一种快速测量－推定水泥土强度的方法及其所应用的数学模型

摘要

本发明公开了一种快速测量－推定水泥土强度的方法及其所应用的数学模型。其特征是，将水泥土原料制成试样后，放入压蒸釜中，在高温高压下带模养护，以加快水泥矿物水化和水泥与土的凝硬反应速度和硬化强度；然后通过压力测试仪测出试样的强度，再将测得的试样强度代入预先建立的数学模型公式，从而快速、准确的推定出水泥土的标准强度值。本发明的优点是，利用高温高压加快水泥矿物水化和水泥与土的凝硬反应原理，快速提高了水泥土的硬化速度和硬化强度，使水泥土快速达到标准测试强度；同时，利用预先建立的数学模型公式，只用3小时即可准确推定出水泥土28天和90天的标准强度值，且准确率高、误差小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土建材料水泥土标准强度的快速推定方法及其所应用的数学模型。具体地说，本发明涉及一种利用压蒸养护加速水泥土硬化，快速测量水泥土强度，以此利用预先建立的数学模型公式，准确、迅速推定出水泥土标准强度的方法。

背景技术

在土建工程中，由于深层搅拌法加固软土地基，水泥用量少，工期较短，振动和噪音较小，造价低廉，故在建筑工程和道路工程中广泛使用。但是由于地基土质类别多、化学成分不同，特别是有机质种类及含量对水泥土强度影响很大，水泥土加固的地基工程质量难以保证。许多工程按常规设计水泥土配合比后，工程施工中达不到设计要求，导致返工，延误工期，也使工程造价提高。水泥土的强度是以三个月龄期强度为标准的，试验周期长，往往不能及时调整配比，造成施工周期的延长或出现不必要的施工事故。因此对水泥土标准强度的快速推定是极其必要的。

目前，水泥土标准强度的推定方法是早期强度推定后期强度法。

如7天强度推定标准强度法。主要缺点是水泥土7天强度太低，相对误差大，数据离散性也很大，这种可靠性差的数据，不能保证推定结果的准确性，因而难以满足工程实际要求。也有用28天强度来推定标准强度，但试验周期太长，难以及时调整试验配比。目前对桩体进行测量的方法主要有：(1)动测法：基本原理是在桩身顶部进行竖向激振，弹性波沿着桩身向下传播，在桩身存在明显波阻抗差异的界面或桩身截面积变化部位，将产生反射波，经接收、放大、滤波和数据处理，可识别来自桩身不同部位的反射信息，据此计算桩身波速，以判断桩身的完整性。显然动测法检测速度快，测试简单，但存在桩端阻抗与周围介质没有明显变化、桩底反射不明显等缺点，因而动测法评价桩身质量与实际情况存在差异。(2)轻便触探仪触探法：该方法是在成桩3d内，运用轻便触探仪对搅拌桩每m内桩身均匀程度进行检测的方法，其探测深度一般不超过4m，因而只能对上部桩身质量进行比较准确的检测，其测定结果缺乏代表性，而桩上部经过了搅拌桩施工机械的喷灰和复搅，是桩身成型情况及桩体强度最好的部位，搅拌桩的下部则因为喷灰阻力增大、水泥料到喷口的延迟以及操作人员操作难度加大等等方面的影响因素增多，使得保证质量的困难加大，该方法体现不出搅拌桩整体质量尤其桩下部质量的状况。(3)桩全长取芯样及桩头取芯样检测：通过桩全长取芯样来定性检查桩全长范围内的搅拌均匀性、成型情况，测定结果能较好地反映搅拌桩的整体质量，同时在桩头部位取芯，进行无侧限抗压强度试验，据此推定桩身强度及竖向承载力。由于桩头强度明显高于其它部分，桩长范围内强度的不均匀性，使得桩头取芯样的抗压强度不能代表桩整体强度。(4)静载试验法：能根据桩承载力的大小定性地确定桩体质量，加载后测试得出的数据，更接近于在实际荷载的作用下，复合地基应力、应变的变化情况，但存在测试时间较长、费用较高、每个工程抽检数量有限以及不能说明桩身的完整性的缺点。

综上所述，现行的水泥土强度测定及推定方法或可靠性存在问题，或试验检测滞后，延长工程建设周期。因此利用强化水泥土水化与凝硬反应的基本原理，发明新型快速的水泥土强度检测方法和建立新的标准强度推定方法是极其必要的。

发明内容

为了满足水泥土工程配合比设计和调整的需要，本发明采用高温高压原理促进水泥水化及水泥与土的凝硬反应技术原理进行研究，提供了一种快速测量-推定水泥土强度的方法及其所应用的数学模型。本发明解决了现有技术中水泥土强度试验周期长、设定龄期水泥土强度低、相对误差大、与水泥土后期强度的相关性差等缺点。制定了水泥土快速测定方法及推定水泥土标准强度的通用公式。

本发明的技术解决方案是，将原料制成试样后，连同试模一起放入压蒸釜中，在高温高压下带模养护，以加快水泥矿物水化和水泥与土的凝硬反应速度；取出试样后通过压力测试仪测出试样的强度；将测得的试样强度代入预先建立的数学模型公式进行计算，从而准确推定出水泥土的标准强度值；所述原料可为：水泥、土和水，或者水泥、掺和料、土和水。

建立数学模型公式的步骤为：

(1)测定压蒸养护的强度：将原料制成试样，放入压蒸釜中，在高温高压下带模进行压蒸养护，然后取出试样用压力测试仪测出试样的压蒸养护强度；

(2)测定标准养护的强度：将原料制成试样，放入20℃±1℃的标准温度水中进行标准养护，标准养护的时间可根据设计要求而定，然后用压力测试仪分别测出试样标准养护时间的标准养护强度；

(3)通过上述30组以上压蒸养护强度与标准养护强度之间一一对应的数据关系，采用最小二乘法的方法对每组数据进行统计拟合，同时验证不同压蒸养护时间测定的试样强度建立的数学模型与标准养护时间测定的试样强度之间的相关性，选取最佳压蒸养护时间，据此建立数学模型： $>ver>>Y>^>>=>a>+>bver>>X>‾>>,>$>确定式中的系数a、b值，式中即为试样的标准强度推定值，X为试样压蒸养护强度测量值的平均值；

经过大量的试验得出，试样在压蒸釜中带模养护的压蒸养护时间一般为2-5小时，最佳压蒸养护时间为3小时。如将标准养护时间设计为28天和90天，此时，水泥土标准强度推定值与压蒸养护强度测量值之间的数学模型关系式为：

原料为水泥、土和水的试样标准强度推定值：

$>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->148>+>1.138>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

$>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>->260>+>1.744>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

原料为水泥、掺和料、土和水的试样标准强度推定值：

$>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->32>+>1.055>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

$>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>42>+>1.514>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

式中----为28天标准强度推定值，----为90天标准强度推定值，X_3h----为压蒸养护3小时的平均强度值，单位为kPa。

在完成数学模型的基础上，本发明快速测量-推定水泥土强度的方法可由下述具体方法步骤完成：

(1)在常温下，将水泥、土和水或者水泥、掺和料、土和水按一定比例配料，经搅拌制成均匀的混合料，待水分传递均匀后备用。

(2)将上述混合料，加入多联试模中，振动成型至密实状态后抹平，表面用铁板覆盖，使试样处于密闭状态。

(3)将试样连同试模一起放入蒸压釜中，进行带模养护，以加速水泥水化和水泥与土的凝硬反应。

(4)压蒸结束后，取出试模，立即脱模，取出试样。立即在压力测试仪上测出每个水泥土试样的强度。

(5)将上述多个水泥土试样强度的平均值代入数学模型公式，从而计算出水泥土的标准强度推定值。

本发明快速测量-推定水泥土强度的方法也可由下述方法步骤完成：

(1)在常温下，将水泥、土和水或者水泥、掺和料、土和水按适当比例配料，经搅拌制成均匀的混合料，用塑料薄膜覆盖陈化30分钟左右备用。

(2)将上述混合料，加入尺寸为3.16cm×3.16cm×5.00cm的三联试模中，在频率为3000次/min、振幅为0.7mm的振动台上振动成型，至密实状态后，表面用铁板覆盖，使试样处于密闭状态。

(3)将试样连同试模一起放入蒸压釜中，进行带模养护，蒸压釜中初始水温为80-100℃，按每分钟5℃加温至120-140℃，养护压力为0.1-0.2Mpa，保温时间为3小时。压蒸后快速冷却至常压，取出试模。

(4)试模取出后，立即脱模，取出试样。立即在压力测试仪上测出水泥土试样强度，然后将其试样强度的平均值代入数学模型公式，从而计算出水泥土的推定强度值。

上面所述的掺和料为：磨细矿渣、或者粉煤灰、或者各种粉状石膏，或者其中两种或两种以上的组合物。

本发明的优点是，利用高温高压加快水泥矿物水化和水泥与土的凝硬反应原理，快速提高了水泥土的硬化速度和硬化强度，使水泥土快速达到标准测试强度，试验相对误差小。本发明试验周期短，测量速度快捷方便，利用预先建立的数学模型公式，3小时即可准确推定水泥土的标准强度，且准确率高。

具体实施方式

首先，建立利用高温高压快速测量-推定水泥土强度的方法所应用的数学模型公式。

经过大量的试验得出，试样在压蒸釜中带模养护的最佳压蒸养护时间为3小时。如将标准养护时间设计为28天和90天，据此，水泥土标准强度推定值与压蒸养护强度测量值之间的数学模型建立的具体步骤为：

(1)测定压蒸养护的强度：将水泥、土和水或水泥、掺和料、土和水制成试样，放入压蒸釜中，在高温高压下带模进行压蒸养护3小时，然后取出试样用压力测试仪测出3小时试样的压蒸养护强度；

(2)测定标准养护的强度：将水泥、土和水或水泥、掺和料、土和水制成试样，分成二组，同时放入20℃±1℃的标准温度水中进行标准养护，一组标准养护的时间为28天，另一组标准养护的时间为90天，然后由压力测试仪分别测出28天试样和90天试样的标准养护强度；

(3)通过上述30组以上的试验，分别根据压蒸养护强度与标准养护强度之间一一对应的数据关系，采用最小二乘法的方法对每组数据进行统计拟合，据此建立水泥土标准强度推定值与压蒸养护强度测量值之间的数学模型换算公式：

原料为水泥、土和水的试样标准强度推定值的数学模型换算公式为：

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$>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>->260>+>1.744>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

原料为水泥、掺和料、土和水的试样标准强度推定值的数学模型换算公式为：

$>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->32>+>1.055>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>

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式中----为28天标准强度推定值，----为90天标准强度推定值，X_3b----为压蒸养护3小时的平均强度值，单位为kPa。

上述数学模型公式，适用于压蒸养护条件下，用3小时快速测量-推定各种水泥土28天和90天标准强度的方法。

据此数学模型公式，本发明快速测量-推定水泥土强度的具体方法步骤如下：

(1)在室温下，将水泥、土和水或水泥、掺和料、土和水按适当比例配料，经搅拌制成均匀的混合料，用塑料薄膜覆盖陈化30分钟左右备用。

(2)将上述混合料，加入尺寸为3.16cm×3.16cm×5.00cm的三联试模中，在频率为3000次/min、振幅为0.7mm的振动台上振动成型，至密实状态后抹平，表面用铁板覆盖，使试样处于密闭状态。

(3)将试体和试模共同放入蒸压釜中，进行带模养护，蒸压釜中初始水温为80-100℃，按每分钟5℃加温至120-140℃，养护压力为0.1-0.2Mpa，保温时间为3小时。压蒸后快速冷却至常压，取出试模。

(4)试模取出后，立即脱模，取出试样。立即在YSH-2型石灰土无侧限压力仪上测出每件试样的强度，取其平均值--X_3h。

(5)将X_3h代入上述数学模型公式，从而快速计算出水泥土(水泥、土和水或水泥、掺和料、土和水)试样28天和90天标准强度的推定值--

上述步骤(1)中所述掺和料为磨细矿渣、或者粉煤灰、或者各种粉状石膏，或者其两种或两种以上的组合物。

为了验证上述快速测量-推定水泥土强度的方法及其所应用的数学模型的准确性，下面对不同土质的水泥土进行了试验，充分验证了本发明的准确性和可靠性。

试验1：

土样为江苏省盐城响水县的淤泥质亚粘土，水泥使用P·O 32.5标号，水泥掺量为土样的10％。通过上述方法测得X_3h为1198kPa。而28天标准养护实测强度为1220kPa，90天标准养护实测强度为1762kPa。用公式 $>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->148>+>1.138>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>和 $>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>->260>+>1.744>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>推定其28天强度为1215kPa，90天强度为1829kPa，其28天强度相对误差为0％，90天强度相对误差为4％。

试验2：

土样为江苏省盐城滨海县的黄色粘土，水泥用P·O 32.5标号，水泥掺量为土样的22％，X_3h为1189kPa，28天实测强度为1109kPa，90天实测强度为1681kPa。用公式 $>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->148>+>1.138>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>和 $>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>->260>+>1.744>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>推定其28天强度为1205kPa，90天强度为1814kPa，其28天强度相对误差为9％，90天强度相对误差为8％。

试验3：

土样为江苏省盐城滨海县的黄色粘土，水泥用P·O 32.5标号，水泥掺量为土样的15％，磷石膏掺量为土样的2％，粉煤灰掺量为土样的8％，X_3h为2038kPa，28天实测强度为1955kPa，90天实测强度为3069kPa。用公式 $>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->32>+>1.055>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>和 $>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>42>+>1.514>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>推定其28天强度为2118kPa，90天强度为3128kPa，其28天强度相对误差为8％，90天强度相对误差为2％。

试验4：

土样为江苏省盐城响水县的淤泥质亚粘土，水泥用P·O 32.5标号，水泥掺量为土样的17％，磷石膏掺量为土样的1％，粉煤灰掺量为土样的2％，X_3h为1268kPa，28天实测强度为1400kPa，90天实测强度为2060kPa。用公式 $>>ver>>Y>^>>>28>d>\; >=>->32>+>1.055>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>和 $>>ver>>Y>^>>>90>d>\; >=>42>+>1.514>ver>>X>‾>>>3>h>\; >$>推定其28天强度为1306kPa，90天强度为1962kPa，其28天强度相对误差为7％，90天强度相对误差为5％。

从上述4个试验，充分说明了本发明快速测量-推定水泥土强度的方法及其所应用的数学模型的准确性和可靠性。通过本发明，只要在3小时内就可准确推定出水泥土28天和90天的标准强度值，且误差小，准确率高，从而，据此及时调整原料的配合比，降低了工程造价，保证了工程质量。