水泥改良張家口壩上風(fēng)積沙的擊實(shí)試驗(yàn)和耐久性研究

張海島 李桂英

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 0750003.張家口市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督所，河北 張家口 075000)

1 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平日益提高，人們對(duì)交通的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，從古代的愚公移山到19世紀(jì)50年代的土路再到現(xiàn)在的高速公路，說(shuō)明人們對(duì)公路的需求越來(lái)越高，尤其1998年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)對(duì)我國(guó)的沖擊，使我國(guó)要意識(shí)到轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，提高基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，故我國(guó)在公路上開(kāi)展了大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè).到21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)高速公路的建設(shè)并使用達(dá)到兩萬(wàn)五千多公里，僅次于美國(guó).在2004年底，我國(guó)高速公路的使用量已經(jīng)達(dá)到了3萬(wàn)公里.然而路基填土需要很大的土方量，但是優(yōu)質(zhì)的填土很缺乏，國(guó)內(nèi)外很多國(guó)家在修路的時(shí)候都遇到了這個(gè)問(wèn)題，這時(shí)就需要在原有的土體上進(jìn)行改良使原土體達(dá)到優(yōu)質(zhì)填土的要求.風(fēng)積沙在我國(guó)廣泛分布，尤其在張家口的壩上地區(qū)分布著大量的風(fēng)積沙，若這些風(fēng)加沙能得到充分利用，會(huì)充分的解決路基填土的問(wèn)題.張家口壩上地區(qū)比較寒冷，改良的風(fēng)積沙會(huì)面臨耐久性能的問(wèn)題，為了改良風(fēng)積沙使其達(dá)到公路路基的使用要求，諸多學(xué)者做了大量的研究.李萬(wàn)鵬通過(guò)研究風(fēng)積沙擊實(shí)效果的影響因素得到含水量是影響擊實(shí)結(jié)果的重要因素，水泥改良風(fēng)積沙的最優(yōu)含水率會(huì)隨著擊實(shí)功的增大而變小，最大干密度隨著擊實(shí)功的增大而增加，但隨著擊實(shí)功的增大，對(duì)最優(yōu)含水率和最大干密度的影響也會(huì)越來(lái)越小的結(jié)論[1]；朱學(xué)坤等通過(guò)研究新疆內(nèi)陸風(fēng)積沙擊實(shí)特性得到風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線和粘性土由很大的區(qū)別，擊實(shí)風(fēng)積沙的曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，一個(gè)是干燥狀態(tài)下，一個(gè)是飽和狀態(tài)下[2];余利賓通過(guò)研究沖擊振動(dòng)壓路機(jī)模型對(duì)風(fēng)積沙壓實(shí)的試驗(yàn)，得出重型擊實(shí)法和馬歇爾擊實(shí)法兩種方法下風(fēng)積沙的擊實(shí)結(jié)果不變，擊實(shí)曲線都是倒s形，即隨著含水率的增大，干密度先增大后減小的結(jié)論[3];楊志清通過(guò)研究風(fēng)積沙的擊實(shí)特性得出了在最不利含水量時(shí)的擊實(shí)干密度較干燥狀態(tài)下的最大干密度相差不大的結(jié)論[4]；加拿大鐵礦公司聯(lián)合政府及社會(huì)各界在尾礦污染區(qū)種植了不同的植物[5]；K M Lee等研究土工合成材料對(duì)沙土邊坡基礎(chǔ)承載特性的影響得出了在沙土邊坡的基礎(chǔ)中加入土工格柵，可以明顯改善基礎(chǔ)的沉降和承載能力的結(jié)論[6];

基于上述學(xué)者的研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究張家口壩上地區(qū)風(fēng)積沙的擊實(shí)特性和耐久性能.

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

(1)風(fēng)積沙.

本次試驗(yàn)的風(fēng)積沙取自張家口壩上地區(qū)，屬于粉質(zhì)粘土，通過(guò)篩分法和密度計(jì)法聯(lián)合試驗(yàn)得到該試驗(yàn)配土的顆粒級(jí)配如表1所示，試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)土樣和水泥按照一定比例配制成水泥改良風(fēng)積沙.

表1 試驗(yàn)土樣顆粒組成

(2)水泥.

本試驗(yàn)采用標(biāo)號(hào)32.5的普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 水泥物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)步驟.

將原樣風(fēng)積沙放入圖1所示為x101-4的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行烘干，然后將干燥好的風(fēng)積沙經(jīng)過(guò)5mm的圓孔篩后，每個(gè)擊實(shí)筒放2500g混合料，混合料包括風(fēng)積沙，水泥和水，不同摻量和不同含水率對(duì)應(yīng)的土體質(zhì)量不同.試驗(yàn)前將風(fēng)積沙和水?dāng)嚭暇鶆蚍旁谒芰洗忻芊鉅F12h，12h后將水泥按算好的質(zhì)量加入燜好的土料中，攪拌均勻后分五次裝入內(nèi)壁涂抹凡士林擊實(shí)筒內(nèi)，每次放入質(zhì)量500g左右，然后用如圖2所示的數(shù)控多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)，數(shù)控多功能電動(dòng)擊實(shí)儀的型號(hào)是SKDJ-1型，每層擊實(shí)27次，然后進(jìn)行下一次填料，擊實(shí)，直至擊實(shí)五次結(jié)束，用刮土刀將擊實(shí)筒表面多余的土體移除，直至土體表面與擊實(shí)筒上表面平行，然后用圖3所示的電動(dòng)液壓脫模機(jī)進(jìn)行脫模，稱重.按公式1換算出混合料的最大干密度，由此得出最大干密度和最佳含水率.

圖1 電熱鼓風(fēng)干燥箱 圖2 數(shù)控多功能電動(dòng)擊實(shí)儀

圖3 電動(dòng)液壓脫模機(jī)

(1)

式中：ρd—混合料的干密度(g/cm3)；ρ—混合料的濕密度(g/cm3)；ω—混合料的含水率(%).

(2)試驗(yàn)工況.

“我是個(gè)黑白照片迷，我經(jīng)常觀察生活中的一些物體來(lái)構(gòu)想它們的形狀是否能組成一張黑白畫面。這張建筑照片非常清晰，讓我們仿佛置身于畫面中，并朝向最前面的出口走去?！?/p>

根據(jù)張家口壩上地區(qū)的施工情況，水泥摻量的為4%、6%、8%三個(gè)，含水率均選擇6%、8%、10%、12%、14%五種，故一共對(duì)應(yīng)25組擊實(shí)試驗(yàn).詳情見(jiàn)表3，每個(gè)固化劑摻量對(duì)應(yīng)五個(gè)含水率.

表3 擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析.

水泥摻量為3.5%的改良風(fēng)積沙的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

圖4 水泥4%摻量的風(fēng)積沙干密度與含水率關(guān)系曲線

如圖4所示，橫坐標(biāo)代表水泥改良風(fēng)積沙的含水率，縱坐標(biāo)代表水泥改良風(fēng)積沙的干密度.由圖4可知，水泥改良風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線呈倒S型，即水泥改良風(fēng)積沙的干密度與含水率呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，說(shuō)明水泥改良風(fēng)積沙在含水率為8.89%，13.77%左右時(shí)均可達(dá)到較高的壓實(shí)度.且通過(guò)圖4可知，水泥4%摻量改良風(fēng)積沙的最大干密度為1.88g/cm3，且最優(yōu)含水率為13.77%.其他水泥摻量的結(jié)果見(jiàn)表4，表5.

表4 水泥摻量6%改良風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果

表5 水泥摻量8%改良風(fēng)積沙擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果

為了進(jìn)一步研究最大干密度和最優(yōu)含水率與水泥摻量的關(guān)系，見(jiàn)圖5，圖6.

圖5 最大干密度與水泥摻量的關(guān)系曲線

圖6 最優(yōu)含水率與水泥摻量關(guān)系曲線

如圖5所示，橫坐標(biāo)為水泥摻量，縱坐標(biāo)為最大干密度.由圖5可知，最大干密度與水泥摻量呈正相關(guān)，即隨著水泥摻量的增大，最大干密度也隨之增大.表明水泥在拌和風(fēng)積沙的過(guò)程中，水泥填充了風(fēng)積沙的空隙，然后水泥經(jīng)過(guò)水化作用在風(fēng)積沙中形成了骨架結(jié)構(gòu)，提高了風(fēng)積沙的密實(shí)性，從而導(dǎo)致干密度越來(lái)越大，進(jìn)而提高了風(fēng)積沙的壓實(shí)度.

如圖6所示，橫坐標(biāo)為水泥摻量，縱坐標(biāo)為最優(yōu)含水率.由圖6可知，最優(yōu)含水率與水泥摻量呈負(fù)相關(guān)，即隨著水泥摻量的增大，最優(yōu)含水率隨之增小，從圖6可以看出減小的速率越來(lái)越小，分析可知，水泥在碳酸化反應(yīng)中會(huì)生成一部分水，降低了對(duì)風(fēng)積沙中水的需求.

2.3 干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)

(1)試驗(yàn)工況.

改變水泥摻量，進(jìn)行循環(huán).干濕循環(huán)不同水泥摻量試驗(yàn)試件配比如表6.

表6 干濕循環(huán)不同水泥摻量試件配比

通過(guò)(1)的試驗(yàn)試件，干濕循環(huán)不同水泥摻量試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7，圖7.

表7 干濕循環(huán)不同水泥摻量試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖7 干濕循環(huán)次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

圖7為干濕循環(huán)次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖7所示，一次干濕循環(huán)后，當(dāng)水泥摻量從6%增大到8%時(shí)，強(qiáng)度從1.97MPa增長(zhǎng)到2.51MPa，而水泥摻量增加到10%時(shí)，強(qiáng)度增加到2.63MPa，對(duì)比發(fā)現(xiàn)水泥摻量從6%增加8%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快.從第一次干濕循環(huán)到第二次干濕循環(huán)，水泥摻量14%時(shí)，水泥改良風(fēng)積沙強(qiáng)度從3.06MPa降低至2.71MPa，下降較為快速，第二次到第三次降低至2.65MPa，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水泥改良風(fēng)積沙破壞發(fā)生在第二次干濕循環(huán).

2.4 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)

(1)試驗(yàn)工況.

通過(guò)改變水泥摻量，進(jìn)行凍融循環(huán)，得出水泥摻量、凍融循環(huán)次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，試件數(shù)據(jù)如表8所示.

表8 凍融循環(huán)不同水泥摻量試件配比

(2)試驗(yàn)分析.

通過(guò)(1)的試驗(yàn)試件，凍融循環(huán)不同水泥摻量試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表9，圖8.

表9 凍融循環(huán)不同水泥摻量試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖8 凍融循環(huán)次數(shù)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖8可知，9次凍融循環(huán)后，水泥摻量從6%增加到14%，強(qiáng)度從1.24MPa增加到2.57MPa,當(dāng)水泥摻量大于等于10%時(shí)，強(qiáng)度均大于2MPa,說(shuō)明10%水泥摻量改良風(fēng)積沙具有成效.5次凍融循環(huán)，水泥改良風(fēng)積沙強(qiáng)度損失率在30%-48%之間，10%水泥摻量強(qiáng)度損失最小.強(qiáng)度下降是五次循環(huán)下降最快的，這也說(shuō)明水泥改良風(fēng)積沙此時(shí)破壞最快.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)本次室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，本文分析了擊實(shí)試驗(yàn)的各種因素下干密度與含水率的關(guān)系，也分析了水泥摻量對(duì)最大干密度和最優(yōu)含水率的影響，在本試驗(yàn)下得出以下結(jié)論：

(1)水泥改良風(fēng)積沙的擊實(shí)曲線呈倒S型，即隨著含水率的增加，改良風(fēng)積沙的干密度呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，從而曲線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，此峰值對(duì)應(yīng)的干密度為最大干密度，對(duì)應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率.

(2)水泥改良風(fēng)積沙的最大干密度與水泥摻量呈正相關(guān)，也就是說(shuō)水泥摻量增大，最大干密度也會(huì)隨之增大，因?yàn)樗嘣诎韬惋L(fēng)積沙的過(guò)程中，水泥填充了風(fēng)積沙的空隙，然后水泥經(jīng)過(guò)水化作用在風(fēng)積沙中形成了骨架結(jié)構(gòu)，從而提高了風(fēng)積沙的密實(shí)性，進(jìn)而導(dǎo)致干密度越來(lái)越大；最優(yōu)含水率與水泥摻量呈負(fù)相關(guān)，即水泥摻量增大，最優(yōu)含水率減小，因?yàn)樗嘣谔妓峄磻?yīng)中會(huì)生成一部分水，降低了對(duì)風(fēng)積沙中水的需求.

(3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變小，在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，水泥摻量越大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大.故提高水泥摻量，減小干濕循環(huán)次數(shù)可以提高改良風(fēng)積沙的耐久性能.

(4)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良風(fēng)積沙的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變小，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥摻量越大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大.故提高水泥摻量，減小凍融循環(huán)次數(shù)可以提高改良風(fēng)積沙的耐久性能.