水泥改良粉細(xì)砂在干濕環(huán)境下力學(xué)性能試驗(yàn)研究

雷 杰，黃志軍

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

改良土是近年來在缺乏可用性的路基填料地區(qū)中廣泛采用的一種填料。近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)路基填料改良土的工程性質(zhì)也進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)［1］中通過試驗(yàn)，研究了水泥改良粉質(zhì)黏土的工程性質(zhì)，得出了不同摻入料改良粉質(zhì)黏土的最佳配合比。楊廣慶、荀國(guó)利以路基對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求為基本依據(jù)，分析了用于路基填料的水泥改良土、石灰改良土的特點(diǎn)和使用條件［2］。趙明龍、王建華等對(duì)多次干濕循環(huán)過程引起的水泥改良土循環(huán)疲勞強(qiáng)度衰減程度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水泥改良土的循環(huán)疲勞強(qiáng)度衰減隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸趨于穩(wěn)定［3］。王建華、高玉琴對(duì)干濕循環(huán)過程導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度衰減機(jī)理進(jìn)行研究，得出改良土料中的黏粒是引起干濕循環(huán)過程中強(qiáng)度降低的一個(gè)主要因素，適當(dāng)降低改良土料中黏粒的相對(duì)含量，可以有效提高干濕循環(huán)后改良土體的強(qiáng)度特性［4］。以上的研究表明，過去人們更多的關(guān)注改良后路基填料的基本工程性質(zhì)，關(guān)注反復(fù)干濕循環(huán)之后對(duì)填料強(qiáng)度的影響及其影響機(jī)理，但對(duì)于長(zhǎng)期處于某種環(huán)境條件下(長(zhǎng)期干燥、長(zhǎng)期潮濕)填料的工程性質(zhì)還缺乏探討。這在實(shí)際工程中是十分重要的。本文通過試驗(yàn)，探究長(zhǎng)期處于干燥環(huán)境和長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)環(huán)境以及反復(fù)干濕環(huán)境中改良土的力學(xué)特性，為評(píng)價(jià)路基土體的狀態(tài)提供有利的幫助。

1 改良試驗(yàn)方法及過程

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

試驗(yàn)選用325#普通硅酸鹽水泥作為改良劑。試驗(yàn)土樣取自實(shí)際工程(大塔至馬場(chǎng)壕鐵路)現(xiàn)場(chǎng)中需改良的粉細(xì)砂砂土。擾動(dòng)砂土的級(jí)配曲線見圖1，顆粒相對(duì)密度為2.64g，最大干密度為1.81 g/cm3，風(fēng)干砂土樣的含水率約0.5%。

圖1 擾動(dòng)砂土級(jí)配曲線

本試驗(yàn)采用一種類型的改良方案，即水泥與砂土質(zhì)量比為5∶95，采用3種不同的壓實(shí)度來制作試樣，改良土的物理指標(biāo)見表1。

表1 改良土的物理參數(shù)

1.2 試樣制作及試驗(yàn)過程

按照表1所示的質(zhì)量配比稱取一定量的水泥和砂土，按照最優(yōu)含水率計(jì)算其所需水量，然后進(jìn)行拌合。拌合均勻后開始制樣并測(cè)量實(shí)際含水率，試樣大小為直徑3.8 cm，高8.0 cm．試樣數(shù)為36個(gè)，其中每一種壓實(shí)度下的試樣為12個(gè)。試樣制好后分別編號(hào)并記錄每個(gè)試樣的初始質(zhì)量，然后用保鮮膜裹好，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

將達(dá)到一定養(yǎng)護(hù)齡期的試樣取出，每種壓實(shí)度分別為3個(gè)。然后進(jìn)行相關(guān)環(huán)境條件下的試驗(yàn)。

干循環(huán)—脫水過程(用于模擬路基在干燥環(huán)境下的狀態(tài))，是將試樣放在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干，10 d后測(cè)其質(zhì)量損失、含水率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

干—濕循環(huán)(用于模擬路基在晴雨天交替環(huán)境中的狀態(tài))，是先將試樣埋入飽和的濕沙中24 h之后拿出，然后再放在自然條件下風(fēng)干24 h，這樣算是一個(gè)完整的循環(huán)，如此5個(gè)循環(huán)之后測(cè)其質(zhì)量損失、含水率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。表2為改良土具體的試驗(yàn)方案。

濕循環(huán)—吸水過程(用于模擬路基在連續(xù)雨天環(huán)境下的狀態(tài))，是將試樣用吸水濾紙裹好，埋入飽和的濕砂中，10 d后測(cè)其質(zhì)量損失、含水率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

表2 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將循環(huán)完成后的試樣放在TSZ-6A型應(yīng)變控制式三軸儀上進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，應(yīng)變速率為4 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

以試樣的養(yǎng)護(hù)齡期為橫坐標(biāo)，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制相同壓實(shí)度、不同環(huán)境條件下試樣強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線，見圖2。

由圖2可見，在相同水泥摻量的情況下，不同壓實(shí)度的試樣強(qiáng)度變化形態(tài)是相同的。進(jìn)行干循環(huán)的試樣的強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，在7 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間之內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，之后隨著齡期的延長(zhǎng)，增長(zhǎng)速率減緩;進(jìn)行濕循環(huán)的試樣的強(qiáng)度也隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，不同的是在這種環(huán)境下，增長(zhǎng)速率基本相同;進(jìn)行干—濕交替循環(huán)試驗(yàn)的試樣強(qiáng)度，開始隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間大概7 d時(shí)強(qiáng)度最大，之后隨著齡期的增長(zhǎng)強(qiáng)度逐漸減小。齡期≤14 d的試樣，在干濕交替環(huán)境中的試樣強(qiáng)度均高于同齡期處于單一環(huán)境中的試樣強(qiáng)度。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間≤14 d的試樣強(qiáng)度還沒有完全形成，其后期的強(qiáng)度發(fā)展還有很大的空間。干燥環(huán)境中氣體流通加速水分的散失，水泥發(fā)生水化反應(yīng)的水分不足，后期形成的強(qiáng)度很小;潮濕環(huán)境中水分充足，但空氣流通不暢，也難以發(fā)生水化反應(yīng);而干—濕環(huán)境中的試樣，既有水化反應(yīng)所需的水分，而且有充足的氣體，這樣就保證了后期強(qiáng)度的形成。

表3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系

2.2 含水率

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，稱取一定量的試樣碎塊，放入烘箱中，計(jì)算其含水率，結(jié)果見表4。

表4 循環(huán)后試樣含水率

圖3為含水率隨齡期變化曲線，可以看出，壓實(shí)度不同時(shí)，含水率隨齡期變化趨勢(shì)基本上是一致的。

圖3 含水率隨齡期變化曲線

不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣在進(jìn)行干循環(huán)(脫水)后的含水率基本上接近擾動(dòng)砂土的含水率，均值大約為0.5%。進(jìn)行干—濕循環(huán)的試樣在循環(huán)完成后的含水率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而有所提高;

進(jìn)行濕循環(huán)的試樣，在循環(huán)完成后的含水率先是隨著齡期的增加而提高，隨后又隨著齡期的增加含水率逐漸減小，在7 d與14 d之間時(shí)處于最大值。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，試樣內(nèi)部進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)較少，強(qiáng)度還較低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)。處于潮濕環(huán)境中時(shí)自然有大量水分進(jìn)入，齡期越短存儲(chǔ)的水分就越多，但后期強(qiáng)度的形成以及化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行也會(huì)消耗越多的水分，因此剩余的水分就會(huì)相對(duì)較少，隨著齡期的增長(zhǎng)，試樣的強(qiáng)度基本形成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí)，外界水分難以滲入，因此含水率會(huì)變小。

2.3 質(zhì)量變化

循環(huán)試驗(yàn)完成后測(cè)量每個(gè)試樣的質(zhì)量，并與初始值相比較，計(jì)算每個(gè)試樣的質(zhì)量變化。結(jié)果見表5，繪制不同環(huán)境下質(zhì)量損失率與齡期變化曲線圖，如圖4所示。

圖4表明，壓實(shí)度不同的情況下，試樣質(zhì)量損失的變化形態(tài)是一致的。進(jìn)行干循環(huán)和干—濕循環(huán)的試樣，其質(zhì)量損失率隨著齡期的增加而減小;進(jìn)行濕循環(huán)的試樣，總體來說試樣質(zhì)量比循環(huán)前的試樣質(zhì)量都有所增加，質(zhì)量增量先隨齡期的增加而變大，之后隨齡期的增加而減小，14 d齡期的試樣質(zhì)量增量達(dá)到最大值。

綜合對(duì)照?qǐng)D3和圖4可以看出，兩者的變化規(guī)律基本吻合，其原因是在試驗(yàn)過程中質(zhì)量損失主要是由水分的流失所引起的。

3 結(jié)論

1)壓實(shí)度的不同對(duì)本次試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律影響不明顯。

2)干循環(huán)試驗(yàn)中，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高;質(zhì)量損失隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減小;而最終含水率與砂土的含水率接近。

3)干—濕循環(huán)試驗(yàn)中，試樣的強(qiáng)度先隨齡期的增加而增大，齡期為7 d的試樣強(qiáng)度達(dá)到極值，之后強(qiáng)度又隨齡期增加而減小;質(zhì)量損失隨齡期增加而減小;含水率隨齡期增大而增大。

4)濕循環(huán)試驗(yàn)中，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期成正相關(guān)關(guān)系;質(zhì)量變化先隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增加，齡期為14 d的試樣質(zhì)量增加值最大，之后又隨著齡期的增長(zhǎng)試樣質(zhì)量的增加值有所減小;含水率先隨齡期增長(zhǎng)而變大，齡期大約為10 d的試樣含水率達(dá)到極值，其后含水率又隨齡期增長(zhǎng)而減小。

5)養(yǎng)護(hù)齡期在14 d之內(nèi)的試樣，在干—濕交替環(huán)境中的強(qiáng)度均高于同齡期處于單一環(huán)境中的試樣強(qiáng)度。

［1］ 要文堂．高速鐵路路基粉粘土填料改良技術(shù)的探討及應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(1):18-22．

［2］ 楊廣慶，荀國(guó)利．高速鐵路路基改良土的有關(guān)問題［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(5):15-16．

［3］ 趙明龍，王建華，梁愛華．干濕循環(huán)對(duì)水泥改良土疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2005，26(2):25-28．

［4］ 王建華，高玉琴．干濕循環(huán)過程導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度衰減機(jī)理的研究［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(5):23-27．

［5］ 鄧天天，吳斌，屈暢姿，等．花崗巖全風(fēng)化物及其改良土的擊實(shí)試驗(yàn)分析［J］．鐵道建筑，2009(4):122-125．