摘要：將工程建設中產生的細顆粒棄土采用水泥改良后將其資源化利用，可以有效減少工程投資，但水泥對細顆粒土抗壓強度的影響規(guī)律尚不清楚，強度提高的微觀機理還沒有揭示。為此，采用無側限抗壓試驗研究了水泥摻量，養(yǎng)護齡期對無側限抗壓特性的影響，并采用掃描電鏡試驗揭示水泥的改良機理。研究結果表明：細顆粒土中摻入水泥可以顯著提供無側限抗壓強度及彈性模量E50，水泥改良細顆粒土具有早強性能；隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)護時間的增加，試樣單位體積內的總能量在逐漸增加，水泥改良可以顯著提高細顆粒土的無側限抗壓強度。

關鍵詞：細顆粒土；水泥；無側限抗壓；微觀結構

中圖分類號：TQ172.7文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0059-04

Analysie of compressive strength and characteristics of fine-grained soils for cement-improved roadbeds

ZHANG Bin1，ZHAO Chengwei2

（1.China Construction Infrastructure Co.，Ltd.，Beijing 100089，China；

2.Guangxi Transportation Science Engineering Construction Co.，Ltd.，Nanning 530012，China）

Abstract：The fine-grained spoil generated in the construction of the project can be effectively reduced by using ce?ment to improve its resource utilization，but the influence of cement on the compressive strength of fine-grained soil is not clear，and the microscopic mechanism of strength improvement has not been revealed.Therefore，the effects of cement content and curing age on the unconfined compressive characteristics were studied by unconfined com?pressive test，and the improvement mechanism of cement was revealed by scanning electron microscope test.There?sults showed that cement doping in fine-grained soil significantly provided the unconfined compressive strength and modulus of elasticity E50，and the cement-improved fine-grained soil had the property of early-strengthening.The total energy per unit volume of the specimen increased gradually with the increase of cement doping and the in?crease of the maintenance time，the cement improvement can significantly improve the unconfined compressive strength of fine-grained soils.

Key words：fine-grained soil；cement；unconfined compressive strength；microstructure

我國幅員遼闊，地形地貌復雜多變，地質條件變化多樣，線路交通基礎設施建設中，多用到線路沿線工程建設產生的棄土和棄渣，一方面可以減少從其他地域運輸填料產生的工程建設投資，另一方面還可以減輕棄土棄渣帶來的環(huán)境污染問題，拓展棄土棄渣資源化利用的應用場景。

細顆粒土在我國廣泛分布，具有抗剪強度低、抗?jié)B性能差、抗壓剛度不足以及遇水后強度及剛度顯著下降的力學特性。為能更好的利用細顆粒土，做到資源化利用，需要對其進行改良。

常用的細顆粒土改良方法主要有水泥、石灰、粉煤灰改良，此外還有在細顆粒土中摻入化學高分子材料來進行改良，但因水泥改良土應用范圍廣、改良效果好，目前已廣泛應用在土體改良領域。劉萬樂、李霞等[1-8]研究了水泥改良土的抗剪及抗壓力學性能，研究表明，隨著水泥摻量的增加，改良試樣無側限抗壓強度隨著水泥摻量先增大后減小，存在一個最優(yōu)水泥摻量，但最優(yōu)水泥摻量并不是一個定值，水泥最優(yōu)摻量的范圍在4～10%之間。陳雪峰、魏唐中等[9-11]通過掃描電鏡試驗、礦物成分檢測試驗得出，水泥在長時間的養(yǎng)護過程中，會生成膠凝物質，膠結相鄰土顆粒，此種膠凝物質主要的成分為水化硅酸鈣、水化硅鋁酸鈣等，與混凝土中的水化產物種類相同。趙麗君、成次次等[12-13]還研究了水泥改良土體的膨脹性能，研究表明在土中摻入一定比例的水泥后，土體中的膨脹性礦物會被溶蝕，水泥可以顯著改善土體的膨脹性。但目前對水泥改良細顆粒土的研究還鮮有報道，很有必要對其進行深入研究。

基于此，本研究擬采用無側限抗壓試驗，研究水泥改良土中水泥摻量及養(yǎng)護時間對無側限抗壓性能的影響，采用掃描電鏡試驗從微觀角度揭示水泥對細顆粒土的改良機理。研究結果可為水泥改良細顆粒土的工程應用提供參考。

1試驗材料與試驗方法

1.1試驗材料

本研究所用試驗用土取自某在建高速公路路基，將試驗用土取回后晾曬風干，而后測定其基本物理性質。因顆粒粒徑較小，采用馬爾文試驗測定試驗用土的顆粒級配，經測試知試驗用土顆粒粒徑全部小于2 mm，不均勻系數(shù)為6.2，曲率系數(shù)為1.7，表明土顆粒粒徑分布均勻且級配良好。采用擊實試驗確定試驗用土的最大干密度及最優(yōu)含水率。

經測試所用細顆粒土最大干密度為1.86 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.3%，且通過飽和曲線可知，試驗用土的最優(yōu)飽和度為80%。

試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥，型號P.C42.5。

1.2試驗方案與試樣制備

為研究養(yǎng)護齡期對細顆粒土強度的影響，對養(yǎng)護時間為3、7、14、28 d的細顆粒水泥改良土（以下簡稱水泥改良土）進行無側限抗壓試驗，以明確養(yǎng)護時間對水泥改良土無側限抗壓強度的影響規(guī)律[14]。為研究水泥摻量對無側限抗壓強度的影響，對水泥摻量為2%、4%、6%、8%的改良試樣進行研究，為從微觀角度揭示水泥對細顆粒土的改良機理，對部分水泥改良土進行SEM試驗[15]。

式中：cc為水泥摻量，單位%；mc為干水泥質量，單位g；ms為干土質量，單位g。

將試驗所用細顆粒土與水泥放入105℃烘箱烘干后，按照式（1）計算水泥摻量，采用手動拌合均勻后，按照目標含水率噴灑一定質量的水配置為試驗用土，裝入塑料袋中密封保存24 h后進行制樣。制樣方案采用靜壓成型制樣方法，分五層靜壓為高度100 mm，直徑50 mm的圓柱樣，而后進行標準養(yǎng)護。

2試驗結果與分析

2.1無側限抗壓特性分析

水泥改良土應力-應變曲線如圖1所示。

由圖1可知：不同水泥摻量改良土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加逐漸增大，相較于未改良細顆粒土，水泥改良土應力-應變曲線更陡，摻入水泥顯著提高了細顆粒土的彈性模量，但無側限抗壓強度隨著水泥摻量增加而增大并非是由于不同摻量下改良土的彈性模量有較大差異，因為圖1（a）中，摻入水泥試樣的應力-應變曲線在初始階段聚在一起，并沒有隨著水泥摻量的增加應力-應變曲線變得更陡，故無側限抗壓強度提高的原因是由于摻入水泥后彈性階段延長，峰值應變增大。養(yǎng)護齡期對應力-應變曲線的影響如圖1（b）所示，隨著養(yǎng)護齡期的增加，試樣應力-應變曲線逐漸變得更陡，峰值強度變得更大，但試樣的峰值應變在逐漸減小，反映出水泥改良試樣隨著養(yǎng)護時間的增加，脆性逐漸增強，故無側限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增加的原因并非是由于峰值應變增加導致的，而是由于養(yǎng)護時間越長的試樣具有更高的彈性模量。

水泥改良土割線模量的變化如圖2所示。

由圖2可知，隨著應變的增加，割線模量首先保持不變，反映出該階段試樣的變形處于彈性階段，隨后割線模量隨著應變增加緩慢減小，反映出該階段試樣的變形為彈塑性變形，而后割線模量顯著降低，表明試樣應變超過峰值應變后強度急劇下降，此后進入殘余強度階段，從不同水泥摻量割線模量演化圖可以發(fā)現(xiàn)，水泥改良試樣在較小的應變就達到了峰值強度，而未改良的細顆粒土在達到了較大的應變后才達到了峰值應力，養(yǎng)護齡期對割線模量的影響如圖2（b）所示，隨著養(yǎng)護齡期的增加，初始割線模量在顯著增大，養(yǎng)護時間在7～14 d階段，水泥改良土割線模量增加最為顯著。

水泥改良土彈性模量的變化如圖3所示。

由圖3可知，摻入水泥后可以顯著提高細顆粒土的彈性模量，但水泥摻量對彈性模量的影響較小，將水泥改良土彈性模量與未改良細顆粒土的彈性模量之比定義為E50增大系數(shù)，摻入水泥養(yǎng)護7d以后，E50增大系數(shù)就達到了2.23以上，摻入水泥可以顯著提高細顆粒土的彈性性能。養(yǎng)護時間對彈性模量的影響如圖3（b）所示，隨著養(yǎng)護時間的增加，彈性模量逐漸增加，即便只養(yǎng)護3 d，E50增大系數(shù)就達到了1.73，說明水泥改良細顆粒土具有顯著的早強性能。

在試樣達到峰值應力前，試樣變形經過了彈性階段和彈塑性階段，在達到峰值應力之前，試樣的總能量可以分為兩部分，一部分是由彈性變形引起的彈性能，另一部分是由顆粒間的摩擦、滾動導致的耗散能，能量計算如圖4所示。

由圖4可知，試樣在達到峰值應力時的總能量由①和②兩部分組成，總能量對應力-應變曲線積分即可以得到，彈性能通過三角形的面積計算，三角形斜邊的斜率為應力-應變曲線的初始模量，由于本試驗中初始割線模量與彈性模量E50相等，故三角形斜邊的斜率為彈性模量E50，耗散能則通過總能量減去彈性能獲得。

水泥改良土在達到峰值應力時的單位體積總能量變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著水泥摻量的增加，試樣單位體積內的總能量在逐漸增加，表明隨著水泥摻量的增加，試樣內部的結構更加致密，能抵抗更多的外部荷載，同樣隨著養(yǎng)護齡期的增加，試樣單位體積內的總能量在增加，養(yǎng)護時間在7～14 d范圍內，試樣能量增加最為顯著。將單位體積試樣在受壓過程中的耗散能和總能量之比定義為損傷因子，水泥摻量對損傷因子的影響如圖5（a）所示，說明摻入水泥改良以后，不僅增大了改良土的總能量，也增大了改良土的耗散能，摻入水泥改良細顆粒土增大耗散能的原因主要是由于水泥摻入以后生成膠凝物質將細顆粒土相互膠結，土顆粒之間通過膠凝物質聯(lián)結，相比于未改良的細顆粒土，土顆粒之間可以滑移更大的距離而不會形成貫通裂縫，故水泥改良土的耗散能更大。

2.2微觀機理

未改良細顆粒土和水泥改良細顆粒土的微觀結構如圖6所示。

由圖6可知，未改良細顆粒土呈扁平片狀，顆粒與顆粒之間咬合緊密，主要接觸形式為面面接觸和面邊接觸，水泥改良土中土顆粒表面附著有水泥水化形成的針狀水化產物，主要為水化硅酸鈣及水化硅鋁酸鈣，生成的水化產物填充在填充在土顆?？紫吨g，膠結了相鄰土顆粒，相比于未改良的細顆粒土，水泥改良土的土顆粒之間不僅有土顆粒之間的相互咬合和摩擦這種機械力作用，還由于水泥水化形成膠結物膠結土顆粒，增加了土顆粒之間的膠結力，所以水泥改良土的強度更高，彈性模量更高。

3結語

本文通過研究水泥改良土的無側限抗壓性能，明確了水泥摻量及養(yǎng)護時間對水泥改良土無側限抗壓強度、彈性模量E50、能量演化等力學特性，并通過SEM試驗揭示了水泥改良細顆粒土的改良機理，主要得到了以下結論：

（1）水泥改良細顆粒土無側限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增加的原因并非是由于峰值應變增加導致的，而是由于養(yǎng)護時間越長的試樣具有更高的彈性模量，但無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增加而增加的原因主要是由于峰值應變增加導致的；

（2）摻入水泥養(yǎng)護7d以后，E50增大系數(shù)就達到了2.23以上，即便只養(yǎng)護3 d，E50增大系數(shù)就達到了1.73，摻入水泥不但可以顯著提高細顆粒土的彈性模量，還具有顯著的早強性能；

（3）隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)護時間的增加，試樣單位體積內的總能量在逐漸增加，養(yǎng)護時間在7～14 d范圍內，試樣能量增加最為顯著，且未改良細顆粒土的損傷影子為0.18，摻入水泥改良以后損傷因子增大至0.24以上，摻入水泥改良以后，不僅增大了改良土的總能量，也增大了改良土的耗散能；

（4）水泥改良土中土顆粒表面附著有水泥水化形成的針狀水化產物，主要為水化硅酸鈣及水化硅鋁酸鈣，生成的水化產物填充在土顆?？紫吨g，膠結了相鄰土顆粒，增強了土顆粒之間的膠結作用，故水泥改良可以顯著提高細顆粒土的無側限抗壓強度。

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（責任編輯：張玉平）