水泥改良公路路基土體的溫度收縮性能研究

董立強

摘要：在公路路基土體中添加2%～10%的水泥作為固化劑，采用高、低溫交變試驗箱對不同水泥摻量改良土的溫縮性能進行試驗研究。結(jié)果表明，固化劑水泥改良試件的溫縮應(yīng)變會隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸趨于平穩(wěn);固化劑水泥摻量為6%時改良土的溫縮系數(shù)在溫度10～40 ℃、溫度循環(huán)次數(shù)達到第3次時的溫縮系數(shù)較大，且溫度為30 ℃時溫縮系數(shù)達到峰值;冰點溫度區(qū)間及低溫區(qū)間的溫縮系數(shù)要低于高溫和常溫區(qū)間的溫縮系數(shù)，且溫縮系數(shù)呈現(xiàn)隨著溫度降低而減小的趨勢。固化劑水泥摻量為6%時，改良土的溫度收縮性能較好，可以有效抑制公路路基土體在溫差較大區(qū)域發(fā)生收縮裂縫的可能性，并提高公路路基土體的整體的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞：固化劑;水泥;改良土;溫度;收縮性能

中圖分類號：U416.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0156-06

Study on temperature shrinkage property of highway

subgrade soil improved with cement

DONG Liqiang

（Hebei Xiong'an Jingde Expressway Co.， Ltd.， Xiong'an 071700， Hebei China）

Abstract：By adding 2%～10% cement as solidifying agent in the soil of highway subgrade， the temperature shrinkage properties of the improved soil with different cement content were studied by using high-low temperature alternating test box. The results show that the temperature shrinkage strain of the improved samples tends to be stable with the increase of temperature cycle times， and the coefficient of temperature shrinkage of the improved soils is larger when the content of curing agent cement is 6%， the temperature shrinkage coefficient of the improved soils reaches the peak value at the temperature of 10～40 ℃ and the number of times of temperature reaches the third time， and the temperature reaches the peak value at 30 ℃. The temperature shrinkage coefficients in the degree and low temperature ranges are lower than those in the high and normal temperature ranges， and the temperature shrinkage coefficients tend to decrease with the decrease of temperature. Generally speaking， the temperature shrinkage performance of the improved soil is better when the cement content is 6%， which can effectively restrain the possibility of shrinkage cracks in the region with large temperature difference and improve the overall stability and safety of the road subgrade soil.

Key words：curing agent; cement; improved soil; temperature; shrinkage property

路基是軌道或者路面的基礎(chǔ)，是經(jīng)過開挖或填筑而形成的土工構(gòu)筑物，它承受著本身土體的自重和路面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，還承受由路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載;同時，將荷載向地基深處傳遞與擴散，所以路基是公路的承重主體[1]。在公路建設(shè)施工過程中，路基土體在鋪設(shè)過程中會遇到由于改良土中的固相、液相和氣相在升降溫過程中的相互作用使改良土產(chǎn)生的體積脹縮的現(xiàn)象，即溫度收縮。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅會對整體公路施工工程的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，還會降低整體路基的承載能力，嚴重影響公路的使用性能[2]。尤其是在晝夜溫差較大的區(qū)域，如奧運城市張家口地區(qū)，這個地區(qū)位于河北省西北部，晝夜溫差大且路基土體多使用粉質(zhì)黏土，傳統(tǒng)固化劑（水泥、石灰等）在這個地段應(yīng)用存在干縮系數(shù)大和容易開裂等問題，路基土體的溫度收縮現(xiàn)象較為顯著，有必要在現(xiàn)場施工的土體中添加固化劑以增強公路路基土體的收縮性能[3-4]。本文從現(xiàn)場施工便利性和成本低等角度出發(fā)，考慮在現(xiàn)場土體中添加適量固化劑水泥的方法，并考察不同水泥摻量作用下改良土的溫度收縮性能，這將有助于新型高溫度收縮性能的改良土的開發(fā)并推廣其在公路路基施工中的應(yīng)用。

1材料與方法

1.1工程背景

奧運城市張家口地區(qū)為典型季節(jié)性凍土區(qū)，晝夜溫差較大，在該地區(qū)進行公路施工存在一定困難，如采用傳統(tǒng)固化劑水泥改良土作為路基容易出現(xiàn)水穩(wěn)定性較差，收縮率較大等缺點。工程施工要求水泥改良公路路基土體具有較好的溫縮抗裂性能。

1.2設(shè)計方案

用于溫度收縮性能測試的梁式試件的尺寸為（50×50×200）mm，將試件進行養(yǎng)護7 d后置于烘箱中進行110 ℃保溫11 h的烘干處理，然后在高低溫交變試驗箱中進行-20～40 ℃的溫度收縮試驗，其中-20 ℃和40 ℃分別為當(dāng)?shù)啬昶骄乇碜畹秃妥罡邷囟取?/p>

1.3材料與測試方法

分別選取傳統(tǒng)水泥固化劑和新型土凝巖固化劑為固化劑對公路路基粉質(zhì)黏土進行改良，固化劑摻量在2%～10%，試驗過程中所用到的試驗裝置包括FR-1204型高低溫交變試驗箱和HAD3862型靜態(tài)應(yīng)變儀。采用應(yīng)變片法對統(tǒng)水泥固化劑和新型土凝巖固化劑改良的公路路基土體進行溫度收縮性試驗[5]。其中，高低溫交變試驗箱中的試件的宏觀形貌如圖1（a）所示，即試件整體呈橫臥式放置;試件上的應(yīng)變片與各自單獨引線連接與接入靜態(tài)應(yīng)變儀結(jié)果如圖1（b）所示。

2結(jié)果及討論

2.1固化劑水泥摻量對改良土溫縮收縮特性的影響

固化劑水泥摻量對改良土溫縮收縮特性的影響曲線，如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，在相同溫度下，隨著水泥摻量的增加，改良土試件的溫縮應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸先增加而后減小的趨勢，在水泥摻量為8%時，取得溫縮應(yīng)變最大值;而繼續(xù)增加水泥摻量至10%時，改良土試件的溫縮應(yīng)變反而會有所減小，第1個溫度循環(huán)下的溫度-溫縮應(yīng)變曲線呈倒置“塔”型。

從圖2（b）可見，改良土試件的溫縮應(yīng)變會隨著固化劑水泥摻量的增加而逐漸增大，第3個溫度循環(huán)下的溫度-溫縮應(yīng)變曲線可見降溫“凹谷”和升溫“波峰”現(xiàn)象[6]，這主要與溫度變化過程中改良土試件的內(nèi)部致密度有關(guān)，即在升溫過程中改良土?xí)r間的內(nèi)部孔隙會減少;而在降溫過程中會出現(xiàn)孔隙增大現(xiàn)象[7]。整體而言，固化劑水泥改良試件的溫縮應(yīng)變會隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸趨于平穩(wěn)。

2.2固化劑水泥摻量對改良土溫縮收縮特性的影響

溫度循環(huán)次數(shù)對固化劑水泥改良土試件溫縮應(yīng)變的影響曲線，如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，當(dāng)溫度循環(huán)次數(shù)達到3次時，改良土試件的溫縮應(yīng)變趨于穩(wěn)定，且在相同溫度循環(huán)次數(shù)下，改良土試件的溫縮應(yīng)變會隨著水泥摻量增加而呈現(xiàn)先增加后減小特征;在水泥摻量為8%時，取得溫縮應(yīng)變的最小值。

從圖3（b）升降溫次數(shù)與溫縮應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系可知（1～4次為降溫;5～8次為升溫階段），固化劑水泥改良土在降溫階段的溫縮應(yīng)變要小于升溫階段的溫縮應(yīng)變，這主要是因為降溫階段的改良土?xí)l(fā)生孔隙增大現(xiàn)象;而這孔隙變化在升溫階段并不會像降溫階段那么顯著[8]。

2.3溫度到達次數(shù)與溫縮系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

溫度與改良土溫縮系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

由圖4（a）第1個溫度循環(huán)升溫階段的溫縮系數(shù)變化可知，改良土在-20、40 ℃時的溫縮系數(shù)較大;而中間范圍內(nèi)的溫縮系數(shù)相對較小且平穩(wěn)，且高溫（40 ℃）時溫縮系數(shù)要大于低溫（-20 ℃）時溫縮系數(shù)。此外，從對比分析還可以發(fā)現(xiàn)，固化劑水泥摻量為10%時改良土的溫縮系數(shù)要低于水泥摻量為8%的改良土。

由圖4（b）第3個溫度循環(huán)降溫階段的溫縮系數(shù)變化可知，改良土在-20、40 ℃時的溫縮系數(shù)同樣高于中間范圍內(nèi)的溫宿系數(shù)，其變化機理同樣與高溫和低溫作用下改良土內(nèi)部的水化反應(yīng)與孔隙變化有關(guān)。結(jié)合第1個溫度循環(huán)升溫階段和第3個溫度循環(huán)降溫階段的溫縮系數(shù)變化，以及水泥摻量越大則改良土力學(xué)性能越高的規(guī)律[9]可知，當(dāng)水泥摻量為6%時，水泥固化劑改良土可獲得較好的溫縮性能。

2.4不同溫度下水泥改良土的溫度循環(huán)次數(shù)與溫縮系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

由圖5可以看出，30、40 ℃為高溫區(qū)間;10、20 ℃為常溫區(qū)間;0 ℃為冰點區(qū)間;-10、-20 ℃為低溫區(qū)間。循環(huán)次數(shù)中奇數(shù)次、偶數(shù)次分別對應(yīng)于降溫和升溫時的溫縮系數(shù)。從高溫區(qū)間的溫度循環(huán)次數(shù)-溫縮系數(shù)曲線圖5（a）、（b）可知，水泥改良土整體在開始達到該溫度時的溫縮系數(shù)最大，在第3次達到該溫度時的溫縮系數(shù)趨于穩(wěn)定;水泥摻量為6%時的溫縮系數(shù)在溫度循環(huán)次數(shù)達到3次及以上時保持最低。從常溫區(qū)間的溫度循環(huán)次數(shù)-溫縮系數(shù)曲線圖5（c）、（d）可知，與高溫區(qū)間相同的是，水泥改良土整體在開始達到該溫度時的溫縮系數(shù)最大，在第3次達到該溫度時的溫縮系數(shù)趨于平穩(wěn);由對比可知，常溫區(qū)間的溫縮系數(shù)整體低于高溫區(qū)域的溫縮系數(shù)，這主要是與高溫階段會造成水泥改良土中水分的流失，在多次高低溫交變循環(huán)下內(nèi)部孔隙增大，局部還會出現(xiàn)微裂紋等有關(guān)。在冰點溫度圖5（e）可知，由于改良土中微裂縫的萌生和擴展，改良土中的水和冰的轉(zhuǎn)化會造成內(nèi)部孔隙以及原有改良土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成溫縮系數(shù)會低于高溫和常溫階段，且當(dāng)水泥摻量為6%時的改良土的溫縮系數(shù)會從升溫時的減小轉(zhuǎn)變?yōu)榻禍貢r的降低。

從低溫區(qū)間的溫度循環(huán)次數(shù)-溫縮系數(shù)曲線圖5（f）、（g）可知，當(dāng)固化劑水泥摻量為2%時，-10 ℃時改良土的溫縮系數(shù)與高溫、常溫和冰點區(qū)間相同;而水泥土摻量為4%、6%、8%和10%時改良土的溫縮系數(shù)隨著溫度減小而降低，且由于低溫下水分得不到補充而使得溫縮系數(shù)趨于穩(wěn)定;-20 ℃時改良土的溫縮系數(shù)稍高于常溫區(qū)間和冰點區(qū)間，且固化劑水泥摻量為6%時的改良土具有較優(yōu)的低溫溫縮性能。

2.5固化劑水泥摻量為6%時改良土的溫縮系數(shù)與溫度次數(shù)和溫度變化關(guān)系

固化劑水泥摻量為6%時改良土的溫縮系數(shù)、溫度次數(shù)與溫度變化關(guān)系，具體如圖6所示。

從圖6（a）溫度次數(shù)-溫度變化三維圖中可知，固化劑水泥摻量為6%時改良土的溫縮系數(shù)在溫度10～40 ℃、溫度次數(shù)達到第3次時的溫縮系數(shù)較大，且溫度為30 ℃時溫縮系數(shù)達到峰值;冰點溫度區(qū)間及低溫區(qū)間的溫縮系數(shù)要低于高溫和常溫區(qū)間的溫縮系數(shù)，且溫縮系數(shù)呈現(xiàn)隨著溫度降低而減小的趨勢。究其原因，這主要與較低溫度下固化劑水泥改良土中的水冰之間會發(fā)生轉(zhuǎn)化而造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，局部會產(chǎn)生疏松并形成微裂紋有關(guān)。

從圖6（b）溫度次數(shù)-溫度變化云圖中清晰可見，固化劑水泥改良土的溫縮系數(shù)最大區(qū)域出現(xiàn)在溫度30 ℃、溫度次數(shù)3次附近，且溫度在0～40 ℃、溫度次數(shù)1～2次時的溫縮系數(shù)較大;而-10 ℃及以下溫度時的溫縮系數(shù)較小。這主要是由于高低溫交變試驗在封閉環(huán)境下進行，固化劑水泥改良土的水分得不到補充，水泥改良土在初始階段的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)變化較大，而在多次到溫后，改良土中的孔隙率和裂紋等數(shù)量變化幅度減小，溫縮性能會逐漸趨于穩(wěn)定。

3結(jié)語

（1）固化劑水泥改良試件的溫縮應(yīng)變會隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸趨于平穩(wěn);

（2）當(dāng)水泥摻量為6%時，水泥固化劑改良土可獲得較好的溫縮性能。高溫區(qū)間，水泥改良土整體在開始達到該溫度時的溫縮系數(shù)最大，在第3次達到該溫度時的溫縮系數(shù)趨于穩(wěn)定;水泥摻量為6%時的溫縮系數(shù)在溫度循環(huán)次數(shù)達到3次及以上時保持最低。當(dāng)固化劑水泥摻量為2%時，-10 ℃時改良土的溫縮系數(shù)與高溫、常溫和冰點區(qū)間相同;而水

泥土摻量為4%、6%、8%和10%時改良土的溫縮系數(shù)隨著溫度減小而降低，且由于低溫下水分得不到補充而使得溫縮系數(shù)趨于穩(wěn)定;-20 ℃時改良土的溫縮系數(shù)稍高于常溫區(qū)間和冰點區(qū)間，且固化劑水泥摻量為6%時的改良土具有較優(yōu)的低溫溫縮性能;

（3）固化劑水泥摻量為6%時改良土的溫縮系數(shù)在溫度10～40 ℃、溫度次數(shù)達到第3次時的溫縮系數(shù)較大，且溫度為30 ℃時溫縮系數(shù)達到峰值;冰點溫度區(qū)間及低溫區(qū)間的溫縮系數(shù)要低于高溫和常溫區(qū)間的溫縮系數(shù)，且溫縮系數(shù)呈現(xiàn)隨著溫度降低而減小的趨勢。

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