土壤水泥性質

一般土壤經水泥固化改良後具有下列特性，(1)強度增加、變形量減少、

轉變為脆性材料，(2)體積穩定、耐久性增加，(3)滲透性降低；知曉土壤水 泥和原土壤已完全不同，明顯的已成為另一種新材料，水泥含量愈高其性 質愈近於混凝土。最廣範被用來觀察土壤水泥之穩定性質為強度與耐久 性；茲綜合土壤水泥之性質於表 2.5，其含數據及估算公式，可為判釋實驗 結果合理性之依據[FHWA, 1979b]。

一、強度

在材料或土壤力學上，我們常以抗剪強度參數即三軸試驗所得之凝聚 力 c 及摩擦角φ 來評估土壤之抗剪強度；然而在土壤水泥的研究上，因aw之 增加及養治時間之延長，其凝聚力會大幅增加，而摩擦角的增加幅度有限，

(a)摘自 ACI ( 1990)

(b) 摘自 FHWA (1979b)

圖 2.14 不同土類之無圍壓縮強度與養護齡期關係

表 2.5 土壤水泥性質一覽[FHWA, 1979b]

Property Granular soils Fine-grained soils Notes

Density (kN/ m³⁾ 15.70~21.58 13.73~19.62

a. May be higher or lower than untreated soils.

b. Delay between mixing and compaction causes density reduction.

qu=(90~150)×a_w q_u=(40~80)×a_w

Unconfined compression strength, q_u (psi)

) log(

2 1 )

2 ( ) 1

( t

a t k q

q_{u t}

=

+ ⋅

⋅

aw：Cement content (% by weight)

k=70：For coarse-granular soils

k=10：For fine-grained soils

t

t

t

t

Cohesion, c (psi⁾ To a few hundred psi

C=7.0+0.225q_u

Depends on a_w and Curing time

Friction angle,φ^{(o) 35~45 30~40} May decrease at high confining stress.

Tensile strength (psi)

(

5 1~

3

1)×q_u Need 1%~3% cement to develop.

Bearing stress from CBR

test (psi) 0.55×q¹_u^.431

Tangent modulus from compression test,

E

1×10⁶~5×10⁶ 10⁵~10⁶

Poisson’s ratio 0.1~0.2 0.15~0.35

1psi=6.89kPa

使得試體之抗剪強度在低圍壓下受圍壓之影響不顯著；又由於無圍壓縮試 驗之操作遠比三軸壓縮試驗簡單且迅速，因此在探討土壤水泥的強度行為 時，大多利用無圍壓縮試驗所得之無圍壓縮強度q_u來觀察土壤水泥之強度 變化情形。

於道路工程，美國數個州對土壤水泥之強度要求示於表 2.6，因地方而 異，用於基層(Base course)之土壤水泥其無圍壓縮強度qu應大於 100 psi 或 150 psi ，而用於底層(Subbase)之土壤水泥其q_u不得小於 50 psi 或 100 psi 或 150 psi (1 psi =6.89 kPa )[FHWA, 1979b]。於水庫邊坡保護方面，要求土壤水 泥之 7 天無圍壓縮強度大於 600psi、28 天無圍壓縮強度大於 875psi（參考：

鋼筋混凝土之q_u ≥3000psi；無筋混凝土之q_u ≥2500psi）[USBR, 1992]。

二、耐久性

水泥在土壤中不僅單純的產生膠結物將土壤顆粒包住，同時因為石灰 和黏土顆粒反應陽離子置換作用取代氫離子而降低黏土的親水性，因而降 低了膨脹與收縮的潛能達到了體積穩定、耐久之效。另一方面，因為膠結 物填入土壤顆粒之孔隙中，液體流動路徑被阻塞而降低滲透性，土壤水泥 無論為經由夯實或是攪拌方式進行，其滲透係數約可降至 10^-7~10^-8cm/sec， 且隨著a_w的提高滲透性降低[FHWA, 1979b]。

所謂耐久性即是觀察土壤水泥於凍-溶試驗與乾-濕試驗之重量損失 率；於道路工程，對土壤水泥耐久性之要求基準示於表 2.7，其重量損失率 於 A-1-a、 A-1-b、 A-2-4、A-2-5 、A-3 類不得大於 14%，於 A-2-6、A-2-7、

A-4、A-5 類不得大於 10%，而於 A-6、A-7 類不得大於 7% [FHWA, 1979b]。

於水庫邊坡保護方面，經 12 循環後之試體重量損失率應小於 6% [USBR, 1992] 。

表 2.6 於道路工程對土壤水泥之強度要求[FHWA, 1979b]

Minimum strength requirement

Agency Specimen curing

Base course Subbase

California DOT Mixture is “loose cured”

24 hours prior to compaction Illinois DOT

48 hours and 48.9^oC ¹⁵⁰ psi (1034kPa) 100psi (689kPa)

Louisiana DOT 7 days moist room, 8 hours drying (60^oC), 8 hours cooling and 10 days capillary soaking at a confining pressure of 1

psi

100psi (689kPa) 50 psi (345kPa)

Texas State Department of Highways and

Transportation

AASHTO T220 100psi (689kPa) 50psi (345kPa)

Virginia Department of Highways and Transportation

72 hours (48.9^oC^{) Not used 150} psi (1034kPa)

表 2.7 土壤水泥耐久性要求（凍-溶試驗與乾-濕試驗）[FHWA, 1979b]

AASHTO soil group USCS soil group Max. allowable weight loss from wet-dry and freeze-thaw test (%)

A-1-a GW, GP, GM, SW, SP, SM 14

A-1-b GM, GP, SM, SP 14

A-2-4、A-2-5 14

A-2 GM, GP, SM, SP

A-2-6 、 A-2-7 10

A-3 SP 14

A-4 CL, ML 10

A-5 ML, MH, CH 10

A-6 CL, CH 7

A-7 OH, MH, CH 7

a. Maximum volume changes after wet-dry and freeze-thaw test should be less than 2% of the initial volume.

b. Maximum water content during the test should be less than the quantity required to saturated the specimen at the time of molding.

c. Compressive strength should increase with curing age of specimen.

2.6.3 國內相關研究