干濕循環(huán)過程中粉細(xì)砂改良土路基填料試驗(yàn)研究

(中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司,河南 許昌 730000)

隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，戈壁和沙漠地區(qū)將會修建越來越多的鐵路，因而對粉細(xì)砂改良土耐久性填料的研究具有重要的實(shí)際意義。改良土的耐干濕循環(huán)能力是指其抵抗自然環(huán)境中因水分變化而產(chǎn)生破壞的能力，是改良土耐久性的重要指標(biāo)之一[1]。

王建華等[3]通過試驗(yàn)分析干濕循環(huán)過程導(dǎo)致水泥改良土強(qiáng)度衰減的機(jī)理，指出土料中黏粒團(tuán)的干縮濕脹變形是引起干濕循環(huán)后改良土強(qiáng)度衰減的主要原因，適當(dāng)降低改良土料中黏粒的相對含量可以有效提高干濕循環(huán)后改良土的強(qiáng)度。韓文斌等[4]通過試驗(yàn)分析了作為京滬高速鐵路路基基床填料的下蜀黏土的工程特性，得出石灰、水泥的最優(yōu)劑量約為5%，固化劑的最優(yōu)劑量約為2%～3%。李星等[5]通過試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)作用下高速鐵路路基中水泥改良膨脹土的動力特性，發(fā)現(xiàn)摻入水泥能顯著增強(qiáng)改良土抵抗干濕循環(huán)作用的能力，滿足路基工程要求。楊廣慶[6]進(jìn)行了水泥改良粉質(zhì)黏土動三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)特性滿足高速鐵路路基的要求。雷杰等[7]通過開展水泥改良粉細(xì)砂在干濕環(huán)境下力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了改良粉細(xì)砂在不同環(huán)境下的工程特性。

本文采用細(xì)顆粒含量46.53%的粉細(xì)砂改良土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率指標(biāo)評價不同配合比對改良土路基填料耐久性的影響。

1 粉細(xì)砂干濕循環(huán)試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用粉細(xì)砂取自中國國家鐵道試驗(yàn)中心(東郊分院)試驗(yàn)場。

1.1 篩分試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)

通過顆粒篩分，得到該粉細(xì)砂粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒含量為46.53%。將粉細(xì)砂分別摻加質(zhì)量5%，8%，11%，15%的水泥，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻量5%，8%，11%，15%的水泥改良粉細(xì)砂最大干密度分別為1.940，1.970，1.972，1.972 g/cm3，最優(yōu)含水率分別為10.15%，10.20%，10.40%，10.50%。

1.2 試樣養(yǎng)生和干濕循環(huán)

根據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》要求,對不同摻量水泥改良粉細(xì)砂添加至規(guī)定含水率進(jìn)行制樣。制樣完成后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)生7 d或28 d，養(yǎng)生期滿后取出進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。

將試樣在室溫下(20±2 ℃)放入水中浸泡24 h，浸泡完后在水中取出試樣，放入70 ℃烘箱中24 h至烘干，如此為1次干濕循環(huán)。通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率2項(xiàng)指標(biāo)評價不同影響因素對粉細(xì)砂改良土耐久性的影響。

1.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，含水率對改良土的強(qiáng)度影響很大，一般為最優(yōu)含水率時改良土在干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的靜強(qiáng)度最高；含水率比最優(yōu)含水率高或低4%時強(qiáng)度均降低明顯。在施工中控制含水率是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

采用含水率分別高于最優(yōu)含水率1%，4%,壓實(shí)系數(shù)分別為0.90，0.95，不同水泥摻量的粉細(xì)砂進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

2.1.1 養(yǎng)護(hù)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

不同含水率及不同壓實(shí)系數(shù)時水泥摻量11%試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖1。

圖1 水泥摻量11%試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體先增長后趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)楦蓾裱h(huán)過程中高溫高濕的環(huán)境促進(jìn)了改良土固化劑的水化反應(yīng)，反應(yīng)完成后強(qiáng)度不再增長。水泥摻量11%試樣壓實(shí)系數(shù)0.95時，高于最優(yōu)含水率1%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比高于最優(yōu)含水率4%的試樣高出約80%；而壓實(shí)系數(shù)0.90時，高于最優(yōu)含水率1%試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比高于最優(yōu)含水率4%試樣僅高出約10%。高于最優(yōu)含水率1%時，壓實(shí)系數(shù)0.95的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比壓實(shí)系數(shù)0.90的試樣高出約50%；高于最優(yōu)含水率4%時，壓實(shí)系數(shù)0.95的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比壓實(shí)系數(shù)0.90的試樣較接近。

綜上所述，與高于最優(yōu)含水率1%的試樣相比，高于最優(yōu)含水率4%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定幅度的下降，壓實(shí)系數(shù)越高，降低幅度越大。與壓實(shí)系數(shù)0.95的試樣相比，壓實(shí)系數(shù)0.90的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定幅度的下降，含水率越接近最優(yōu)含水率，降低幅度越大。

圖2 養(yǎng)護(hù)7 d不同水泥摻量試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

壓實(shí)系數(shù)0.95、高于最優(yōu)含水率4%時，養(yǎng)護(hù)7 d后水泥摻量5%，11%，15%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖2?？芍?，水泥摻量11%的試樣比水泥摻量5%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約高出180%,水泥摻量15%的試樣比水泥摻量11%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低20%。這主要是因?yàn)樗鄵搅窟^多，會導(dǎo)致水化熱增大，收縮裂縫增多，引起試樣開裂，強(qiáng)度降低。試驗(yàn)結(jié)果表明水泥摻量11%時試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。

TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：基床表層填料化學(xué)改良土7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于500(700)kPa；基床底層化學(xué)改良土7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于350(550)kPa(括號內(nèi)數(shù)值為嚴(yán)寒地區(qū)化學(xué)改良土考慮凍融循環(huán)作用所需的強(qiáng)度值)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水泥摻量5%的粉細(xì)砂改良土養(yǎng)護(hù)7 d后飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約在1 MPa左右，滿足TB 10001—2016要求。

2.1.2 養(yǎng)護(hù)28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

壓實(shí)系數(shù)0.95、高于最優(yōu)含水率4%時，養(yǎng)護(hù)28 d后水泥摻量5%，8%，11%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3。

圖3 養(yǎng)護(hù)28 d不同水泥摻量試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3可知,水泥摻量11%試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥摻量8%試樣約高出20%，水泥摻量8%試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥摻量5%試樣約高出30%。

對比相同條件養(yǎng)護(hù)28，7 d的試樣可知，養(yǎng)護(hù)28 d試樣的初始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著高于相同水泥摻量養(yǎng)護(hù)7 d的試樣；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，兩者趨于持平。原因在于養(yǎng)護(hù)28 d的試樣比養(yǎng)護(hù)7 d的水泥反應(yīng)更加充分，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加及水泥反應(yīng)完成后，兩者強(qiáng)度逐漸達(dá)到同一水平。

2.2 耐久性分析

通過養(yǎng)護(hù)7 d后6種不同配合比粉細(xì)砂試樣18次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率來評價粉細(xì)砂水泥改良土的耐久性。

粉細(xì)砂水泥改良土試樣經(jīng)過18次干濕循環(huán)后，其質(zhì)量不但沒有減少，反而還略有增加，說明水泥水化反應(yīng)所固化水分的質(zhì)量高于干濕循環(huán)所引起混合料損失的質(zhì)量，混合料質(zhì)量增加越多，水泥所固化的水分質(zhì)量越多。用試樣初始質(zhì)量減去18次干濕循環(huán)以后的質(zhì)量，與初始質(zhì)量的比值，作為試樣的質(zhì)量損失率[8]，正值表示質(zhì)量減少，負(fù)值表示質(zhì)量增加,見表1。

表1 不同配合比試樣干濕循環(huán)質(zhì)量損失率

由表1可知，水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)越高，干濕循環(huán)后質(zhì)量增加越多，耐久性越好。我國鐵路系統(tǒng)以5次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率作為控制指標(biāo)。因?yàn)?8次干濕循環(huán)后，本次試驗(yàn)的6組配合比質(zhì)量沒有損失反而增加，所以都滿足國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但質(zhì)量增加過多會導(dǎo)致粉細(xì)砂改良土產(chǎn)生一定程度的膨脹，因此從經(jīng)濟(jì)性和適用性上分析，水泥摻量5%的試樣優(yōu)于水泥摻量8%，11%的試樣。

3 結(jié)論

1)細(xì)顆粒含量46.53%的粉細(xì)砂干濕循環(huán)中，水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)越高，含水率越接近最優(yōu)含水率，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。但水泥摻量過多會使粉細(xì)砂水泥改良土產(chǎn)生收縮裂縫，引起粉細(xì)砂水泥改良土強(qiáng)度降低。水泥摻量11%、壓實(shí)系數(shù)0.95、含水率高于最優(yōu)含水率1%時，粉細(xì)砂水泥改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。

2)水泥摻量5%、11%、15%粉細(xì)砂改良土7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

3)養(yǎng)護(hù)28 d試樣初始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于養(yǎng)護(hù)7 d 的試樣，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，水泥水化反應(yīng)完成，兩者逐漸趨于持平。

4)水泥摻量、壓實(shí)系數(shù)越高，粉細(xì)砂水泥改良土干濕循環(huán)后質(zhì)量增加越多?？紤]經(jīng)濟(jì)性和適用性，水泥摻量5%的試樣優(yōu)于水泥摻量8%，11%的試樣。