1、1水泥土应用前景及其掺入比对抗冻性能影响研究摘 要：水泥土是由水泥、土料和水 3 种材料构成、广泛应用于工程实践的建筑材料。文章总结了其应用现状及前景，并通过实验对水泥掺入比对其抗冻性能的影响作分析，得出其应用前景广阔和水泥掺入比对其抗冻性能影响有限的结论。 关键词：水泥土；应用；掺入比；抗冻性能 水泥土是由水泥、土料和水 3 种材料构成，采用人工或机械的方法均匀拌和或压实成型，水泥吸取土中的水分而产生凝结、硬化，形成水泥石骨架并包裹着土颗粒，在土体中形成大量纤维状结晶，并不断延伸充填到颗粒间的空隙中，形成网状结构，增加了土的强度，从而改变了原地基土的物理、力学性质。由于水泥土主要材料是细沙或
2、土，其次为水泥，经过养护后水泥土的性能虽然有很大的改变，但是仍然保留着土的亲水性。 1 水泥土应用现状及前景 水泥土技术适用于缺乏沙砾料地区的渠道防渗及小型农田水利配套工程，以及大型渠道和道路的垫层材料等。此外，还可用于大坝护坡等工程。一般以当地的特细沙（来源于风积或河道清淤等）或沙壤土为主要原料，混入少量水泥（占总量的 10%15%） ，适量的水以及微量的外加剂拌和均匀，采用专用机械设备压制成不同规格的板块，经洒水养护一段时间后即可作为建筑材料使用。 2水泥土在工民建基础处理中首先运用，其以改善基础承载力为主要目的。特别在湿陷性黄土地基中，水泥土挤密桩的广泛应用大大提高了地基的承载能力。一般
3、采用灰土比在 5%15%之间的水泥土，土料则采用黏粒含量较少的，以增加水泥土的强度。 水泥土夯实桩地基处理技术是近年来开发的地基处理新技术，它利用工程土和水泥拌和形成混合料，通过机械或人工洛阳铲成孔，并填入水泥与土的混合料形成桩体。由于水泥与土之间产生一系列的物理化学反应，加之夯实所形成的高密度，使桩体具有一定的强度，桩周土得到部分改善，且能节约水泥，当采用具有挤土效应的成孔工艺时，还可将桩间土挤密，形成复合地基承载力，减小地基变形。 由于城市高层建筑日益增多，建 筑物之间的距离越来越小，基坑开挖支护问题越发凸显出来。水泥土墙在基坑工程中的应用也越来越引起重视。 水泥土在垃圾填埋场的应用也引起
4、人们的重视。当采用水泥土墙作为垃圾填埋场的防渗帷幕时，随着水泥掺量和屏障厚度的增加，水泥土屏障对金属离子的隔离效果会大幅提升。同时，增加水泥掺量取得的隔离效果要优于增加屏障厚度。 2 水泥土抗冻性能 水泥土材料是一种多孔隙、空隙和裂纹的材料。由于水泥土的亲水性，其自身极易吸水，在高寒地区容易胀坏；其次水泥土中的颗粒与颗粒之间由于水泥水化反应产生固化作用，使得水泥土颗粒与颗粒之间具有一定的连接强度，在冻融循环作用下，只要冰胀作用引起的应力大于3水泥土颗粒与颗粒之间的连接力，水泥土结构就会破坏掉。 基于上述原因，可以得出水泥土冻胀破坏的必备条件为：（1）水泥土自身达到一定的含水率，或者有外来水的补
5、给；（2）具备一定的负温并且负温持续一定长的时间；（3）冰胀作用产生的应力大于水泥土颗粒与颗粒之间的连接力。 水泥土冻胀必须同时满足上述三个条件，缺少一个都不能使水泥土发生冻胀破坏。因此提高水泥土的抗冻性能，就要从上述三个条件入手。但是在我国北方高寒地区，水泥土冬季长期处在负温中，并且负温远远超过了水的冰点，足以使得任何材料空隙、孔隙中水成冰。所以只有通过降低水泥土自身含水率、阻止外来水进入材料内部和提高水泥掺入比的措施来改善水泥土的抗冻性能。 3 水泥土掺入比实验 3.1 试验设计 为研究水泥掺入比对水泥土抗冻性能的影响，制定水泥掺入比按水泥占风干土的重量比重计算， 分别为 5%、10%、1
6、5%、20%、25%，按每种水泥掺入比制作 50 mm 50 mm 水泥土圆柱体试块 3 个， 试件成型后标准养护 28 天，然后在水中浸泡 3 天，使得水泥土充分吸水饱和。然后放入混凝土快速冻融箱中连续冻融 25 次，冻融循环结束后，取出试件通过WAW -300C 微机控制电液伺服万能试验机测试水泥土无侧限抗压强度。 3.2 试验材料 实验材料采用冀东牌 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，银川市河套平原粉质粘土，和银川市普通自来水。粘土、水泥性能指标见表 1、表 2、表43。 表 1 试验用土的物理参数 比重 液限 塑限 塑性指数 最优含水率 击实最大干密度 2.63g/cm3 28.81%
7、17.24% 11.57 17.01% 1.764g/cm3 表 2 翼东 P.O42.5 普通硅酸盐水泥矿物组成 矿物成份 C3S C2S C3A C4AF f-CaO 百分比% 55.7 22.09 5.12 16.79 0.29 表 3 翼东 P.O42.5 普通硅酸盐水泥物理性质 80m 方孔筛余量（%） 标准稠度用水量（%） 凝结时间 安定性 初凝 终凝 4.8 28.4 1h55min 4h55min 无裂缝、无弯曲 4 水泥土掺入比对抗冻性能的影响 4.1 试验结果及分析 水泥土抗冻试验分为两组，一组水泥土试块经过 28 天标准养护后直接测无侧限抗压强度；另一组是水泥土经过 28
8、 天标准养护后再冻融循环25 次以后测无侧限抗压强度。试验结果见表 4 和图 1。 表 4 28 天龄期不同水泥掺入比冻融前后强度对比 水泥掺入比 28 天（冻融前） 28 天（冻融后） 强度损失率 p 5% 1.721 0.295 82.86% 10% 2.273 0.952 58.12% 15% 3.268 1.517 53.58% 20% 3.982 2.013 49.45% 25% 4.205 2.185 48.04% 5图 1 水泥土冻融前后抗压强度对比图 从表 4 和图 1 中可见未经过冻融循环的水泥土试块强度和经过冻融循环的水泥土试块强度都随着水泥掺入比的增大而增强。但是从强度损
9、失的角度分析，水泥掺入比为 5%的水泥土冻融循环后的强度损失了82.86%，而水泥掺入比为 25%的水泥土冻融循环后的强度损失仅仅为48.04%。从图中可知随着水泥掺入比的增大，水泥土冻融后的强度损失率在持续的降低。说明水泥掺入比对水泥土抗冻性能存在较大的影响。 4.2 水泥掺入比与水泥土冻融强度损失率的关系 通过表 4 可知随着水泥土中水泥掺入比的增加，水泥土冻融后的无侧限抗压强度损失率在降低。经过对水泥掺入比与冻融后强度损失率的拟合，发现水泥土冻融强度的损失率与水泥掺入比的关系符合较好的指数函数关系，二者关系式见公式（1） 。 p=a+be-c（1） 图 2 水泥土冻融前及 25 次冻融循
10、环后形貌 图 3 水泥掺入比与水泥土强度损失率拟合曲线 利用最小二乘法拟合结果见公式（2） 。 p=0.4746+0.947e-20（2） 由图 3 和公式（2）可知，水泥掺入比在一定范围内可以提高水泥土的抗冻性能，但其影响有限，在超出范围后，对水泥土的强度损失率几乎不产生影响，此时应该结合其他措施来解决水泥土的冻融破坏问题。 5 结论 本文通过理论分析与实验，得到两个结论： 6（1）水泥土由于其取材方便，经济效益实惠，并能满足一定的承载要求，其应用前景较好；（2）水泥掺入比对水泥土的抗冻性能有影响，但是当其掺入比大于 25%（其他品牌水泥可能不同）时其作用不再明显，需要结合别的措施来提高水泥
11、土的抗冻性能。 参考文献 1 龚向荣，杨素君.土坝套井回填处理中的书泥土应用研究J.浙江水利科技，2007，4. 2 徐光兵，师欢欢，韩晨伟，王帮圆.深基坑水泥土墙的应用分析J.土工基础，2013，6. 3 曾朝斌.水泥土挤密桩在湿陷黄土路基中的应用J.水利水电施工，2013，3. 4 王建龙.水泥土搅拌法的研究J.科技信息，2013，17. 5 席永慧，张广年，吴晓峰等.填埋场中水泥土屏障对金属离子的隔离效果J.同济大学学报（自然科学版） ，2013，7. 6 戴新荣.谈不同基材等条件对水泥土抗压强度的影响J.山西建筑，2013，7. 7 王旭强，程永军.简析夯实水泥土桩在处理软弱地基中的应用J.系部探矿工程，2013，7. 基金项目：宁夏回族自治区教育厅本科质量工程项目：土木工程专业面向区域应用型人才教学培养模式改革与实践。 作者简介：刘科元（1983.12- ） ，男，山西吕梁人，讲师，硕士研究生，主要从事工程力学、人工智能方面的研究。
