孫芳

（河北省公路事業(yè)發(fā)展中心養(yǎng)護(hù)保通部，河北 石家莊 050000）

0 引言

路基是公路中的重要部分，路基的承載能力直接影響公路質(zhì)量的好壞，路基修建要求保證其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性。而路基建設(shè)中路基填料的性能是影響路基整體性能的關(guān)鍵因素，路基填料的選取一般是就地取材。在一些不良地質(zhì)地區(qū)修建公路，就地取材的路基填料需考慮其作為路基填料土的可用性，對(duì)不良土質(zhì)進(jìn)行改良處理使其性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，確保其作為路基填料的穩(wěn)定性。低液限粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)小、水敏感性強(qiáng)、不易壓實(shí)，力學(xué)性能差，不能作為路基填料使用，是公路路基建設(shè)中的一大難題。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于不良土質(zhì)改良進(jìn)行了一系列的研究，取得了一些研究成果。國(guó)外對(duì)于改良土的研究起步很早，對(duì)于超軟土、泥炭土、淤泥土等進(jìn)行了水泥改良的研究。我國(guó)的專家也對(duì)不良土質(zhì)改良進(jìn)行了研究探討，解決實(shí)際工程問(wèn)題。李智彥進(jìn)行了一系列的水泥土工程性能實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同摻量水泥土的工程性質(zhì)。王銀梅等為了優(yōu)化西北地區(qū)大量的濕陷性黃土的工程性質(zhì)，對(duì)黃土進(jìn)行水泥改良研究，提出了水泥黃土的“水硬性”性質(zhì)，有效防治了水泥濕陷性病害。張洪松研究發(fā)現(xiàn)水泥改良有機(jī)質(zhì)淤泥改良后強(qiáng)度不足0.8MPa，但對(duì)于砂質(zhì)土改良后強(qiáng)度為10MPa。董邑寧研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量高、酸堿度低的黏性土改良效果較差，不適宜采用水泥加固法。不同區(qū)域的粉質(zhì)黏土具有較大的區(qū)域特征，改良方法要具有一定的針對(duì)性，改良方法需要進(jìn)一步改進(jìn)。因此，本文以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行不同摻量水泥的改良。采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對(duì)水泥摻量2%、3%、4%、5%的改良粉質(zhì)黏土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)，分析不同摻量水泥對(duì)粉質(zhì)黏土的力學(xué)性能指標(biāo)的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 粉質(zhì)黏土基本物理性質(zhì)

本研究所用的粉質(zhì)黏土粉土含量較高、黏土含量較低、礦物活性度小，其基本物理性質(zhì)經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)初步測(cè)得，粒徑0.075～2mm 占52.6%，塑性指數(shù)9.1%，大于2%，小于10%，液限為23.7%，小于50%，屬含砂低液限粉土。粉質(zhì)黏土作為路基填料土，其強(qiáng)度低、易粉碎、不易壓實(shí)成型，使其在施工碾壓中易產(chǎn)生疊瓦狀剪切推移和分層現(xiàn)象，后期在水損和車輛荷載的作用下形成軟弱層，進(jìn)一步造成路面的早期破壞[11]。不經(jīng)改良的粉質(zhì)黏土是不符合路基填料使用要求的，且路基設(shè)計(jì)規(guī)定粉質(zhì)土不能直接作為路基填料直接使用，因此需要對(duì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行水泥改良的研究，以滿足路基填料的要求。

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)單摻不同比例下水泥改良粉質(zhì)黏土進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)，對(duì)不同摻量水泥改良土的性質(zhì)進(jìn)行分析總結(jié)。

摻配水泥含量為2%、3%、4%、5%的改良粉質(zhì)黏土，經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥改良粉質(zhì)黏土的最大干密度和最佳含水量。制備具有最佳含水率的水泥改良粉質(zhì)黏土，測(cè)定不同摻量水泥改良粉質(zhì)黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及回彈模量，并進(jìn)行水泥改良粉質(zhì)黏土的CBR 試驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定改良土的水泥最佳經(jīng)濟(jì)用量，使其滿足路基填料的工程要求，同時(shí)能降低工程成本。

2 數(shù)據(jù)分析

（1）擊實(shí)試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[12]。對(duì)不同水泥摻量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉質(zhì)黏土進(jìn)行了重型擊實(shí)試驗(yàn)，獲得了不同水泥摻量水泥改良粉質(zhì)黏土的最佳含水量和最大干密度，擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 2%水泥土擊實(shí)曲線圖

圖2 3%水泥土擊實(shí)曲線圖

圖3 4%水泥土擊實(shí)曲線圖

圖4 5%水泥土擊實(shí)曲線圖

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，改良土在含水率15%～17%間最大干密度急劇下降，說(shuō)明粉質(zhì)黏土摻配水泥后，水泥未發(fā)生反應(yīng)前，改良土仍具有較強(qiáng)的水敏感性。當(dāng)含水率大于15%，擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)試件有明顯的水滲出；當(dāng)含水率大于16%時(shí)，水泥改良土表現(xiàn)出類似彈簧特性，不易擊實(shí)成型。說(shuō)明當(dāng)含水率大于16%，土顆粒間的水變?yōu)橹饕芰Σ糠?，土顆粒間的空隙被水填滿，使得土體不易壓實(shí)成型。且土的密實(shí)度明顯下降，最大干密度隨之急劇下降。

水泥改良粉質(zhì)黏土摻配水泥后，其水泥未發(fā)生反應(yīng)前，仍具有很強(qiáng)的水敏感性，當(dāng)含水率超過(guò)16%時(shí)，改良土密實(shí)度明顯下降，最大干密度隨之急劇下降。

（2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）制備了不同齡期不同水泥摻量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉質(zhì)黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生測(cè)定了其7d、28d、60d 和90d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和圖5。

圖5 不同齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表1 各摻量不同齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度 單位：kPa

分別以不同水泥用量下90d齡期的抗壓極限強(qiáng)度為基準(zhǔn)，計(jì)算各齡期強(qiáng)度所占比例，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同水泥劑量的不同齡期的抗壓極限強(qiáng)度所占比例

由表1 和圖5 分析表明：水泥改良粉質(zhì)黏土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥的摻量增加而增強(qiáng)，7d 齡期強(qiáng)度與水泥摻量基本呈線性關(guān)系。由28d齡期抗壓強(qiáng)度分析可知，水泥摻量在2%～3%時(shí)抗壓強(qiáng)度增幅最大，水泥摻量為3%時(shí)28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.5MPa 左右。分析表2可知，水泥改良粉質(zhì)黏土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要集中在前60d，28d 強(qiáng)度達(dá)到90d 強(qiáng)度的35%～41%，60d 強(qiáng)度達(dá)到83%～92%，60d 以后的強(qiáng)度增長(zhǎng)非常緩慢；隨著水泥摻配量從2%增長(zhǎng)到4%，強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，從4%～5%，其強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度放緩。

（3）回彈模量

依據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）制備了不同齡期不同水泥摻量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉質(zhì)黏土抗壓回彈模量試件，通過(guò)頂面法測(cè)定了其7d、28d、60d 和90d 抗壓回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖6。

表3 不同齡期的抗壓回彈模量 單位：MPa

圖6 不同齡期的抗壓回彈模量與水泥摻配量的關(guān)系曲線圖

由圖6 分析可知，水泥改良粉質(zhì)黏土的回彈隨水泥摻量的增加而增大，水泥摻量為2%～4%時(shí)回彈模量增幅平緩，由4%～5%時(shí)回彈模量增幅較大。由回彈模量隨齡期增長(zhǎng)變化分析可知，7～28d 回彈模量增量最大，28～60d 回彈模量增量其次，60～90d 回彈模量增量最小，這與水泥的強(qiáng)度形成一致。

（4）承載比試驗(yàn)

依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）[13]制備了不同水泥摻量（0%、2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉質(zhì)黏土作為承載比試件，飽水4晝夜后，通過(guò)路面強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定了其承載比，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4和圖7。

表4 不同水泥劑量改良粉質(zhì)黏土的CBR值

圖7 不同水泥劑量改良粉質(zhì)黏土的CBR值曲線圖

由表4可知粉質(zhì)黏土的CBR值為4.5%，其作為路基填料不符合最小強(qiáng)度CBR 值的要求，經(jīng)水泥改良后其CBR 值大幅增加。由圖7 可知，水泥改良粉質(zhì)黏土的CBR 值與水泥摻量呈正線性相關(guān)關(guān)系，加入2%的水泥就可以達(dá)到填筑路基的要求，說(shuō)明水泥對(duì)于粉質(zhì)黏土特性的改良效果明顯。路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，高速公路和一級(jí)公路上路床的路基填料CBR 值要求達(dá)到8%以上，試驗(yàn)表明粉質(zhì)黏土中只要加入2%的水泥就可以滿足要求。

3 結(jié)論

本文選取低液限粉土為研究對(duì)象，針對(duì)其作為路基填料的力學(xué)性能指標(biāo)，摻加水泥進(jìn)行改良。通過(guò)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)的方法，對(duì)水泥改良土路用性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，得出以下結(jié)論：

（1）水泥改良粉質(zhì)黏土摻配水泥后，其水泥未發(fā)生反應(yīng)前，仍具有很強(qiáng)的水敏感性，當(dāng)含水率超過(guò)16%時(shí)，改良土密實(shí)度明顯下降，最大干密度隨之急劇下降。

（2）水泥改良粉質(zhì)黏土其強(qiáng)度與水泥摻量呈線性關(guān)系，摻量為3%時(shí)28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.5MPa 左右，28d 齡期強(qiáng)度達(dá)到最終強(qiáng)度的40%左右，60d 齡期強(qiáng)度到達(dá)最終強(qiáng)度的90%左右。

（3）水泥改良粉質(zhì)黏土回彈模量隨水泥摻量增加而增大，水泥摻量在4%～5%時(shí)的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，其回彈模量增長(zhǎng)特性與水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)關(guān)系一致，7d 到28d齡期回彈模量增長(zhǎng)最快。

（4）水泥改良粉質(zhì)黏土的CBR 值與水泥摻量呈正線性相關(guān)關(guān)系，經(jīng)水泥改良后粉質(zhì)黏土CBR 值由4%左右明顯增加到40%，當(dāng)使用2%的水泥劑量時(shí)，粉質(zhì)黏土CBR值即達(dá)到路基填料要求。