存在较多的孔隙，且存在很多土颗粒未被水化产物包裹，只生成少量的C-A-S-H和针状的AFt。对比A土样混合固化剂和纯水泥固化剂加固土样14 d龄期微观结构，发现掺入一定量的混合固化剂，能够加快针状AFt和水化产物C-A-S-H的生成，减少加固土的孔隙。

图8(a)、图8(b)、图8(c)显示：对于A土样混合固化剂生石膏掺量为4%的加固试样，养护龄期为28 d时，土体仍存在较小的孔隙，未被水化产物包裹的土颗粒明显减少，生成的水化产物C-A-S-H和针状AFt逐渐交织形成小面积的空间网状结构，试块强度进一步增强；对于A土样混合固化剂生石膏掺量为12%的加固试样，养护龄期为28 d时，土体的孔隙较多，未被水化产物包裹的土颗粒明显减少，生成的水化产物C-A-S-H和针状AFt交织形成的空间网状结构面积较小；对于A土样混合固化剂生石膏掺量为14%的加固试样，养护龄期为28 d时，土体的孔隙较少，未被水化产物包裹的土颗粒较少，生成的水化产物C-A-S-H和针状AFt交织形成大面积空间网状结构，2种水化产物生成的量要明显优于生石膏掺量4%和12%的加固土块试样。图8(d)、图8(e)、图8(f)显示：3种纯水泥固化剂中存在的孔隙分布较多，生成的C-A-S-H和针状AFt水化产物较少，未见水化产物组成的空间网状结构，固化土强度在宏观力学上比混合固化剂低。对比A土样混合固化剂和纯水泥固化剂加固土样28 d龄期微观结构，发现混合固化剂加固试样的结构密实度、骨架结构的整体性要优于纯水泥固化剂加固试样。

图7 不同生石膏掺量电镜扫描(14 d)

2.5现场试桩

选取室内试验无侧限抗压强度和微观结构表现较好的固化剂配比作为现场水泥土搅拌桩的试桩固化剂。试桩固化剂选用掺灰质量比20%,专用固化料和水泥质量比为4∶6,生石膏掺量为混合固化剂质量的4%。选择珠海洪湾某海相淤泥质软土地基处理工地进行试桩试验，现场施工两根试验桩，编号分别为3-3号、4-1号，桩径500 mm, 设计单桩竖向抗压承载力特征值为120 kN,要求最大试验荷载为340 kN。成桩28 d后，对两根桩进行单桩承载力测试试验和成桩完整性的抽芯试验。

检测桩的单桩竖向静载试验荷载与沉降关系曲线如图9所示，沉降与时间对数关系曲线如图10所示。试验结果显示：对于3-3号桩和4-1号桩，试验加载到最大荷载340 kN时，Q～s曲线呈缓变型，曲线尾端未出现陡降段，s～lgt曲线呈平行规则排列，未出现间距明显增大或尾段向下弯折，综合分析，3-3号桩和4-1号桩的单桩竖向抗压极限承载力Qu≥340 kN,均满足设计要求。

图8 不同生石膏掺量电镜扫描(28 d)

抽芯取样如图11所示。水泥土芯样以中长柱状和长柱状为主，取芯率达到95%以上，完整性满足规范设计要求。

3 结语

(1)海相淤泥具有pH值偏低、呈弱酸性和弱碱性、有机质含量较高达到10%以上等特点，传统的纯水泥固化剂的水泥土搅拌桩成桩完整性差，单桩承载力低，往往达不到设计规范的要求，需要寻求新的固化剂，解决这一工程难题。

(2)在纯水泥固化剂中添加专用固化料，能够明显提高固化剂的固化性能，室内混合固化剂试块的无侧限抗压强度明显优于纯水泥固化剂试块，特别是在中后期混合固化剂无侧限抗压强度增加速率十分明显，在微观结构上，混合固化剂在14 d、28 d龄期形成的水化产物C-A-S-H和AFt要明显优于同龄期的纯水泥固化剂试块，而且混合固化剂试块能够形成致密广泛的空间网状骨架结构。

图9 Q～s曲线

图10 s～lgt曲线

图11 现场搅拌桩芯样

(3)生石膏可以改善混合固化剂和纯水泥固化剂的固化性能，生石膏对前者的改善尤为明显，生石膏对混合固化剂加固试样无侧限抗压强度的影响并不是完全随着生石膏的掺量的增加而增加，而是呈向上凸的抛物线分布形态，说明生石膏在改善混合固化剂试块无侧限抗压强度性能上存在一个最优掺量，对于海相淤泥建议生石膏掺量为混合固化料总质量的4%。生石膏改善加固水泥土性能可能的原因是提供了大量游离的Ca+,有利于水化产物C-A-S-H和AFt的生成。

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想要清晰地掌握自己的肌肤状态，就要知道自己皮肤的水分，油性，色素，毛孔，弹性，敏感度等，然后才能对症下药，选择合适的化妆品以及护肤品。那么智能的皮肤检测仪是必须的。皮肤检测仪有什么用？智能皮肤检测仪可...

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