路基水泥改良膨脹土長期性能演變規(guī)律研究

譚 偉， 劉國坤, 王祺順

(1.中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司， 四川 成都 610000; 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

我國疆域遼闊，有著復(fù)雜的地質(zhì)條件，許多地區(qū)分布有膨脹土。膨脹土含有強(qiáng)親水性黏土礦物成分(如蒙脫石、伊利石和高嶺石等)，具有強(qiáng)烈的脹縮特性、多裂隙性和強(qiáng)衰減性，其顆粒具有高度分散性，對環(huán)境濕熱的變化非常敏感，遇水膨脹，變形急劇增長，對工程建設(shè)極為不利[1]。

目前采用水泥改良作為對膨脹土進(jìn)行處治、的一種常用手段，國內(nèi)外學(xué)者們開展了一系列相關(guān)研究。KOLIAS[2]等建立了改良土強(qiáng)度與不同水泥、粉煤灰配比之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。ISMAIL[3]等對不同種類的水泥固化土進(jìn)行了三軸試驗，得到不同水泥骨料對水泥土抗剪強(qiáng)度的影響特性。LORENZO[4]等引入孔隙比與水泥摻量的比值來描述水泥固化土壓縮變形特征。劉義虎[5]等通過試驗?zāi)M了天然干濕狀態(tài)下的改良膨脹土路基， 試驗表明土的黏聚力表現(xiàn)出遞減，強(qiáng)度大幅降低。楊和平[6]等對原狀膨脹土在干濕循環(huán)條件下施加循環(huán)荷載，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用下土體應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出軟化特性，荷載大小是影響脹縮幅度及強(qiáng)度衰減關(guān)鍵因素。劉志彬[7]等通過對水泥改性膨脹土進(jìn)行液氮吸附試驗，從微觀角度研究了水泥摻量對水泥土孔隙的影響。楊俊[8]等通過研究凍融循環(huán)對風(fēng)化砂改良膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)凍融條件下土體發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。許雷[9]等對多種含水率膨脹土在凍融作用下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，指出初次凍融作用對土體承載力影響遠(yuǎn)高于后續(xù)的凍融作用。

由于路基暴露在自然環(huán)境中，嚴(yán)格來說，一種路基填料改良方案能否應(yīng)用的前提之一，在于其能否適應(yīng)濕度的季節(jié)性周期變化。改良膨脹土若在干濕循環(huán)作用和凍融循環(huán)作用下出現(xiàn)長期性能衰變，容易造成路基路面過早破壞，因此研究水泥改良膨脹土在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)作用下的長期性能衰變規(guī)律，論證其具有可靠的耐久性，是十分有必要的。本文針對某公路路基膨脹土開展不同摻量的水泥改良，并模擬其在自然環(huán)境中受到的干濕循環(huán)和凍融循環(huán)作用，獲取改良土的自由膨脹率、應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角的變化趨勢，分析水泥改良效果的衰變規(guī)律，從長期性能角度出發(fā)探討合理的水泥改良配比，為實際工程建設(shè)提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用膨脹土取自我國西南某公路工程項目，根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[10]，選擇50 kPa壓力下膨脹率試驗計算脹縮總率，結(jié)果為3.4%，屬于中膨脹土，根據(jù)規(guī)范要求，采用無機(jī)結(jié)合料處治后，該膨脹土方可用作路基填料，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下：天然密度1.79 g /cm3，最大干密度1.98 g /cm3，天然含水率23.1%，液限wL為69%，液限wP為28%，粒組含量<0.075 mm為56.7%、<0.002 mm為23.1%，自由膨脹率51.3%。

1.2 試驗方案

將取回的膨脹土烘干碾碎，過2 mm篩，再根據(jù)天然含水率摻入蒸餾水，均勻拌和。按水泥摻量為0%、5%、10%、15%配置改良膨脹土，將改良土在圓柱體模具中進(jìn)行制備，試樣(見圖1)直徑約39.1 mm，高度約80 mm，壓實度控制在93%左右。

圖1 膨脹土試樣Figure 1 Expansive soil specimen

膨脹土脹縮理論有多種，其中主流之一的“雙電子層”理論是：膨脹土中含有較多蒙脫石，在其顆粒表面，由于置換作用產(chǎn)生負(fù)電荷(Mg2+置換Al3+)，在周圍形成靜電場，帶有負(fù)電荷的黏土礦物顆粒吸附水化的陽離子，隨著礦物顆粒之間的距離增加，吸附能力下降，形成擴(kuò)散形式的離子分布，即雙電子層。隨著含水率的增加，結(jié)合水膜變厚，使黏土礦物顆粒間的距離增大，結(jié)果導(dǎo)致土的體積膨脹；失水時，土中結(jié)合水膜變薄或消失，黏土礦物顆粒間的距離減小，土體表現(xiàn)為體積收縮[11]。

水泥的摻入改變了膨脹土的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而改良了膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)，通過水泥與膨脹土的離子交換及團(tuán)粒化作用、 硬凝反應(yīng)及碳酸化反應(yīng)， 可以有效地改良土的膨脹性，但這種作用效果是否會隨著干濕循環(huán)或凍融循環(huán)衰減，是本文需要探討的重點。

將制作成型的試樣放入恒溫恒濕試驗箱中進(jìn)行脫濕處理，當(dāng)含水率接近縮限時將試樣取出，進(jìn)行真空抽氣及浸水飽和(見圖2)，放置24 h后再次放入恒溫恒濕箱中，多次標(biāo)定質(zhì)量，當(dāng)試樣達(dá)到天然含水率后取出，視為完成1次干濕循環(huán)作用，干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、3、5次。通過設(shè)置溫度來模擬凍融作用，將試樣在-20 ℃溫度的裝置中放置12 h，用于模擬凍結(jié)，然后將溫度調(diào)節(jié)到20 ℃放置12 h，用于模擬融化，如此視為完成一次凍融循環(huán)作用，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、5、9、12次。為防止其在凍融循環(huán)過程中的水分損失，凍融過程中將試樣用保鮮膜密封包裹。

圖2 真空抽氣及浸水飽和Figure 2 Vacuum pumping and saturated with water

在完成指定的干濕循環(huán)或凍融循環(huán)次數(shù)后，對試樣進(jìn)行自由膨脹率試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗，具體過程參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]和公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》( JTG E51-2009 )[13]，此外，對凍融循環(huán)的試樣還開展了三軸壓縮試驗以測定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化，具體過程參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)[12]。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)影響

圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良土自由膨脹率的變化規(guī)律，可以看出，隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率逐漸下降，當(dāng)摻量為10%時自由膨脹率最小，但摻量超過10 %后，自由膨脹率又呈上升趨勢，這可能是由于摻量較大時，水泥自身的硬化結(jié)合能力得到加強(qiáng)，水泥與膨脹土的離子交換作用削弱?？傮w來看，干濕循環(huán)對水泥改良土自由膨脹率的影響較小，水泥改良抵抗膨脹的效果基本不隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加而減弱。

圖3 自由膨脹率及相關(guān)衰減量變化曲線Figure 3 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

圖4為UCS試驗中，水泥摻量為5%、10%、15%條件下，改良膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。可以看出改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，應(yīng)力具有“峰值”，隨后隨著應(yīng)變的增長應(yīng)力下降至殘余強(qiáng)度。0%～15%水泥摻量下改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu隨干濕循環(huán)的變化如表1所示。結(jié)合表1和圖4，可以看出水泥的摻入對膨脹土的強(qiáng)度提升具有顯著的作用，摻量為10%時改良土的qu達(dá)到摻量為5%改良土qu的兩倍以上，水泥摻入后，生成大量Ca (OH)2，進(jìn)一步離解生成OH-和Ca2+，Ca2+濃度大幅度增加，可以置換出蒙脫石等黏土礦物中吸附的主要水和Na+，從而降低了黏土顆粒的水膜層厚度，使得膨脹土的分散性、親水性和膨脹性降低，這是水泥改良膨脹土強(qiáng)度增長的主要原因。

(a) 5%水泥摻量

表1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下改良土的 qu值Talbe 1 Values of qu for specimen subjected to different dr-ying-wetting cycle干濕循環(huán)次數(shù)不同水泥摻量的qu值0%5%10%15%06071151254145751262293367513021953268124230

從表1還可以看出，qu總體上隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，未改良膨脹土的qu在經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后衰減接近50%。伴隨干濕循環(huán)的持續(xù)作用，膨脹土在反復(fù)膨脹收縮作用下易產(chǎn)生裂縫，從而改變了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其形成不具修復(fù)性的疲勞損傷，強(qiáng)度降低。而摻入水泥后，脹縮效應(yīng)減弱，因此強(qiáng)度衰減幅度減小。以水泥摻量為10%為例，在經(jīng)歷第一次干濕循環(huán)后，qu衰減16.5%左右。但其qu仍達(dá)到同樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)未改良土qu的2.8倍，隨后再經(jīng)歷干濕循環(huán)，qu只有小幅變化，因此，水泥改良對于膨脹土qu的提高效果具有較好的水穩(wěn)定性。

2.2 凍融循環(huán)影響

2.2.1自由膨脹率

圖5為不同凍融次數(shù)下改良土自由膨脹率的變化規(guī)律，可以看出，在凍融循環(huán)條件下，水泥摻量對自由膨脹率的影響規(guī)律與干濕循環(huán)條件下類似。相對經(jīng)歷第一次干濕循環(huán)，經(jīng)歷第一次凍融循環(huán)后自由膨脹率的增加幅度更大，這是由于凍融循環(huán)對于土體而言不但有自由水和弱結(jié)合水含量的變化，還伴隨著溫度的變化，但仍然是將水泥摻量控制在10%時抑制膨脹的效果最為理想。

圖5 自由膨脹率及相關(guān)衰減量變化曲線Figure 5 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

2.2.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6為UCS試驗中改良膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化。由圖6(a)可知未改良土在經(jīng)歷1次凍融循環(huán)后，土體的強(qiáng)度明顯下降，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次時強(qiáng)度才趨于穩(wěn)定，衰減幅度達(dá)到48%左右;這是由于試樣每次凍結(jié)后體積變大，而融化后，體積變形不能恢復(fù)至循環(huán)前狀態(tài)，即每一次凍融循環(huán)都會產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余凍脹變形，同時出現(xiàn)微裂縫，可見未改良膨脹土路基在凍融循環(huán)作用下將長時間處于性能衰減狀態(tài)。

(a) 0%

摻入水泥后，從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可以看出水泥改良膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)更“陡”，強(qiáng)度得到了明顯的提高，凍融循環(huán)雖仍然對強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響，但衰減的幅度有所減小，5%、10%、15%水泥摻量的改良土強(qiáng)度最終降幅分別約為13.3%、15.6%和16.2%，而且在5次凍融循環(huán)以qu趨于穩(wěn)定。

圖7為改良膨脹土峰值強(qiáng)度時應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖中的曲線關(guān)系可以得出水泥摻量為0%時應(yīng)變明顯高于改良土的應(yīng)變，而且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，該應(yīng)變隨之降低。峰值強(qiáng)度的應(yīng)變反映土試樣的塑性，破壞時應(yīng)變越大即塑性越強(qiáng)，由此可知凍融循環(huán)作用會降低土體的塑性，而摻入水泥后膨脹土的塑性保持得較為穩(wěn)定。

圖7 強(qiáng)度峰值時的應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Figure 7 The relationship between peak strain and the number of freeze-thaw cycles

2.2.3粘聚力與內(nèi)摩擦角變化情況

圖8(a)為水泥改良膨脹土粘聚力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖可得出經(jīng)歷首次凍融循環(huán)后，改良土的粘聚力下降幅值最大， 后續(xù)凍融循環(huán)對粘聚力的影響作用削弱。圖8(b)為水泥改良膨脹土內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，相對粘聚力，凍融循環(huán)對改良土內(nèi)摩擦角的影響程度更小，同時可以看出，水泥摻量由5%增加至10%時內(nèi)摩擦角提升較為明顯，而由10%增加至15%時內(nèi)摩擦角提升相對較小。

(a) 粘聚力

綜合干濕循環(huán)試驗及凍融循環(huán)試驗考慮，可知對于本文所研究膨脹土，未改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在長期自然環(huán)境作用下可能衰減50%左右，而對于水泥改良土，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約衰減13%～17%，粘聚力衰減12%～23%，內(nèi)摩擦角衰減14%～17%左右，該公路路基進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)考慮這部分的衰減。圖9為現(xiàn)場水泥改良土場拌法流程，相應(yīng)的成本預(yù)估如下:水泥摻量5%時48.3元/m3,10%時85.2元/m3,15%時147.8元/m3。從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻比控制在10%左右，進(jìn)一步增加水泥摻量取得的改良效果并不明顯，而且由于采購、存儲、運(yùn)輸、拌和等因素，成本大大增加。

圖9 現(xiàn)場水泥廠拌法流程Figure 9 Mixing process of cement in-site

3 結(jié)論

a.隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率逐漸下降，當(dāng)摻量為10%時自由膨脹率最小，但摻量超過10 %后，自由膨脹率又呈上升趨勢。干濕循環(huán)和凍融循環(huán)對水泥改良土自由膨脹率的影響都較小，其中凍融循環(huán)的影響略大。

b.未改良膨脹土的qu在經(jīng)歷5次干濕循環(huán)或9次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定，衰減幅度均接近于50%，這對實際路基工程而言是較為危險的。而摻入水泥后，qu抵抗干濕循環(huán)或凍融循環(huán)影響的能力明顯增加，衰減幅度在10%～20%范圍內(nèi)，而且在較少的循環(huán)次數(shù)下qu趨于穩(wěn)定。

c.首次凍融循環(huán)時改良土的粘聚力下降幅值最大，后續(xù)凍融循環(huán)對粘聚力的影響作用削弱，內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)的關(guān)系與上述類似，但凍融循環(huán)次數(shù)對改良土內(nèi)摩擦角的影響程度更小。

d.綜合干濕循環(huán)試驗及凍融循環(huán)試驗，未改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在長期自然環(huán)境作用下可能衰減50%左右，而對于改良土，qu、c、φ各項指標(biāo)的衰減幅度均低于23%，該公路路基進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)考慮這部分的衰減，從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻比控制在10%左右。