水泥改良土的物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

顏勝才

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

水泥改良土的物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

顏勝才

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

介紹了水泥改良土的作用機(jī)理，通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了水泥改良土擊實(shí)性、水穩(wěn)性、強(qiáng)度特性、剛度特性等物理力學(xué)特性。研究結(jié)果表明:水泥摻量對(duì)水泥改良土水穩(wěn)性的影響及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其強(qiáng)度的影響顯著，檢測(cè)時(shí)間對(duì)其地基系數(shù)K30測(cè)試結(jié)果影響最大。從水穩(wěn)性角度考慮，建議高速鐵路路基水泥改良土的水泥摻量不宜小于3%。

水泥改良土 物理力學(xué)特性 試驗(yàn)研究

我國(guó)高速鐵路建設(shè)發(fā)展快速，對(duì)優(yōu)質(zhì)路基填料的需求量與日俱增。規(guī)范對(duì)高速鐵路路基填料的要求比普速鐵路更加嚴(yán)格。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10020—2009)要求基床底層及基床以下路堤應(yīng)使用A，B組填料或改良土［1］。各在建高速鐵路沿線的調(diào)查結(jié)果顯示，A，B組填料的原料比較匱乏，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了目前路基填筑施工的需求，因此，改良土成為很重要的補(bǔ)充，研究改良土的物理力學(xué)特性具有實(shí)用價(jià)值。

除A，B組填料外，目前在高速鐵路路基應(yīng)用比較廣泛的是水泥改良土。它是將粉碎的素土與一定比例的水泥拌合均勻、機(jī)械壓實(shí)并養(yǎng)護(hù)后形成的，利用水泥與素土之間發(fā)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使素土硬結(jié)成具有一定強(qiáng)度、耐久性和水穩(wěn)性的水泥改良土。水泥改良土的強(qiáng)度源于素土強(qiáng)度、素土的物理改良、水泥水化硬化的膠結(jié)作用和硬凝反應(yīng)，其中水泥水化硬化的膠結(jié)作用對(duì)水泥改良土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大［2］。已有研究結(jié)果表明，素土的種類對(duì)水泥改良土的強(qiáng)度影響顯著，不同的土類加入等比例水泥后，水泥土強(qiáng)度可相差近一倍［3］。王兵等［4］研究了水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)的微觀機(jī)理，認(rèn)為60 d齡期強(qiáng)度可以作為擊實(shí)水泥土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。張?zhí)旒t、賈厚華等［5-6］也對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響因素做了研究，提出了各自的觀點(diǎn)。宋永軍等［7］結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)研究了水泥土的時(shí)效性。馬學(xué)寧等［8］對(duì)水泥改良黃土的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文通過室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究水泥改良土的物理力學(xué)特性，對(duì)其用于高速鐵路路基填料的適用性進(jìn)行探討。

1 水泥改良土的物理力學(xué)特性

試驗(yàn)中采用的素土取自一在建高速鐵路取土場(chǎng)，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，屬粉土。摻入的水泥為P．O42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 素土的物理性質(zhì)指標(biāo)

1.1 擊實(shí)特性

擊實(shí)特性對(duì)控制路基的填筑壓實(shí)質(zhì)量至關(guān)重要，用擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)試出的最大干密度和最佳含水率是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)填筑壓實(shí)的重要參數(shù)。

為了避免延遲時(shí)間對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的影響［9］，所有的水泥土擊實(shí)試驗(yàn)均在加水泥攪拌后1 h內(nèi)完成，不同摻量水泥土的重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯嗤恋淖畲蟾擅芏群妥罴押孰S水泥摻量的變化不大，具有良好的擊實(shí)特性。

表2 水泥改良土的擊實(shí)特性與水泥摻量的關(guān)系

1.2 水穩(wěn)性

水穩(wěn)性是表征填料抵抗?jié)B水侵蝕的指標(biāo)，用于高速鐵路路基的填料必須具備良好的水穩(wěn)性。水泥改良土的水穩(wěn)性通過濕化試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)測(cè)試。

1)濕化試驗(yàn)

土的濕化是土體在水中發(fā)生崩解的現(xiàn)象。濕化試驗(yàn)是通過測(cè)定邊長(zhǎng)5 cm的立方體試樣在水中浸泡后的崩解量來評(píng)定其水穩(wěn)性。對(duì)不同水泥摻量標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d試件在水中浸泡24 h后崩解量的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 水泥改良土試件的濕化試驗(yàn)崩解量

由表3可見，素土完全崩解，隨著水泥摻量增大，試件崩解量變小，水穩(wěn)性變好，且水泥摻量達(dá)到3%及以上時(shí)，崩解量數(shù)值較小(＜10%)，此時(shí)改良土具備良好的水穩(wěn)性。

2)液塑限試驗(yàn)

土的液塑限能反映土顆粒與水相互作用的程度。水泥土的液塑限試驗(yàn)方法是將拌合的水泥土用標(biāo)準(zhǔn)方法擊實(shí)，然后將試件養(yǎng)護(hù)7 d后烘干，并重新粉碎后采用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定，不同摻量水泥土的液塑限試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖1、圖2。

表4 水泥改良土試件的液塑限試驗(yàn)結(jié)果

圖1 液限與塑限隨水泥摻量的變化

圖2 塑性指數(shù)隨水泥摻量的變化

從圖1、圖2可知:摻入水泥后，液限變化不大;塑限的變化趨勢(shì)分兩段;水泥摻量在0～3%，塑限隨其增大而急劇增大，在3%～6%塑限基本不受其影響，維持一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值;塑性指數(shù)先隨水泥摻量增大而急劇減小，當(dāng)水泥摻量增大到3%以后基本維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的低值。塑性指數(shù)越小則土的親水性越弱，水穩(wěn)性也就越好，因此，水泥摻量的增加能改善水泥改良土的水穩(wěn)性，且當(dāng)摻量達(dá)到3%以上時(shí)對(duì)水穩(wěn)性的改善作用趨于穩(wěn)定。這與濕化試驗(yàn)的結(jié)果比較吻合。因此，從水穩(wěn)性考慮，高速鐵路路基水泥改良土中水泥摻量不宜低于3%。

1.3 強(qiáng)度特性

改良土的強(qiáng)度一般通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得。不同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值測(cè)試結(jié)果見表5、表6和圖3。

表5 水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值MPa

表6 水泥土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)幅度

圖3 不同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土的強(qiáng)度影響顯著。水泥摻量越大，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越高。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度為149%～238%，養(yǎng)護(hù)28 d的增長(zhǎng)幅度為373%～542%。實(shí)際工程中一般以7 d強(qiáng)度來評(píng)定，而后期強(qiáng)度還存在很大的發(fā)展空間。另外0～7 d平均每天增長(zhǎng)幅度為21%～34%，8～28 d平均每天增長(zhǎng)幅度為6%～10%，說明水泥改良土早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，后期逐漸趨緩，這與水泥早期強(qiáng)度發(fā)展較快有關(guān)。

1.4 剛度特性

剛度特性是指材料抵抗變形的能力，在路基填筑現(xiàn)場(chǎng)可以通過測(cè)定地基系數(shù)K30來評(píng)定。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)摻4%水泥的改良土測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，影響地基系數(shù)最大的因素是測(cè)試時(shí)間，如表7所示。隨著碾壓完成后的時(shí)間延長(zhǎng)，K30數(shù)值明顯增大。碾壓完成后1 h時(shí)K30為145 MPa/m，碾壓完成后48 h K30達(dá)到211 MPa/m，增幅高達(dá)45.5%，說明水泥改良土抗壓縮變形的能力顯著提高。

表7 水泥改良土不同時(shí)間的K30測(cè)試結(jié)果對(duì)比MPa/m

2 結(jié)論

1)水泥改良土最大干密度和最佳含水率基本不受水泥摻量的影響，具有良好的擊實(shí)特性。

2)水泥摻量的增大能顯著改善水泥改良土的水穩(wěn)性，當(dāng)摻量達(dá)到3%以上時(shí)水泥改良土的水穩(wěn)性良好且基本保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平。

3)水泥改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大，隨齡期的增長(zhǎng)而增大，且早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期逐漸趨緩。

4)水泥改良土具有良好的剛度特性，抗壓縮變形的能力隨時(shí)間延長(zhǎng)而顯著提高。

5)當(dāng)路基填料采用水泥改良土?xí)r，為保證其各項(xiàng)特性指標(biāo)均能滿足要求，其水泥摻量不宜低于3%。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［2］黃新，寧建國(guó)，郭曄，等．水泥含量對(duì)固化土結(jié)構(gòu)形成的影響研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(4):436-441．

［3］黃新，周國(guó)鈞．水泥加固土硬化機(jī)理初探［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1994，16(1):436-441．

［4］王兵，楊為民，李占強(qiáng)．擊實(shí)水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)的微觀機(jī)理［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(3):234-238．

［5］張?zhí)旒t，周易平，葉陽升，等．水泥土的強(qiáng)度及影響因素初探［J］．中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，24(6):53-56．

［6］賈厚華．化學(xué)改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］．土工基礎(chǔ)，2010，24(3):84-87．

［7］宋永軍，吳連海．鐵路客運(yùn)專線基床水泥改良土填筑壓實(shí)檢測(cè)及其時(shí)效性研究［J］．鐵道勘察，2005，12(1):33-35．

［8］馬學(xué)寧，梁波．水泥改良黃土力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．巖土工程技術(shù)，2005，19(5):241-244．

［9］史存林，石新橋，王慶林．水泥改良土擊實(shí)方法的分析與研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(增):147-149，181．

(責(zé)任審編李付軍)

TU41;U416.1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．28

1003-1995(2015)04-0107-03

2014-07-26;

2014-09-20

顏勝才(1982—)，男，湖南漣源人，助理研究員，碩士。