水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖路基填土試驗(yàn)研究

康國(guó)芳

(中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500)

千枚巖屬于具有千枚狀構(gòu)造的低級(jí)變質(zhì)巖石，由于其特殊的形成方式，導(dǎo)致千枚巖具有受荷變形大、遇水不穩(wěn)定等特性。用作路基材料時(shí)，天然狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)千枚巖地層強(qiáng)度不足，無法承受較大的上部荷載，常發(fā)生不均勻沉降變形，甚至出現(xiàn)路面沉陷等病害。近年來南昌地區(qū)市政道路建設(shè)中，路基修筑區(qū)域分布大量強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，埋深最大處可達(dá)20m。強(qiáng)風(fēng)化千枚巖在雨水不斷滲透下，發(fā)生軟化，造成道路病害，縮短使用壽命。

多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就千枚巖等不良地層路基填土的改良研究有了更進(jìn)一步的發(fā)展[1]，Ramamurthy 等[2]研究了千枚巖的力學(xué)特性及抗剪性能，Garzón等[3]研究了千枚巖的工程特性。趙麗婭等[4]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破碎后的千枚巖更易壓實(shí)，但遇水后仍具有較高的遇水變形特性?；诖?，趙磊等[5]通過水穩(wěn)定性試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，并認(rèn)為千枚巖自身不具有作為路基填料的條件，因此有必要開展千枚巖用作路基填料的改良性研究。毛雪松等[6]分析了不同水泥摻量下的千枚巖工程特性，并認(rèn)為經(jīng)水泥改良后的千枚巖能夠滿足路基的填筑要求，同時(shí)也提出了水泥改良千枚巖的路基施工方案[7]。張廷杰等[8]對(duì)水泥改良千枚巖用作路基填料進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，正交試驗(yàn)表明水泥的摻入能夠大幅度提高千枚巖的水穩(wěn)定性，同時(shí)通過電鏡掃描從微觀的角度解釋了水泥的摻入對(duì)千枚巖的改良效果。吳永勝等[9]對(duì)千枚巖的破壞模式進(jìn)行了分類，并指出其破壞模式與結(jié)構(gòu)發(fā)育程度及內(nèi)部膠結(jié)方式有關(guān)。雷永智等[10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)化程度和水是影響其力學(xué)性質(zhì)的主要因素，并通過浸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，浸水后千枚巖的強(qiáng)度與抗壓性能均大幅降低。蔡國(guó)軍等[11]就飽水狀態(tài)下的千枚巖軟化效應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，并指出隨著時(shí)間的變化其剪切應(yīng)力峰值也逐漸降低。

本文以南昌地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)探究強(qiáng)風(fēng)化千枚巖的各項(xiàng)物理力學(xué)特性，并在此基礎(chǔ)上以水泥作為添加劑對(duì)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖進(jìn)行改良，主要研究強(qiáng)風(fēng)化千枚巖改良后的強(qiáng)度及水理特性，研究成果對(duì)多雨地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖路基工程具有指導(dǎo)意義。

1 材料特性與礦物成分

1.1 材料特征

試驗(yàn)所需千枚巖如圖1所示，具有以下特征：巖石新鮮面及風(fēng)化面均為土黃色，巖石內(nèi)部摻雜有紅色、黑褐色等雜色，紅色雜色主要位于層理面，浸水濕潤(rùn)后紅色程度加深，千枚狀構(gòu)造明顯，巖體嚴(yán)重破碎，可輕易分解成不同大小碎塊，用手捏碎后細(xì)顆粒具有粉砂質(zhì)感；具有明顯的針狀結(jié)構(gòu)，錘輕敲時(shí)有凹陷，重敲時(shí)巖塊極易破碎，破碎后呈針片狀，并伴有嚴(yán)重粉化現(xiàn)象。浸水或干濕交替時(shí)，遇水后吸水效應(yīng)明顯，軟化現(xiàn)象顯著，之后崩解、泥化，整體抗水侵蝕能力差。

圖1 天然狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化千枚巖

1.2 礦物成分

采用D8 ADVANCE多晶X射線衍射儀對(duì)千枚巖進(jìn)行試驗(yàn)，完成峰值圖成像后，運(yùn)用MID Jade 6軟件對(duì)衍射圖譜進(jìn)行分析，將試驗(yàn)獲得的試樣峰值圖與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡進(jìn)行對(duì)比，最終得到強(qiáng)風(fēng)化千枚巖的礦物成分。試驗(yàn)之前選取合適試樣，將試樣放入烘箱中在105℃下烘干至恒重，將試樣取出，自然冷卻至室溫后研磨成粉末狀，并選取粒徑大小約40μm的粉末作為試驗(yàn)樣品。試驗(yàn)中將試樣裝入試樣架的凹槽內(nèi)，刮平試樣與試樣架表面，使粉末試樣表面與試樣架平面在同一水平面上，放入儀器中進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)X射線衍射試驗(yàn)圖譜進(jìn)行分析，自然狀態(tài)下千枚巖的礦物成分中石英占48.2%、白云母占31.9%、金云母13.2%、高嶺石占6.5%、其他礦物占0.2%。白云母和金云母均屬于云母類礦物，云母在水中處于游離狀態(tài)，易發(fā)生剝離；高嶺石屬于黏土礦物，易吸水，水敏感性高；親水礦物云母和高嶺石在千枚巖中大量存在，總占比超過50%，在很大程度上影響著千枚巖的水理性質(zhì)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方法共設(shè)置水泥摻量、含水量、含石率及養(yǎng)護(hù)齡期4個(gè)影響因素，每種因素均設(shè)置5個(gè)水平，試樣設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水泥摻量為水泥質(zhì)量與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，設(shè)置為5%、10%、15%、20%、25%。含水量為加入水的質(zhì)量與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)，設(shè)置為10%、15%、20%、25%、30%。將千枚巖過4.75mm標(biāo)準(zhǔn)篩，含石率為粒徑大于4.75mm的顆粒含量占強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，此次試驗(yàn)設(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%。養(yǎng)護(hù)齡期設(shè)置為1d、7d、14d、21d、28d。采用兩種養(yǎng)護(hù)方式，養(yǎng)護(hù)方式1為整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期試樣均在自然環(huán)境中干燥養(yǎng)護(hù)(室溫25℃，無水分補(bǔ)充)；養(yǎng)護(hù)方式2為養(yǎng)護(hù)齡期的最后一天試樣采用濕養(yǎng)方式，即在水中浸泡養(yǎng)護(hù)24h，使試樣在水中自然浸潤(rùn)，其中養(yǎng)護(hù)齡期1d的試樣脫模后直接浸泡在水中。

3 水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖的強(qiáng)度特征分析

試樣采用靜壓法壓制成150mm×150mm的圓柱體，如圖2所示，試驗(yàn)操作按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行。將制作完成后的試樣采取上述兩種養(yǎng)護(hù)方式分別進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)后的試樣放入萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，按1mm/min速率對(duì)試樣進(jìn)行加載，當(dāng)試樣破壞時(shí)記錄下峰值荷載作為試樣破壞荷載P，每組試驗(yàn)均采用3個(gè)試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理時(shí)剔除誤差較大的試驗(yàn)值后，取平均值作為試驗(yàn)的最終值。試驗(yàn)結(jié)果按式(1)計(jì)算。

圖2 水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖試樣

(1)

式中：R——試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(MPa)；P——試件破壞時(shí)的荷載值(N)；A——試樣的橫截面積(mm2)。

3.1 干燥條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

按各試驗(yàn)編號(hào)的配合比制作試樣，將靜壓法制好的試樣在空氣中干燥養(yǎng)護(hù)，分別養(yǎng)護(hù)1d、7d、14d、21d、28d，養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖3所示。由圖可知，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加出現(xiàn)明顯提升。強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料經(jīng)過改良后的強(qiáng)度主要由三部分組成，即填料本身強(qiáng)度、物理改良強(qiáng)度及化學(xué)改良強(qiáng)度。千枚巖顆粒形成的土骨架的強(qiáng)度決定了填料的基本強(qiáng)度；物理改良強(qiáng)度是水泥反應(yīng)后形成的水化物與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料摻雜后填充在填料的間隙中，減小了填料的空隙，增大了填料顆粒之間的有效接觸面積，可有效提高其抗壓性能，達(dá)到提高抗壓強(qiáng)度的目的；化學(xué)改良強(qiáng)度是因?yàn)樗嗯c水反應(yīng)后形成膠凝物質(zhì)與填料膠結(jié)在一起，構(gòu)成了改良后強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的骨架，由于水泥硬化后的生成物硬度比強(qiáng)風(fēng)化千枚巖的硬度高出許多，故水泥產(chǎn)物的骨架作用與水泥摻量呈正相關(guān)，促成了強(qiáng)風(fēng)化千枚巖改良后的強(qiáng)度增長(zhǎng)[12]。

圖3 養(yǎng)護(hù)方式1下不同條件對(duì)水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

水泥改良后強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，主要由三個(gè)原因?qū)е拢旱谝环矫?，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，水泥的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，越來越多水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)在強(qiáng)風(fēng)化千枚巖周圍硬化，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的強(qiáng)度出現(xiàn)持續(xù)提高；第二方面，填料內(nèi)部的大部分水分被前期未反應(yīng)完全的水泥逐步吸收反應(yīng)，多余的水分則在養(yǎng)護(hù)過程中蒸發(fā)成氣體，并不會(huì)對(duì)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖產(chǎn)生侵蝕作用，故千枚巖填料本身的基本強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生衰減；第三方面，水泥反應(yīng)后已經(jīng)生成的膠凝物質(zhì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而進(jìn)一步硬化，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度上升。

隨著含石率的增加，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因?yàn)椋弘S著含石率的增加其基本強(qiáng)度在降低，故降低了強(qiáng)風(fēng)化千枚巖改良后的強(qiáng)度，但是根據(jù)極差分析可知，千枚巖含石率對(duì)試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較小。

從各因素的變化趨勢(shì)圖中可以看出，試樣改良后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水量的增加呈先增大后減小趨勢(shì)，25%含水量時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。改良過程中隨著含水量的增加，水泥與水混合后得到充分反應(yīng)，反應(yīng)越充分生成的膠凝物質(zhì)越多，在強(qiáng)風(fēng)化千枚巖中構(gòu)成堅(jiān)固的骨架，這是含水量增加導(dǎo)致千枚巖填料改良后強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要原因。此外，從前述研究中發(fā)現(xiàn)水分的增加可以提高強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的黏聚力，故一定程度含水量的增加可有效提高千枚巖顆粒之間的黏聚性，顆粒之間更容易形成土團(tuán)聚集體，使得千枚巖抵抗荷載的能力增強(qiáng)。當(dāng)含水量提高到一定程度時(shí)，即超過25%含水量，強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，該現(xiàn)象主要由兩方面原因?qū)е拢菏紫龋罅克肿饔孟?，來不及與水泥發(fā)生反應(yīng)的水侵蝕到千枚巖內(nèi)部，使得千枚巖的親水礦物遇水后發(fā)生崩解，千枚巖顆粒之間的黏結(jié)作用減弱，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的基本強(qiáng)度下降，同時(shí)受水分侵蝕后的千枚巖整體凝聚性減弱，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)難以凝聚千枚巖顆粒；其次，強(qiáng)度下降表明水泥充分與水發(fā)生反應(yīng)后還剩余大量水，這部分水游離在強(qiáng)風(fēng)化千枚巖土體顆粒的表面，使得顆粒之間的水膜變得更厚，對(duì)土體顆粒之間的相對(duì)移動(dòng)起到潤(rùn)滑作用，也導(dǎo)致了土顆粒之間的排斥力增大，在外力作用下顆粒之間在受到擾動(dòng)時(shí)更易發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，最終表現(xiàn)為改良后強(qiáng)度下降。

3.2 浸泡條件下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

將靜壓法壓制好的試樣按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)齡期在自然環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試樣在養(yǎng)護(hù)齡期的最后一天放入水中浸泡，將水泥摻量低的試樣放入水中后迅速冒出大量氣泡，同時(shí)伴有明顯崩解剝落現(xiàn)象，可見有大量水分進(jìn)入試樣，該現(xiàn)象是由試樣的空隙率較大、水分滲流通道暢通導(dǎo)致的。隨著水泥摻量的增加，氣泡逐漸減少，崩解剝落現(xiàn)象不明顯?？梢姡嗨饔卯a(chǎn)生的膠凝物質(zhì)不僅提高了強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的整體性，而且由于膠凝物質(zhì)的水穩(wěn)定性好，封閉了水流通道，有效降低了侵入強(qiáng)風(fēng)化千枚巖內(nèi)部的水量，減小了試樣發(fā)生崩解剝離的可能性。所有試樣浸水養(yǎng)護(hù)后均不出現(xiàn)整體崩解現(xiàn)象，從宏觀定性角度可見經(jīng)過改良后千枚巖的整體性及水穩(wěn)定性得到顯著提高。

如圖4所示為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料改良后在養(yǎng)護(hù)齡期的最后一天進(jìn)行泡水養(yǎng)護(hù)在不同條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，從中可以看出水泥摻量對(duì)整體強(qiáng)度影響最大，養(yǎng)護(hù)齡期次之，含石率及含水量分列第三和第四位，表明水泥摻量對(duì)強(qiáng)度影響最大，養(yǎng)護(hù)齡期影響排名第二，而后是含石率及含水量的影響。通過均值趨勢(shì)圖不難看出，在養(yǎng)護(hù)方式2的最優(yōu)水平組合為：水泥摻量25%、含水量25%、含石率20%、養(yǎng)護(hù)齡期28d，驗(yàn)證性試驗(yàn)強(qiáng)度為3.98MPa，試驗(yàn)驗(yàn)證成功，并且該養(yǎng)護(hù)方式下的強(qiáng)度也達(dá)到了目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。與養(yǎng)護(hù)方式1進(jìn)行對(duì)比可知，該養(yǎng)護(hù)條件下各因素對(duì)強(qiáng)度影響的變化趨勢(shì)類似。由此可知，水泥在強(qiáng)風(fēng)化千枚巖改良后的強(qiáng)度增長(zhǎng)中作用仍然最顯著，該養(yǎng)護(hù)方式下的強(qiáng)度增長(zhǎng)原因與養(yǎng)護(hù)方法1中類似，并且影響因素對(duì)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不受最后一天的浸泡影響。

圖4 養(yǎng)護(hù)方式2不同條件對(duì)水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

4 強(qiáng)風(fēng)化千枚巖改良后強(qiáng)度生成機(jī)理分析

普通硅酸鹽水泥主要由硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)及鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3Fe2O3)等成分組成，其中硅酸鈣占絕大部分。水泥加入強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料后與水發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)形成Ca(OH)2及其他水化物，水化物隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸硬化并具有強(qiáng)度，在土中起骨架作用；同時(shí)，水化物還會(huì)與土體及空氣進(jìn)行反應(yīng)，促進(jìn)土體強(qiáng)度進(jìn)一步增長(zhǎng)。水泥對(duì)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖路基填料的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理主要通過硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)、離子交換及團(tuán)?；磻?yīng)、硬凝反應(yīng)以及碳化反應(yīng)等四個(gè)過程，其中水泥摻入到強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料中首先是水泥與水分進(jìn)行一系列復(fù)雜反應(yīng)，生成各種水化物。這一階段是水泥改良千枚巖填料的基礎(chǔ)反應(yīng)，也是水泥加固千枚巖的物質(zhì)來源，而水泥與水反應(yīng)后生成大量Ca(OH)2等水化物，Ca(OH)2也會(huì)以Ca2+及OH-的形式存在，水化物中的Ca2+與千枚巖土體顆粒中的Na+、K+發(fā)生置換反應(yīng)，使得土體顆粒表面水膜變薄，顆粒之間連接更加緊密，該反應(yīng)的結(jié)果是促使土粒凝結(jié)成大顆粒土團(tuán)。同時(shí)，水化物以條帶狀圍繞在土顆粒周圍，Ca(OH)2具有強(qiáng)烈的吸附作用，縮小土體之間的空隙，使土體更加緊密地結(jié)合在一起[13]。

綜上可知，水泥改良強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理是水泥、水、空氣以及千枚巖顆粒之間進(jìn)行的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成Ca(OH)2等水化物及其他水穩(wěn)定物，減小了千枚巖顆粒之間的空隙，使得千枚巖顆粒凝聚成更大的團(tuán)粒；同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的強(qiáng)度提升也更加明顯。

5 結(jié)論

(1)將水泥當(dāng)成改良劑摻入千枚巖中進(jìn)行改良，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈明顯增高趨勢(shì)，其中最佳配比推薦為水泥摻量25%、含水量25%、含石率20%進(jìn)行施工，此時(shí)能夠滿足Ⅰ、Ⅱ級(jí)路基填料的設(shè)計(jì)要求。

(2)強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料經(jīng)過改良后的強(qiáng)度主要由三部分組成，即填料本身強(qiáng)度、物理改良強(qiáng)度及化學(xué)改良強(qiáng)度。千枚巖顆粒形成的土骨架的強(qiáng)度決定了填料的基本強(qiáng)度；物理改良強(qiáng)度是水泥反應(yīng)后形成的水化物與強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料摻雜后填充在填料的間隙中，減小了填料的空隙，增大了填料顆粒之間的有效接觸面積，可有效提高其抗壓性能，達(dá)到提高抗壓強(qiáng)度的目的。

(3)水泥改良后強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，越來越多水泥水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)在強(qiáng)風(fēng)化千枚巖周圍硬化，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化千枚巖填料的強(qiáng)度出現(xiàn)持續(xù)提高；同時(shí)，填料內(nèi)部的大部分水分被前期未反應(yīng)完全的水泥逐步吸收反應(yīng)，多余的水分則在養(yǎng)護(hù)過程中蒸發(fā)成氣體，另外一方面則是水泥反應(yīng)后已經(jīng)生成的膠凝物質(zhì)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而進(jìn)一步硬化。

(4)改良后的試樣在不同養(yǎng)護(hù)條件下呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性，因此在工程實(shí)際活動(dòng)過程中應(yīng)注意施工完成后的養(yǎng)護(hù)工作。

(5)強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理主要由水泥、水、空氣以及千枚巖顆粒等因素之間所產(chǎn)生的反應(yīng)，反應(yīng)所生成的水化物及其他水穩(wěn)定物，降低了千枚巖顆粒間的空隙，從而保證顆粒間能夠形成更大的團(tuán)粒；同時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)水泥的水化反應(yīng)越徹底，使得千枚巖的整體力學(xué)性能得到了改善。