水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

唐云偉，童 磊，張國(guó)棟，楊 俊

(1．宜昌市交通運(yùn)輸局，湖北宜昌443002;2．三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

0 引言

膨脹土在我國(guó)的分布范圍很廣，是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊粘土，主要由強(qiáng)親水性礦物伊利石和蒙脫石組成。一般承載力較高，具有超固結(jié)性、崩解性以及浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，工程性質(zhì)極不穩(wěn)定，因此在現(xiàn)行的公路設(shè)計(jì)規(guī)范中，膨脹土被列為D類(lèi)填料，規(guī)定不能直接作為路基填料。膨脹土路基常見(jiàn)的病害有:路基沉陷、基床翻漿冒泥、下沉外擠、路肩鼓脹、邊坡滑塌等，這主要是由于膨脹土承載力不足，外荷載超過(guò)了自身所能抵抗的極限強(qiáng)度。因而，如何對(duì)膨脹土進(jìn)行改良處理，使其強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到路用要求成為了亟待解決的問(wèn)題之一。工程中常用的膨脹土處理方法可歸結(jié)為物理改良和化學(xué)改良兩大類(lèi)，其中化學(xué)改良方法是在膨脹土中摻入石灰、水泥、粉煤灰或合成固化劑等材料，通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)改變膨脹土的不良工程性質(zhì)，使其達(dá)到路基填料的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)水泥改良膨脹土在高速公路路基工程中被廣泛應(yīng)用，具有較好的研究及應(yīng)用前景。

表征水泥改良膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)有:加州承載比(CBR)、抗剪強(qiáng)度、回彈模量以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各改良材料下膨脹土的CBR值、回彈模量、抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律做了大量研究，研究發(fā)現(xiàn):水泥改良膨脹土的抗剪強(qiáng)度、CBR值以及回彈模量與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)性，改良效果較好。但對(duì)水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度的研究相對(duì)較少，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是指試件在無(wú)側(cè)向壓力的條件下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，是進(jìn)行路基設(shè)計(jì)的主要力學(xué)參數(shù)之一。本文結(jié)合湖北宜昌小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程，擬采用摻入一定量的水泥這一化學(xué)改良方法來(lái)提高膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，探討水泥摻量養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)，深入分析了改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，對(duì)膨脹土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 水泥改良膨脹土機(jī)理

水泥是目前我國(guó)膨脹土改良技術(shù)中使用最為普遍的材料之一，普通硅酸鹽水泥主要的化學(xué)成分是氧化鈣、二氧化硅、三氧化鋁及三氧化二鐵等。水泥對(duì)膨脹土的改良效果主要體現(xiàn)在在三個(gè)方面:水泥的水解及水化反應(yīng)、離子交換和團(tuán)粒化作用、碳酸化作用。

膨脹土中摻入水泥之后，會(huì)發(fā)生一系列的水解和水化反應(yīng)，水化生成了硅酸鹽、鋁酸鹽和氫氧化鈣，氫氧化鈣繼而跟粘土中的礦物成分發(fā)生反應(yīng)，生成了膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)了土顆粒之間的連接強(qiáng)度。同時(shí)，一部分水泥顆粒與活性黏土顆粒發(fā)生離子交換和團(tuán)粒化反應(yīng)，土顆粒表面吸附的陽(yáng)離子Na+和K+離子與水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca+離子發(fā)生吸附交換，使較小的土顆粒團(tuán)聚形成較大的土顆粒，改善了土顆粒的吸水性能，提高了土體的整體強(qiáng)度。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，生成的硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物在水中和空氣中發(fā)生硬凝反應(yīng)，使得土體變得更加密實(shí)，滲透性降低，水穩(wěn)性增強(qiáng)。另一方面，未參與水化反應(yīng)的水泥顆粒自身發(fā)生硬化反應(yīng)，從而在土體中形成了水泥石骨架，起到了一定的支撐作用，促使水泥改良膨脹土的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

國(guó)內(nèi)外眾多試驗(yàn)研究表明:水泥改良膨脹土能顯著提高膨脹土的強(qiáng)度特性，隨著水泥摻量的增加，改良膨脹土的強(qiáng)度也會(huì)逐漸提高，有研究表明:當(dāng)水泥摻量由5%提高至20%時(shí)，改良膨脹土軸心抗壓強(qiáng)度可提高5倍左右。但水泥摻入量通常有一個(gè)合理的范圍。當(dāng)水泥摻入量過(guò)大時(shí)，水化反應(yīng)所需的水質(zhì)量增加造成膨脹土干燥收縮，土體產(chǎn)生裂縫，從而對(duì)改良膨脹土的路用性能造成了影響。因此，從技術(shù)效果和改良成本的角度綜合考慮，水泥摻量控制在2% ～10%直剪較為合理。

2 試驗(yàn)材料

2．1 膨脹土

試驗(yàn)用土取自湖北宜昌小溪塔至鴉鵲嶺一級(jí)公路改建工程K25路段。該土樣為灰白色，中間夾雜灰綠色粘土條帶，呈硬塑狀，水平裂隙發(fā)育，含有較多的鐵錳質(zhì)結(jié)核。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)對(duì)土樣進(jìn)行液塑限試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、比重實(shí)驗(yàn)及顆粒分析等試驗(yàn)，測(cè)得該膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:比重2．66，天然含水率 29．43%，液限 70．53%，塑限 24．09%，塑性指數(shù)46．44，＜0．05mm 粘粒含量為17．14%，最大干密度1．89g/cm3，最佳含水率12．89%，自由膨脹43%。根據(jù)相關(guān)規(guī)范可判定該膨脹土為高液限黏土，膨脹性較弱。

2．2 水泥

試驗(yàn)用水泥采用三峽牌普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為32．5，比重 3．1，燒失量 4%，氧化鎂含量 3．5%，細(xì)度350m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度27．5%，安定性檢驗(yàn)合格。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方法按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)和《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)進(jìn)行。為研究水泥摻量對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)中水泥的摻量分別為:3%、5%、7%、9%。每種水泥摻量下的改良膨脹土根據(jù)擊實(shí)所得到的最佳含水率和最大干密度制樣，每組制備9個(gè)平行試樣，齡期分別為 7d、14d、28d。

具體制作方法:取具有代表性的風(fēng)干膨脹土置于橡膠墊上用木錘碾碎，過(guò)5mm標(biāo)準(zhǔn)篩，并測(cè)其風(fēng)干含水率，然后分別將膨脹土配至預(yù)定的含水率(預(yù)留1%的水)，置于塑料袋中燜料一晝夜。在試件成型錢(qián)1h內(nèi)，按照預(yù)定的水泥摻量，將水泥摻入膨脹土中拌合均勻，并將預(yù)留的1%的水加入土中時(shí)，混合料的含水率達(dá)到規(guī)定的含水率，在1h內(nèi)完成全部試件的成型工作。采用圓柱形試模，試模尺寸為φ10cm×10cm，混合料分3次灌入試模，每次灌入后后夯棒插實(shí)見(jiàn)圖1。試件采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，成型后立即脫模，稱(chēng)取試件的質(zhì)量m，量取直徑D和高度h后放入塑料袋中密封，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)預(yù)定齡期。

圖1 水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

養(yǎng)護(hù)完成后，將試件置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中加載速率控制為1mm/min。記錄試件破壞時(shí)的最大壓力P(N)。計(jì)算每組試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差S、變異系數(shù)CV和95%保證率的值Rc0．95。取誤差滿足規(guī)范要求強(qiáng)度值平均值為最后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，見(jiàn)圖2。

圖2 抗壓試驗(yàn)后破壞的試件

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(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)的要求，養(yǎng)護(hù)完成后，稱(chēng)取試件質(zhì)量，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的高度，精確至0．1mm。將試件放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中保持加載速率為1mm/min。經(jīng)過(guò)一系列的室內(nèi)試驗(yàn)研究，得到了不同水泥摻量及不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，見(jiàn)表1。

表1 不同水泥摻量及不同養(yǎng)護(hù)齡期下改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)

4．1 水泥摻量對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

以水泥摻量為橫坐標(biāo)，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，得到了水泥摻量對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出:

(1)水泥摻量對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有較大影響，通過(guò)調(diào)整水泥摻量，可顯著提高膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖3 水泥摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

(2)隨著水泥摻量的增加，改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。水泥摻量從0%增長(zhǎng)至3%時(shí)，各養(yǎng)護(hù)齡期下的改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不大，其中最大增長(zhǎng)幅度僅為0．22MPa。當(dāng)水泥摻量由3%增長(zhǎng)至7%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅增加，增長(zhǎng)幅度約占總增長(zhǎng)值的75%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:當(dāng)水泥摻入膨脹土之后，水泥發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成了膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)了土顆粒之間的連接作用;另一方面，由于離子交換、團(tuán)?；饔?、凝硬反應(yīng)及碳酸化作用，增大了土顆粒表面的吸附活性，使較大的土顆粒進(jìn)一步團(tuán)聚，團(tuán)粒的增大使得膨脹土的塑性減小，強(qiáng)度增大，水泥的摻入同時(shí)促進(jìn)了改良膨脹土自身骨架的形成，從而使得膨脹土抗壓強(qiáng)度不斷提高。

(3)當(dāng)水泥摻量進(jìn)一步增大時(shí)，水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍逐步增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度不大，約占總增長(zhǎng)幅度的16%。這是因?yàn)樗嗟膿搅窟^(guò)多會(huì)大量消耗土顆粒表面吸附的自由水，使得土體因失水收縮而開(kāi)裂;另一方面消耗的自由水過(guò)多，導(dǎo)致水化反應(yīng)不能完全進(jìn)行，影響了改良膨脹土強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，再者由于發(fā)生了水化及水解反應(yīng)，水泥自身的體積也會(huì)有所收縮，造成裂縫數(shù)量和寬度進(jìn)一步增加，影響了土體的整體穩(wěn)定性及水穩(wěn)性，抵消了部分由與水泥的摻入所帶來(lái)的強(qiáng)度的增加，因而隨著水泥摻量的繼續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度變緩。這表明:水泥摻量并不是越多越好，摻入水泥的比例有一個(gè)合理的范圍。

4．2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

將不同水泥摻量改良膨脹土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以養(yǎng)護(hù)齡期為橫坐標(biāo)，以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，得到了養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出:

(1)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各水泥摻量下的改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加。

(2)原狀土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化不明顯，強(qiáng)度隨齡期的變化曲線基本上趨于一條直線，這是因?yàn)樵瓲钔林胁簧婕盎瘜W(xué)反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)于其強(qiáng)度的增長(zhǎng)意義不大。水泥改良膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增大比較明顯，其中強(qiáng)度主要的增長(zhǎng)來(lái)自前14d的養(yǎng)護(hù)，隨著齡期的繼續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度變緩并趨于一穩(wěn)定值，分析曲線形狀可看出，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期可用二次函數(shù)擬合，且相關(guān)性較好。

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

(3)養(yǎng)護(hù)齡期由14d增至28d時(shí)，隨著水泥摻量的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度先增大后減小，其中水泥摻量為7%時(shí)，增長(zhǎng)幅度最大，為0．18MPa。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)后期所發(fā)生的碳酸化反應(yīng)較為緩慢，隨著水泥摻量的增加，后期所參與發(fā)生碳酸化反應(yīng)的水泥增多，因此無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅逐漸增大。當(dāng)水泥摻量進(jìn)一步增大時(shí)，由于含水率所限，導(dǎo)致土體內(nèi)部收縮開(kāi)裂，從而造成7%水泥改良膨脹土后期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大于9%水泥改良膨脹土。

5 結(jié)論

通過(guò)摻水泥改良膨脹土，研究了水泥改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系，可以得出如下結(jié)論:

(1)通過(guò)摻入水泥水泥可有效提高改良膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，隨著水泥摻量的增加，改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但水泥摻量有一個(gè)合理的范圍，綜合考慮各方面的因素及相關(guān)規(guī)范要求，建議水泥摻量控制在7%左右。

(2)齡期對(duì)改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯影響，隨著齡期的增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，大部分強(qiáng)度都來(lái)自于前14d的養(yǎng)護(hù)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期呈良好的二次函數(shù)關(guān)系。

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