高鵬飛，胡建林，崔宏環(huán)，閆 利，楊 健

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院， 河北 張家口 075000；2.山東水總有限公司， 山東 濟南 250014)

河北西北部地區(qū)存在大量的風積沙和粉質黏土。由于風積沙結構松散、級配不良、工程性質較差[1]，粉質黏土在遇水后毛細現(xiàn)象明顯且物理化學性質容易發(fā)生改變，兩種土質的力學性能通常不能滿足路面對基層材料的要求。為此，工程上需要對兩種土質進行改良。目前比較經(jīng)濟有效的改良方法是在素土中摻入水泥，使之改良為水泥土。張本蛟等[2]通過現(xiàn)場實驗，探究了水泥配比對水泥土強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水泥土芯樣的抗壓強度及變形模量隨水泥配比的增加而增加。薛慧君等[3]通過無側限抗壓強度實驗，分析了水泥配比、養(yǎng)護時間等條件對水泥土抗壓強度的影響，提出了水泥配比及養(yǎng)護時間與抗壓強度的經(jīng)驗公式，并對水泥土變形模量進行分析，得出了變形模量與抗壓強度的數(shù)學表達式。吳家琦等[4]通過無側限抗壓強度實驗，探究了水泥配比、齡期及養(yǎng)護條件對水泥土抗壓強度的影響，指出養(yǎng)護齡期及水泥配比都和抗壓強度呈正相關。汪海鷗等[5]針對某地區(qū)粉質黏土做了一系列無側限抗壓強度實驗，結果表明：在一定水泥配比內(nèi)，水泥土的強度會隨著水泥配比的增大而增大，并且提出水泥土的最佳養(yǎng)護齡期為28 d。周海龍等[6]對水泥土進行了單軸抗壓強度實驗，分析了不同水泥配比及不同齡期下水泥土的強度規(guī)律，并擬合出了其應力應變曲線的參數(shù)公式。胡建林等[7]對纖維水泥土做了一系列強度實驗得出在水泥土中加入纖維可以提高水泥土的韌性。在水泥土強度影響因素的研究中，人們通常只關注水泥配比對水泥土強度的影響，但在實際工程中很容易證明，當水泥配比相同時，含水率也會顯著影響水泥土的抗壓強度。例如周國鈞等[8]通過在黏土中摻入水泥粉、水泥漿2種固化劑進行了一系列抗壓強度實驗，結果表明：加入水泥粉的水泥土試樣強度比加入水泥漿水泥土試樣強度高2～3倍。賈堅等[9]通過飽和軟土水泥土抗壓強度試驗,分析了含水率與水泥土之間抗壓強度的關系，并提出在相同水泥配比的前提下，可以通過控制含水率的方法來提高水泥土的抗壓強度。儲誠富等[10]通過抗壓強度實驗，分析了含水量及水泥配比對水泥土強度的影響，并提出可以用似水灰比來預測水泥土強度。張培云[11]指出含水率對路基的穩(wěn)定性和耐久性有重要影響，并通過論述路基土中含水率的影響機理，得出可以采用不同的施工方法來控制不同土質的含水率，以達到最大壓實度。

由于冀西北地區(qū)土質種類多，條件復雜，因此有必要對改良后的水泥土進行力學特性的實驗研究。為此，本文選擇冀西北地區(qū)廣泛分布的風積沙及粉質黏土兩種土樣改良為水泥土，通過無側限抗壓強度實驗，分析水泥配比及含水率對水泥土強度特性的影響，并通過水泥土的變形模量，進一步分析兩種水泥土的變形特征，為工程提供理論參考。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

本次試驗共選用兩種土樣：土樣1取自張家口市某施工現(xiàn)場粉質黏土。土樣2取自張家口市某建設場地風積沙。兩種土樣的基本物理性質及顆粒級配曲線見表1、圖1。

表1 試驗所用土樣的物理性質

圖1 土樣顆粒級配曲線

1.2 試驗方案

在粉質黏土和風積沙中摻入質量比為11%、14%、17%、20%的水泥(用Aw表示)，改良為不同土質的水泥土。通過擊實試驗獲得兩種素土的最優(yōu)含水率為12%，以最優(yōu)含水率為基準上下浮動2%，確定兩種水泥土的含水率為8%、10%、12%、14%、16%。實驗方案如表2所示。其中，每個配比制做9個平行樣，測試結果取9個試樣的平均值。

1.3 試件制備

本次試驗參考《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》[12](JTG E51—2009)的相關內(nèi)容來進行水泥土試件的制作。壓實度及齡期參考《公路路面基層施工技術細則》[13](JTG/T F20—2015)選取壓實度為95%，齡期為28 d，具體步驟如下：

(1) 取不同土樣，其中粉質黏土過2 mm篩，風積沙過5 mm篩。

(2) 根據(jù)不同水泥配比、含水率以及參考的壓實度，稱量所需要的水、水泥及素土，配制水泥土混合料，并攪拌均勻。

(3) 將水泥土分兩層放入圓柱型模具中，通過搗棒振搗后，在壓力機上以1 mm/min的速度靜壓成型。水泥土試件直徑100 mm，高100 mm。

(4) 成型后靜置4 h，之后用液壓脫模機將水泥土試件脫出，置入養(yǎng)護箱養(yǎng)護28 d。

(5) 養(yǎng)護至齡期后，在萬能試驗機進行無側限抗壓強度試驗。加載速度為1 mm/min。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥土應力應變曲線分析

對完成養(yǎng)護的水泥土試件進行抗壓強度實驗，兩種水泥土的應力應變曲線均出現(xiàn)典型的峰值強度特征，兩種水泥土在不同含水率下的應力應變曲線趨勢基本相同，因此列舉了兩種水泥土在含水率16%時的應力應變曲線為代表，如圖2所示。

圖2 水泥土應力應變曲線

從圖2中可以看出:兩種水泥土的應力應變特征大體相同，均可分為四個階段，即壓密階段、彈性階段、屈服階段和殘余階段[14]，應力應變曲線都表現(xiàn)為應力隨應變增加至峰值后下降，具有明顯的峰值應力。對于同一土樣水泥土來說，隨著水泥配比的增加，兩種水泥的應力上升段斜率均有明顯增加，峰值應力也顯著增大。但風積沙水泥土到達應力峰值后會隨著應變的增加而快速下降，最終殘余強度較低，具有明顯的脆性破壞特征，而粉質黏土水泥土在進入塑性階段后，其應力隨著應變的增加下降緩慢，并且在到達一定應變后逐漸趨于平緩，殘余應力較高。對比圖2兩種不同水泥土的應力應變曲線可以得出，風積沙水泥土在不同水泥配比下的峰值應力明顯高于粉質黏土水泥土，但其到達應力峰值時的應變較大，并且風積沙水泥土的脆性特征表現(xiàn)的十分明顯。

為探究水泥配比和含水率對兩種水泥土峰值應力的影響，取水泥土應力應變曲線的峰值點作為水泥土的峰值強度，其值如表2所示。由表2可以看出在相同水泥配比和含水率的情況下，風積沙水泥土的峰值強度均大于粉質黏土水泥土，這是由于風積沙水泥土中存在大量的砂顆粒，砂顆粒本身較硬且相互摩擦力大等特點使得其強度高于粉質黏土水泥土。

表2 水泥土峰值強度

2.2 水泥配比對水泥土峰值強度的影響

在水泥土中，水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠等會與土顆粒發(fā)生一系列的物理化學反應，進而增強土體的強度。Uddin[15]將水泥配比劃分為3個區(qū)域：即誘導區(qū)、反應區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。當水泥配比處于反應區(qū)時，水泥土強度迅速增加，其強度增長率也會隨著水泥配比的增加而增加。為此，可以用強度增長率來表征水泥配比的三個區(qū)域，即水泥土的強度增長率隨水泥配比增加時，水泥土進入反應區(qū)。由圖3及表3可以看出，兩種水泥土的強度都會隨著水泥配比的增大而增大，但其強度增長率有明顯區(qū)別。在任意含水率下，風積沙水泥土的強度增長率會隨著水泥配比的增大而增大，而粉質黏土水泥土的強度增長率會隨著水泥配比的增大呈下降趨勢，例如，通過表3可以看出在含水率12%條件下，風積沙水泥土的強度增長率為13%、31%、89%，而粉質黏土的強度增長率為117%、36%、17%。因此，可以判斷粉質黏土水泥土比風積沙水泥土率先進入反應區(qū)，而提前到達穩(wěn)定區(qū)，即兩種水泥土對水泥配比的敏感性不同。

圖3 水泥土峰值強度隨水泥配比的變化

表3 水泥土強度增長率

為探究兩種水泥土峰值強度隨水泥配比的變化規(guī)律，對不同含水率下峰值強度隨水泥配比變化曲線進行擬合，擬合曲線如圖4所示。可以看出，風積沙水泥土強度隨水泥配比的關系曲線近似呈指數(shù)函數(shù)關系，粉質黏土水泥土的強度隨水泥配比的關系曲線可用對數(shù)函數(shù)表示，表示函數(shù)如下：

y1=aebx

(1)

y2=clnx+d

(2)

式(1)為風積沙水泥土強度與水泥配比的擬合公式；式(2)為粉質黏土水泥土強度與水泥配比的擬合公式，x,y分別為水泥配比和峰值強度，a,b,c,d為實驗參數(shù)，與水泥土的含水率有關，其值匯總于表4。

圖4 水泥土峰值強度擬合曲線

表4 水泥土強度與水泥配比擬合公式的實驗參數(shù)

2.3 含水率對水泥土峰值強度的影響

圖5為風積沙水泥土和粉質黏土水泥土強度隨含水率的變化曲線，由圖可知，在相同土樣水泥土中，不同水泥配比的強度-含水率曲線基本相同。隨著含水率的增加，風積沙水泥土的峰值強度會先增加后減少，在含水率12%時達到最大值，而粉質黏土水泥土的峰值強度會隨含水率的增加先趨于穩(wěn)定，之后迅速減小，在含水率8%時達到最大值。兩種水泥土的峰值強度在含水率超過12%后，均表現(xiàn)為明顯下降。對比不同配比下的水泥土，發(fā)現(xiàn)其強度差值在含水率16%時最小，例如，粉質黏土水泥土在水泥配比17%到20%之間的峰值強度僅相差0.17 MPa。這是因為在高含水率條件下，過多的水分子會對水泥-土結構產(chǎn)生“潤滑”作用，進而破壞水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結，導致水泥土強度逐漸降低?？偟膩碚f，兩種水泥土都存在一個最優(yōu)含水率使水泥土的強度達到最大，超過最優(yōu)含水率后強度驟減。

圖5 水泥土峰值強度隨含水率的變化關系

2.4 水泥土變形模量分析

水泥土的應力應變曲線為非線性曲線，其變形模量不是一個數(shù)值，因此常常使用變形模量E50來表征水泥土材料抵抗變形的能力，E50越大表明材料的脆性和結構性越強，其定義為[16]：

(3)

其中：σf為的材料峰值應力；ε0.5為材料峰值應力的0.5倍對應的應變。其值可從水泥土應力應變曲線獲取。

圖6給出了風積沙水泥土和粉質黏土水泥土變形模量與水泥配比的關系曲線。從圖6可以看出，隨著水泥配比的增大，兩種水泥土的變形模量都逐漸增大，但其增加幅度不同。風積沙水泥土的變形模量增長趨勢可視為指數(shù)型增長，在水泥配比17%到20%時變形模量增幅最大，而粉質黏土水泥土的變形模量可視為對數(shù)型增長，在水泥配比11%到14%時變形模量增幅最大。由此可見水泥配比能顯著影響水泥土的脆性和結構性。

圖6 水泥土變形模量E50與水泥配比Aw的關系

對比水泥土的變形模量-水泥配比關系曲線和峰值強度-水泥配比關系曲線，發(fā)現(xiàn)兩種曲線趨勢基本一致。由此得出變形模量E50與qu存在一次函數(shù)關系。為此，列舉了兩種水泥土在不同含水率和不同水泥配比下的E50及qu值如表5、表6所示。

表5 風積沙水泥土E50與qu關系表

從表中可以看出，在任意情況下，兩種水泥土的變形模量與峰值強度都可視為正比關系，且E50與qu的比值均在一定范圍之內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計，兩種水泥土28 d變形模量與峰值強度的關系可用下式表示：

E50=(30～40)qu

(4)

其中:qu為水泥土的峰值強度；qu=(0.68～7.55)MPa。

表6 粉質黏土水泥土E50與qu關系表

3 結 論

本文通過兩種水泥土的無側限抗壓強度實驗，探究了風積沙水泥土和粉質黏土水泥土強度及變形特征，得出以下結論：

(1) 兩種水泥土的應力應變曲線都表現(xiàn)為應力隨應變增加至峰值后下降，最后達到破壞。但風積沙水泥土的脆性特征表現(xiàn)的更為顯著。

(2) 隨著水泥配比的增加，兩種水泥土的強度都顯著增加，但其強度增長率有明顯不同，并且風積沙水泥土的峰值強度在各種情況下均大于粉質黏土水泥土。

(3) 隨著含水率的增加，風積沙水泥土的峰值強度會先增加后減少，而粉質黏土水泥土的峰值強度則是先趨于穩(wěn)定，之后迅速減小，兩種水泥土的峰值強度在含水率超過素土最優(yōu)含水率后，均表現(xiàn)為明顯下降。

(4) 隨著水泥配比的增加，兩種水泥土的變形模量都逐漸增加，但其增加幅度不同。對于養(yǎng)護齡期為28天的兩種水泥土，可用E50=(30～40)qu來大致估其算變形模量。