張棟 陳鋒 王仲錦 曾帥

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

改良土的耐干濕循環(huán)能力是指其抵抗自然環(huán)境中因水分變化而產(chǎn)生破壞的能力，是改良土耐久性的重要指標(biāo)之一［1］。新建鐵路等級(jí)和速度越來(lái)越高，對(duì)改良土的變形性能和耐久性能要求越來(lái)越高，但目前路基使用的改良土干濕循環(huán)耐久性要求不高，試驗(yàn)方法不明確，致使改良土難以在復(fù)雜環(huán)境和高等級(jí)鐵路建設(shè)中應(yīng)用。

干濕循環(huán)試驗(yàn)常用的方法主要有控制吸力法和常規(guī)的浸水飽和-蒸發(fā)干燥法。控制吸力法模擬一種相對(duì)緩和的、漸變的干濕環(huán)境，操作過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。常規(guī)法模擬一種極端的、劇烈的干濕環(huán)境。目前干濕循環(huán)試驗(yàn)主要以常規(guī)法為主［2］。李秉宜等［3］分析了在干濕循環(huán)條件下高液限黏土改良土的承載比和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果表明較高摻量的水泥或石灰可有效改良高液限黏土膨脹性。高玉琴［4］提出摻入適當(dāng)粗顆?？捎行p少改良后的干濕脹縮變形。曾帥等［5］研究了摻加特殊改良劑在干濕循環(huán)條件下的質(zhì)量損失率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化，提出水泥摻量11%～15%時(shí)改良紅黏土可以滿(mǎn)足干濕循環(huán)耐久性。Estabragh等［6］研究了水泥改良土在干濕循環(huán)條件下的液塑限、壓實(shí)特性和膨脹性，得出隨著循環(huán)次數(shù)增加膨脹性增加，經(jīng)過(guò)幾個(gè)循環(huán)后膨脹特性趨于穩(wěn)定。Baghdadi等［7］按波特蘭水泥協(xié)會(huì)程序設(shè)計(jì)水泥改良土，測(cè)試樣品在干濕循環(huán)條件下的質(zhì)量損失率，以此作為評(píng)價(jià)改良土性能的主要指標(biāo)。

目前大多將強(qiáng)度、質(zhì)量損失等指標(biāo)作為評(píng)價(jià)改良土的關(guān)鍵參數(shù)，干濕循環(huán)條件不盡相同，難以進(jìn)行橫向比較，且對(duì)于泥巖改良和干濕循環(huán)變形性能少有研究，尚未形成改良土干濕循環(huán)耐久性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。為此，研究有效測(cè)試改良土干濕循環(huán)耐久性的試驗(yàn)方法，明確泥巖改良后干濕循環(huán)耐久性指標(biāo)，對(duì)于在鐵路路基工程中改良土的應(yīng)用有重要意義。

為研究改良土的干濕循環(huán)耐久性能合理評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)改良土干濕循環(huán)性能試驗(yàn)，并驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性。

1 試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹性填料影響較大，故試驗(yàn)時(shí)主要采用微膨脹性軟弱泥巖?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要改良的填料為粉黏土和粉細(xì)砂，故采用這兩種土作為比對(duì)試驗(yàn)樣品，土的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。這兩種填料沒(méi)有膨脹性，可以更有針對(duì)性地說(shuō)明膨脹性泥巖的改良效果。依據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)基本土性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

表1 土的基本性質(zhì)

泥巖為紫色，成土狀，挑選泥巖土樣中的大塊完整巖塊，泡水具有崩解性質(zhì)，將其稍微粉碎作土使用。圖1為泡水5 min后的泥巖狀態(tài)。

圖1 泡水5 min的泥巖

2 改良土干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

ASTM D559《Standard Test Methods for Wetting and Drying Compacted Soil-Cement Mixtures》中明確了測(cè)試干濕循環(huán)條件下改良土變形和質(zhì)量損失率的試驗(yàn)方法，但制樣用的部分儀器設(shè)備型號(hào)、參數(shù)是以ASTM系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)和依據(jù)的，不便于在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。但是該標(biāo)準(zhǔn)中明確的干濕循環(huán)條件、試驗(yàn)操作步驟等極具參考價(jià)值且可以實(shí)現(xiàn)，采用TB 10102—2010中的擊實(shí)試驗(yàn)方法所制試樣可以滿(mǎn)足試驗(yàn)需求，據(jù)此確定了試驗(yàn)方案。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

ASTMD559中模具內(nèi)徑101.6 mm，高116.43 mm，采用內(nèi)徑102 mm、高116 mm的模具替代。其他模具與原試驗(yàn)中保持一致，試驗(yàn)設(shè)備如下。

1）模具：內(nèi)徑（102±0.1）mm，筒高（116±0.1）mm。

2）恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱或混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。

3）重型擊實(shí)儀。

4）脫模機(jī)。

5）水槽：用于浸泡試件，比試件高50 mm及以上。

6）烘箱：控溫70～110℃。

7）天平：稱(chēng)量2 000 g，分度值0.01 g。

8）案秤：稱(chēng)量5 000 g，分度值1 g。

9）測(cè)量臺(tái)座和千分表，千分表分度值0.001 mm。

10）鋼絲刷：一種由50 mm長(zhǎng)、1.6 mm寬、0.5 mm厚的扁鋼絲刷毛做成的鋼絲刷，分為50組，每組10個(gè)刷毛，并安裝在190 mm×65 mm硬木塊上形成5個(gè)縱向和10個(gè)橫向排列的刷毛。

11）直尺、圓孔篩（20 mm）、攪拌器、攪拌桶、刮平刀、拋毛鐵爪、托盤(pán)、游標(biāo)卡尺、燒杯、測(cè)含水容器、不銹鋼釘、錘子、塑料袋等。

2.2 試驗(yàn)材料

粉黏土和粉細(xì)砂按照TB 10102—2010中的試驗(yàn)方法制備樣品即可，但是泥巖具有塊狀特性，破碎后才可制樣?？紤]目前的施工水平，泥巖破碎時(shí)不會(huì)完全破碎成粉狀。為了驗(yàn)證破碎粒徑對(duì)改良效果的影響，本次試驗(yàn)不進(jìn)行完全破碎，而是控制泥巖破碎粒徑的大小和比例進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。采用最優(yōu)含水率和0.95壓實(shí)度，除泥巖粒徑外，主要變量為土樣粒徑和配合比，試驗(yàn)用土樣粒徑和配合比見(jiàn)表2。將干濕循環(huán)的脹縮變形和質(zhì)量損失率作為評(píng)價(jià)改良土質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

表2 試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)步驟

1）按表2稱(chēng)量材料，泥巖不完全破碎以獲取大粒徑巖塊。

2）攪拌時(shí)避免破碎泥巖塊，參照TB 10102—2010采用Z1擊實(shí)試驗(yàn)制樣，每組試驗(yàn)2個(gè)試樣，編號(hào)1號(hào)和2號(hào)。

3）在測(cè)量臺(tái)座上測(cè)量1號(hào)試樣高度，用天平測(cè)量1號(hào)試樣的質(zhì)量。測(cè)定剩余試樣含水率，計(jì)算2號(hào)試樣的干質(zhì)量。

4）將樣品放入養(yǎng)護(hù)箱中（21±2）℃的溫度和100%的相對(duì)濕度養(yǎng)護(hù)7 d成型，測(cè)定并記錄1號(hào)試樣（含水率和體積變化的試樣）的質(zhì)量和高度。

5）將試樣浸入室溫下的飲用水中5 h，然后取出。測(cè)定并記錄1號(hào)試樣的質(zhì)量和高度。

6）將兩個(gè)試樣放在（75±3）℃的烘箱中42 h，然后取出。測(cè)定并記錄1號(hào)試樣的質(zhì)量和高度。

7）用鋼絲刷在臺(tái)秤上均勻垂直刷蹭2號(hào)試樣所有表面，刷蹭時(shí)臺(tái)秤示值0.8～1.2 kg，刷蹭18～20次。

8）步驟（5）—步驟（7）構(gòu)成一個(gè)干濕循環(huán)周期（48 h），再次將標(biāo)本浸入水中，并繼續(xù)進(jìn)行12個(gè)循環(huán)。

2.4 結(jié)果處理

計(jì)算試樣成型時(shí)的質(zhì)量損失率，其中循環(huán)后干重是指改良土試件經(jīng)12次干濕循環(huán)后，將其放入烘箱中在105～110℃條件下烘干至恒重的質(zhì)量。

此計(jì)算方法與美國(guó)ASTM的計(jì)算方法稍有不同，美國(guó)ASTM計(jì)算方法修正了參與水泥水化反應(yīng)的用水量，看似準(zhǔn)確但不具有實(shí)際意義?？紤]到固化劑與土、水之間的化學(xué)反應(yīng)不斷變化，其修正值無(wú)法確定，本文試驗(yàn)中的含水率計(jì)算采用TB 10102—2010規(guī)定的計(jì)算方法，能有效反映固化劑的固化效果且更具可操作性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣干濕循環(huán)過(guò)程破壞情況見(jiàn)表3?？芍孩?2組試驗(yàn)樣品中有6組完全破壞，無(wú)法完成全部試驗(yàn)周期，另外6組經(jīng)過(guò)了12個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)周期并未損壞。②2#試樣第1次泡水即崩解破壞，無(wú)法開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)；10#試樣經(jīng)過(guò)12次干濕循環(huán)后仍未完全破壞。可見(jiàn)泥巖顆粒粒徑對(duì)改良土性能影響較大，施工時(shí)保證填料破碎程度20 mm以下有利于保證改良土干濕循環(huán)耐久性能。

表3 試樣干濕循環(huán)過(guò)程破壞情況

只摻加石灰的試樣全部損壞，是因?yàn)槭仪捌趶?qiáng)度較低，無(wú)法抵抗干濕循環(huán)破壞。只摻加9%水泥的試樣也完全損壞，摻加12%水泥的試樣完成12個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程，是因?yàn)樗鄵搅?%的試樣抗干濕循環(huán)能力不足，摻加12%水泥才可以具備抵抗12次干濕循環(huán)的能力。同時(shí)摻加水泥和石灰、固化劑總量為9%的試樣也可完成12個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程不破壞，兩種改良劑協(xié)同作用，既增強(qiáng)改良土前期強(qiáng)度又能減弱其膨脹性，有利于形成干濕循環(huán)性能優(yōu)良的改良土。

干濕循環(huán)試驗(yàn)后試樣變形見(jiàn)圖2?？芍?，泥巖的高度變形率為-0.47%～0.53%，粉細(xì)砂高度變形率為-0.05%～0.04%，粉黏土高度變形率為-0.20%～0.10%。干濕循環(huán)作用下改良粉細(xì)砂的試樣抗變形能力優(yōu)于改良粉黏土優(yōu)于改良泥巖。該試驗(yàn)方法有效區(qū)分了三種土的干濕循環(huán)抗耐久性。

圖2 干濕循環(huán)試驗(yàn)后試樣變形

4 結(jié)論

1）通過(guò)干濕循環(huán)質(zhì)量損失率和脹縮變形量值，明確區(qū)分了不同性質(zhì)土的干濕循環(huán)耐久性能，可為改良土干濕循環(huán)耐久性研究提供試驗(yàn)方法基礎(chǔ)。

2）采用水泥石灰混合固化劑9%或水泥12%改良后的微膨脹性泥巖，干濕循環(huán)脹縮性可達(dá)到±0.5%以下，6%水泥改良后的粉黏土脹縮性可達(dá)到±0.1%以下，6%水泥改良后的粉細(xì)砂脹縮性可達(dá)到±0.2%以下。可為鐵路建設(shè)中改良土應(yīng)用提供參考。

3）軟弱泥巖可以通過(guò)化學(xué)改良改善其干濕循環(huán)耐久性能，建議控制改良粒徑在20 mm以下。