压实水泥黄土的力学特性

压实水泥黄土的力学特性

杜孝政

天元建设集团有限公司  山东临沂  276000

摘要：黄土作为一种特殊的土壤类型，广泛分布于我国中西部地区。在工程实践中，黄土的力学特性对于工程建设的安全性和稳定性具有重要影响。本文以压实水泥黄土为研究对象，通过室内试验对其力学特性进行了研究，分析了水泥掺量、压实度、龄期等因素对黄土力学性能的影响，为黄土地区的工程设计与施工提供了理论依据。

关键词：黄土；水泥；压实；力学特性；影响

1 研究背景

黄土是一种特殊的土壤类型，广泛分布于我国中西部地区。由于黄土具有高孔隙比、大渗透性、低抗剪强度等特性，使得黄土地区的工程建设存在一定的安全隐患。在工程实践中，黄土的力学特性对于工程建设的安全性和稳定性具有重要影响。黄土地区的工程事故往往与黄土的力学性能密切相关，如地基沉降、边坡失稳等。因此，研究黄土的力学特性对于提高工程质量和安全性具有重要意义。

黄土的力学特性受多种因素影响，如水泥掺量、压实度、龄期等。水泥作为一种常用的土壤改良材料，已被广泛应用于黄土地区的工程实践中。水泥掺入黄土后，可提高黄土的力学性能，从而提高工程质量和安全性。压实度是黄土力学性能的重要影响因素，合理的压实度可使黄土的力学性能达到最优。

2 水泥黄土的成分和性质

黄土主要由细粒矿物质组成，其中粘土矿物占有较大比例，如伊利石、高岭石和蒙脱石等。黄土的颜色通常为黄色或黄褐色，这是由于其中含有一定量的氧化铁。黄土的粒径分布通常以粉粒为主，砂粒和粘粒的含量相对较低。黄土的孔隙比高，渗透性大，但抗剪强度低，易于受水侵蚀而发生结构破坏。水泥是一种常用的胶凝材料，主要由石灰石、粘土、铁矿石和砂岩等天然矿物质经过煅烧得到。水泥的主要成分包括硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）。当水泥与水混合时，会发生水化反应，生成水化硅酸钙（CSH）、水化铝酸钙（CAH）和水化铁酸钙（CFH）等水化产物，这些产物具有粘结性，能够将土壤颗粒粘结在一起，从而提高土壤的强度和稳定性。

水泥黄土的性质取决于黄土的性质、水泥的掺量、水泥与黄土的混合比例、压实程度以及养护条件等因素。水泥的掺入显著改善了黄土的力学性能，包括提高无侧限抗压强度、抗剪强度和减少压缩性。水泥黄土的渗透性降低，抗水侵蚀能力增强，抗冻性能也有所提高。此外，水泥黄土的耐久性和稳定性也得到了显著改善，使其更适合作为工程填筑材料或地基处理材料。

3 影响水泥黄土力学特性的因素

3.1 水泥掺量

随着水泥掺量的增加，水泥黄土的无侧限抗压强度、抗剪强度和弹性模量等力学性能通常会显著提高。这是因为水泥与黄土中的水分发生水化反应，生成水化硅酸钙（CSH）等胶凝物质，这些物质能够填充黄土孔隙，增强黄土颗粒间的粘结力。然而，过多的水泥掺量可能会导致经济成本增加，且对某些黄土的改良效果提升不明显，因此需要根据工程要求和经济效益来确定最佳的水泥掺量。

3.2 压实度

压实度是指水泥黄土在施工过程中经过机械压实后的密实程度。压实度对水泥黄土的力学特性有显著影响。在一定范围内，随着压实度的增加，水泥黄土的力学性能会提高，因为压实可以减少黄土中的孔隙，增加颗粒间的接触面积，从而提高其强度。但是，过高的压实度可能会导致黄土的内部结构破坏，反而降低其力学性能。因此，存在一个最优压实度，使得水泥黄土的力学性能达到最佳状态。

3.3 龄期

龄期是指水泥黄土从制备到进行力学性能测试所经历的时间。水泥黄土的力学特性随着龄期的增加而变化，这是由于水泥的水化反应是一个持续进行的过程。在最初的几天内，水泥黄土的强度增长较快，随着时间的推移，强度增长速率逐渐减慢，但仍然会持续增长。通常情况下，水泥黄土的强度在28天左右达到一个相对稳定的状态。因此，在进行力学性能测试时，需要根据工程实际情况选择适当的龄期。

3.4 水胶比

水胶比是指水泥黄土中水的质量与水泥质量之比。水胶比会影响水泥的水化程度和硬化后的结构，从而影响水泥黄土的力学特性。适当的水胶比可以保证水泥充分水化，形成足够的胶凝物质。如果水胶比过高，会导致水泥黄土的强度降低，因为过多的水分会形成较多的孔隙，减少有效应力。相反，如果水胶比过低，水泥可能无法充分水化，也会影响水泥黄土的强度发展。

4 压实水泥黄土的力学特性指标

4.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是指在无侧限条件下，试样在轴向应力作用下的破坏强度。无侧限抗压强度试验通常在圆柱形试样上进行，试样在标准养护条件下达到预定龄期后，放入无侧限抗压强度试验机中进行测试。试验结果通常以MPa（兆帕）为单位表示。

4.2 抗剪强度

抗剪强度是指压实水泥黄土在剪切应力作用下的抵抗能力。它对于评估边坡稳定性和地基承载力具有重要意义。抗剪强度可以通过直剪试验或三轴剪切试验来测定。直剪试验通常使用应变控制或应力控制的方式进行，而三轴剪切试验则可以模拟更真实的应力状态。

4.3 弹性模量

弹性模量是描述压实水泥黄土在弹性范围内应力与应变关系的指标。它反映了材料的刚度和变形能力。弹性模量可以通过压缩试验或动态模量试验来测定。较高的弹性模量通常意味着材料具有较好的承载能力和抵抗变形的能力。

4.4 压缩性

压缩性是指压实水泥黄土在轴向应力作用下的体积变形特性。它可以通过压缩试验来测定，通常以压缩系数或压缩模量来表示。压缩性较小的材料更适合作为填方材料或地基处理材料，因为它能够提供更稳定的支撑。

4.5 渗透性

渗透性是指压实水泥黄土允许水分通过的能力。渗透性较低的压实水泥黄土可以用于防渗工程，如堤坝和防渗墙的建造。渗透性可以通过渗透试验来测定，通常以渗透系数来表示。

5 压实水泥黄土在建筑中的角色

5.1 边坡稳定

边坡稳定是黄土地区工程建设中需要特别注意的问题。由于黄土的天然特性，如高孔隙比、弱抗剪强度和易受水侵蚀等，边坡在自然因素或人为活动的影响下容易发生滑坡、塌方等地质灾害。这些灾害不仅会对施工现场的安全造成威胁，还可能对周边环境和基础设施造成破坏。为了提高边坡的稳定性，工程实践中常常采用压实水泥黄土技术。通过在黄土中掺入适量的水泥并经过压实处理，可以显著提高黄土的抗剪强度和整体稳定性。水泥与黄土中的水分发生水化反应，生成的水化硅酸钙等胶凝物质能够填充黄土的孔隙，增强颗粒间的粘结力，从而提高边坡的抵抗滑动和塌陷的能力。在实际工程中，边坡稳定的压实水泥黄土施工需要考虑多种因素，包括边坡的几何形状、黄土的物理力学特性、水泥的掺量和类型、压实度、以及气候条件等。

5.2 填方工程

填方工程涉及到土方的挖运和填筑，用以创建或修改地形，为建筑物、道路、桥梁等提供必要的支撑结构。在填方工程中，材料的选择和施工质量直接影响到填方体的稳定性和长期性能。压实水泥黄土因其优异的压实性和耐水性，成为填方工程中的理想材料。压实水泥黄土具有较高的无侧限抗压强度和抗剪强度，能够提供良好的承载力和稳定性。在施工过程中，通过控制水泥的掺量、压实度和养护条件，可以优化压实水泥黄土的力学性能，确保填方体的稳定性和长期性能。在填方工程中，压实水泥黄土的应用可以减少土方的沉降和侧向位移，提高填方体的整体稳定性，尤其是在需要较高强度和稳定性的区域，如重型机械作业区、高层建筑的基础等。

5.3 防渗和排水工程

在水利工程中，防渗和排水工程是确保水利设施安全运行的关键。压实水泥黄土因其较低的渗透性，被广泛应用于防渗和排水工程，如堤坝、水库、防渗墙等。压实水泥黄土的较低渗透性可以有效减少水分的渗漏，保护水资源，防止因渗漏导致的土壤侵蚀和结构破坏。在堤坝和水库等水利工程中，压实水泥黄土可以用于建造防渗墙或者处理渗漏问题，提高水利设施的安全性能和耐久性。此外，压实水泥黄土还可以用于排水工程，如建造排水沟、排水管道等。通过合理设计排水系统，结合压实水泥黄土的低渗透性，可以有效排除多余的水分，防止水分积聚和渗漏，确保水利设施的正常运行和长期稳定性。

6 参考文献

[1]马文杰,王博林,王旭等.改性黄土的力学特性试验研究[J].水利水电技术,2018,49(10):150-156.DOI:10.13928/j.cnki.wrahe.2018.10.021.

[2]蒋应军,张伟,李启龙等.城际铁路水泥改良黄土填料力学特性[J].硅酸盐通报,2021,40(07):2409-2417+2436.DOI:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.20210330.004.

[3]王作辰.高速铁路跨填方区黄土力学特性及路基动力响应研究[D].长安大学,2023.DOI:10.26976/d.cnki.gchau.2023.000798.