水泥摻量對改良膨脹土抗剪強度的影響①

， ， ，

(1. 安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽廣播電視大學(xué) 開放教育學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

膨脹土具有明顯的吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，導(dǎo)致其在工程中可能會出現(xiàn)不均勻沉降持續(xù)時間長[1～4]，沉降幅度大等危害，會直接導(dǎo)致路基更容易發(fā)生坍塌、滑坡和變形等危害，給公路建設(shè)和人身安全造成極大破壞，給社會帶來極大損失。

試驗通過控制變量的方式，在其他條件一致的情況下，研究膨脹土在不同水泥摻量時抗剪強度的變化趨勢，進而通過試驗數(shù)據(jù)分析膨脹土達到最佳抗剪強度時水泥的摻量。膨脹土的抗剪強度的影響因素一直是國內(nèi)外學(xué)者熱衷于研究的課題，在試驗之前，已經(jīng)有大量的學(xué)者對該課題進行了不同類型、不同角度的研究，給試驗提供了充足的理論依據(jù)和研究支撐。A.W.Bishop[5]在研究膨脹土的抗剪強度時提出，在影響膨脹土抗剪強度各因素中，水泥摻量對膨脹土抗剪強度的影響最大，且梁勇[6]以湖北省宜昌市某一級公路改建工程為研究對象，對不同石灰摻量的膨脹土進行剪切試驗，得出水泥摻量的增加能提高膨脹土抗剪強度，并能提高膨脹土的內(nèi)摩擦角、粘聚力的結(jié)論。韓晶[7]等在研究膨脹土的試驗中分析到，水泥對膨脹土抗剪強度的影響程度并不是一直不變的，隨著水泥摻量的增大，膨脹土的抗剪強度、內(nèi)摩擦角以及粘聚力的增長趨勢各有各自的特點。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 實驗材料

膨脹土取自合肥市區(qū)，呈現(xiàn)黃褐色半堅硬狀態(tài)，主要成為親水性礦物質(zhì)，含有少量鈣質(zhì)結(jié)核，采樣膨脹土的基本性質(zhì)如表1。水泥為礦渣硅酸鹽水泥，標號為GB175-2007。為使試驗達到研究目的，設(shè)置5組不同摻灰比，含水率同為16.5%的試樣。分別為：作為對比的不摻灰的1號膨脹土試樣；摻灰比為1%的2號試樣；摻灰比為2%的3號試樣；摻灰比為3%的4號試樣；摻灰比為4%的5號試樣。

表1 膨脹土的基本性質(zhì)

1.2 實驗設(shè)備

試驗第一階段需要把原狀膨脹土放在磨礦功指數(shù)球磨機里進行攪拌打碎，磨礦功指數(shù)球磨機如圖1所示。將試樣進行直剪試驗需要用到的是全自動殘余強度試驗儀，全自動殘余強度試驗儀如圖2所示。

圖1 磨礦功指數(shù)球磨機

圖2 全自動殘余強度試驗儀

3 實驗過程

試驗參照《公路土工試驗城規(guī)》(JTG E40-2007)和《公路工程無機結(jié)合穩(wěn)定材料試驗城規(guī)》(JTG E51-2009)進行，試驗相關(guān)數(shù)據(jù)處理參照《土工試驗方法標準》(GBT501231999)。

實驗首先將取自合肥市區(qū)的原狀膨脹土自然晾曬達到一定的干度，利用磨礦功指數(shù)球磨機攪拌1h，取出碎土用0.3mm的篩子進行篩分，將篩分后的膨脹土細粒放烘干箱里烘干12h。取出土樣冷卻后，按照實驗要求配制需要的五組不同水泥摻量的膨脹土試樣。配制方法為：設(shè)計含水率為16.5%，按照相關(guān)規(guī)定，預(yù)留3%的水，量取13.5%質(zhì)量的水放入膨脹土中進行攪拌，攪拌均勻后分別放入的0%—4%質(zhì)量的水泥，再次攪拌均勻后，將預(yù)留的3%質(zhì)量的水倒入混合料中，再次攪拌均勻后利用千斤頂進行壓樣，環(huán)刀體積為60cm3。實驗需要將每種石灰摻量的膨脹土分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的壓力下進行剪切試驗，以研究膨脹土在不同豎向正應(yīng)力下的抗剪強度，以及需要一個用以測飽和含水率的試樣，即每一石灰摻量的膨脹土需要5個試樣，重復(fù)上述步驟，分別完成余下4個試樣。試驗完成后用保鮮膜密封，放入標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護7d，養(yǎng)生期間養(yǎng)護箱內(nèi)溫度保持22℃，相對濕度95%。養(yǎng)護完成后取出其中一個試樣飽和12h測出其飽和含水率及相關(guān)數(shù)據(jù)，其他4個試樣數(shù)據(jù)近似等于該試樣。其余4個試樣飽和8h后放入剪切試驗儀中分別在豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa條件下進行直剪，6h后記錄數(shù)據(jù)并整理結(jié)果，對結(jié)果進行分析。

4 實驗結(jié)果

對20組試樣進行相應(yīng)的直剪試驗后，將各組試樣的抗剪強度進行整理，根據(jù)公式τf=σ·tanφ+c計算相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ和粘聚力c。

4.1 水泥摻量對內(nèi)摩擦角的影響

根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖3的水泥摻量-內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量，縱坐標為內(nèi)摩擦角。

圖3 水泥摻量與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

圖4 粘聚力與水泥摻量關(guān)系曲線圖

實驗結(jié)果表明：膨脹土試樣在不摻水泥時，內(nèi)摩擦角為22°，在摻入1%質(zhì)量的水泥后，內(nèi)摩擦角增加到了25°，說明水泥摻量能夠明顯提高膨脹土的內(nèi)摩擦角。隨著水泥摻量的增加，膨脹土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當水泥摻量由1%增加到2%時，內(nèi)摩擦角的增長幅度最大，之后展現(xiàn)為平穩(wěn)增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。

4.2 水泥摻量對粘聚力的影響

根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖4的水泥摻量-粘聚力的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量，縱坐標為粘聚力。

實驗結(jié)果表明：摻水泥能夠增大膨脹土的粘聚力，且隨著水泥摻量的增加，膨脹土的粘聚力也隨之逐漸增加。具體表現(xiàn)為，當摻入1%質(zhì)量的水泥時，膨脹土的內(nèi)摩擦角為64kPa，作為對比項的不摻水泥膨脹土的粘聚力僅為60kPa，說明水泥摻量能夠增加膨脹土的粘聚力；隨著水泥摻量的增加，膨脹土的粘聚力呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長趨勢。

4.3 水泥摻量對抗剪強度的影響

根據(jù)實驗結(jié)果以及對數(shù)據(jù)的處理分析，繪制如圖5的水泥摻量-抗剪強度的關(guān)系曲線。表中橫坐標為水泥摻量，縱坐標為抗剪強度。

實驗結(jié)果表明：相同正壓力下，水泥摻量越大，膨脹土的抗剪強度越大，水泥摻量由3%增加到4%時，膨脹土的抗剪強度增長幅度最大；在相同水泥摻量下，隨著正應(yīng)力的增大，膨脹土的抗剪強度也越大，正應(yīng)力由300kPa增加到400kPa時，膨脹土的抗剪強度大幅度增加。

5 結(jié) 論

(1)膨脹土的抗剪強度和水泥摻量具有極大的關(guān)系。具體表現(xiàn)為：隨著水泥摻量的增加，膨脹土的抗剪強度能夠得到極大地增強，在一定范圍內(nèi)，水泥摻量和膨脹土的抗剪強度成正比。

(2)水泥摻量對膨脹土的內(nèi)摩擦角也具有明顯的影響。當水泥摻量逐漸增加時，膨脹土的內(nèi)摩擦角在第一階段快速增加，之后逐漸變緩，直至趨于穩(wěn)定不再變化。

(3)水泥摻量的增加會增大膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角，但增加趨勢兩者相反，隨著水泥摻量的增加，粘聚力的增大趨勢為先慢后快，當水泥摻量從3%增加到4%時，粘聚力增長幅度最大。