水泥-瀝青粉復(fù)合穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度及滲透特性

路本升， 李雪和， 韋金城， 張保碩， 吳文娟， 孫兆云， 劉海峰

(1.山東高速濟(jì)南繞城西線公路有限公司， 濟(jì)南 250108； 2.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 武漢 430065；3.山東省交通科學(xué)研究院高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250102； 4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071; 5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院， 北京 100049)

在黃河沖積平原地區(qū)，粉土常被用作路基填筑材料。但由于黃泛區(qū)天然粉土存在顆粒級(jí)配不良、毛細(xì)管發(fā)育等特征，當(dāng)直接用于路基填筑時(shí)，容易引起路面結(jié)構(gòu)早期破壞、路堤浸水凍脹翻漿[1-3]。針對(duì)粉土的路基適用性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的粉土改良固化研究工作。崔偉等[4]、Pu等[5]利用水泥穩(wěn)定粉土，發(fā)現(xiàn)水泥對(duì)粉土力學(xué)性能和水穩(wěn)定性提高顯著，但單摻時(shí)的水泥使用量較高。張艷美等[6]采用納米二氧化硅和石灰改良粉土發(fā)現(xiàn)，納米SiO2與石灰反應(yīng)生成水化硅酸鈣，能夠大幅提高土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。Zhang等[7]利用木質(zhì)素改良粉土發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素能夠提高粉土的強(qiáng)度和耐久性，且改良土的水穩(wěn)定系數(shù)高于石灰改良土。孫仁娟等[8]采用礦渣等固廢物固化粉土發(fā)現(xiàn)，水泥的水化反應(yīng)和固廢物的火山灰反應(yīng)分別提供了固化土的前期及后期強(qiáng)度。上述研究在粉土改良固化方面取得了良好的試驗(yàn)效果，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在改良效果單一、應(yīng)用難度較高等問(wèn)題。因此，粉土改良固化研究應(yīng)結(jié)合工程需求，充分發(fā)揮無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的性能，提高穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度和耐久性能。

在工程實(shí)踐中，由于乳化瀝青具有良好的黏結(jié)能力、抗腐蝕性和憎水性，被廣泛應(yīng)用于建筑防水、道路及橋梁工程[9-10]。目前，國(guó)外已有學(xué)者利用乳化瀝青穩(wěn)定粉砂土[11]。相比之下，國(guó)內(nèi)關(guān)于瀝青材料柔性固化粉土的研究較少，目前相關(guān)研究多集中在山東省交通科學(xué)研究院。樊亮等[12-13]利用乳化瀝青復(fù)合改良粉土，結(jié)果表明乳化瀝青的復(fù)合膠凝效應(yīng)可提高粉土的早期強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

但乳化瀝青穩(wěn)定粉土常受現(xiàn)場(chǎng)拌合能力限制，施工難度較大。而基質(zhì)瀝青粉保留了乳化瀝青的材料性質(zhì)，同時(shí)基質(zhì)瀝青粉穩(wěn)定粉土簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)混合工序，便于材料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。孫兆云等[14]采用燒結(jié)法赤泥和基質(zhì)瀝青粉穩(wěn)定粉土發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定粉土的抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和抗凍性能提升顯著。同時(shí)瀝青分子在高溫下所具有的損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等性能，可顯著提升粉土柔性固化效果。

在綜合考慮現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，現(xiàn)將瀝青粉和水泥作為摻加劑，探究該種復(fù)合固化劑對(duì)黃河沖積粉土的穩(wěn)定固化效果。著重探究穩(wěn)定粉土的壓實(shí)及強(qiáng)度特性，并基于核磁共振和滲透試驗(yàn)獲得穩(wěn)定粉土的孔隙結(jié)構(gòu)及滲透特性的演化規(guī)律，揭示穩(wěn)定粉土強(qiáng)度及滲透特性演化的微觀機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)粉土取自山東省齊河縣，基本物性指標(biāo)如表1所示。采用密度計(jì)法測(cè)定粉土的顆粒級(jí)配，顆粒分析結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明粉土中粉粒(0.005 mm

試驗(yàn)水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。瀝青粉是由70號(hào)基質(zhì)瀝青加熱冷卻破碎形成，瀝青粉的粒徑均小于0.075 mm。

在該配合比條件下，穩(wěn)定粉土的最優(yōu)含水率及最大干密度依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[15]的相關(guān)規(guī)定，基于重型擊實(shí)試驗(yàn)確定。穩(wěn)定粉土的擊實(shí)曲線如圖2所示，在該配和比條件下穩(wěn)定粉土的最大干密度為1.79 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.9%。

表1 天然粉土的基本物性指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of silt

圖1 粉土粒徑分布曲線Fig.1 Granulometric analysis curve of silt

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Compaction test results

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用水泥和瀝青粉復(fù)合穩(wěn)定黃河沖積粉土，其中瀝青粉的摻量為粉土干重的4%，水泥摻量為粉土干重的6%。根據(jù)室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，按96%壓實(shí)度靜壓成型圓柱形試件。試樣制備借助廈門智研新創(chuàng)SA-ECM-01型多功能電動(dòng)液壓制樣機(jī)，制樣儀器和圓柱體試樣如圖3所示。將試件在溫度(20±2) ℃、濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的試驗(yàn)齡期，并按表2開(kāi)展試驗(yàn)。

圖3 制樣設(shè)備和試樣Fig.3 Sample preparation equipment and test samples

表2 穩(wěn)定粉土試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme for stabilized silt

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)安排

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)借助深圳科比試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用位移控制法進(jìn)行加載。軸向加載速率依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[15]的規(guī)定，設(shè)置為1 mm/min。穩(wěn)定粉土在自然含水狀態(tài)的齡期強(qiáng)度均開(kāi)展2次平行試驗(yàn)，分別為試樣1、試樣2。同時(shí)為探究含水率對(duì)穩(wěn)定粉土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，針對(duì)3、7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的穩(wěn)定粉土試樣，開(kāi)展了飽和含水狀態(tài)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后不同齡期自然含水狀態(tài)的穩(wěn)定粉土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 不同齡期穩(wěn)定粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curve of stabilized silt at different ages

軸向荷載施加后，各齡期試樣的軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，并在峰值應(yīng)力前出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。達(dá)到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力緩慢過(guò)渡、跌落，試樣破壞。試樣的破壞類型主要由加載壓頭與土樣端部的約束決定，可分為劈裂破壞、圓錐形破壞兩類。不同齡期穩(wěn)定粉土的破壞應(yīng)變介于2%～3%。

相同齡期下穩(wěn)定粉土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形態(tài)基本一致，均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，軸向應(yīng)力在達(dá)到峰值后跌落。同時(shí)，相同齡期穩(wěn)定粉土的峰值強(qiáng)度較為接近。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖5為穩(wěn)定粉土在不同齡期、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后自然含水狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱狀圖。由圖5可知，穩(wěn)定粉土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，7 d齡期強(qiáng)度較高，而后強(qiáng)度增長(zhǎng)放緩。1、3、7、14和28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為636、855、976、1 063和1 161 kPa。與1 d齡期強(qiáng)度相比，其3、7、14和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高34%、53%、67%和83%。在28 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度呈現(xiàn)隨齡期增長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)。

與其他粉土改良方案相比，水泥-瀝青粉穩(wěn)定粉土的早期強(qiáng)度良好。徐東升[1]、樊亮等[12]的研究結(jié)果表明，二灰穩(wěn)定粉土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為715 kPa；乳化瀝青和水泥復(fù)合穩(wěn)定粉土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為789～897 kPa。兩者的7 d強(qiáng)度均低于水泥-瀝青粉穩(wěn)定粉土。

圖5 不同齡期穩(wěn)定粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 Unconfined compressive strength of stabilized silt at different ages

2.3.2 彈性模量

路基土的彈性模量反映其抵抗壓縮變形的能力。在穩(wěn)定粉土壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，選取峰前階段0.4frk～0.6frk(frk為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度)強(qiáng)度點(diǎn)之間的曲線，進(jìn)行擬合分析，確定各試樣的彈性模量。

不同齡期穩(wěn)定粉土，在自然含水狀態(tài)下的彈性模量如圖6所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，穩(wěn)定粉土的彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律基本相似。1 d和3 d標(biāo)養(yǎng)試樣的彈性模量較為接近，而后隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣的彈性模量增長(zhǎng)迅速，穩(wěn)定粉土在7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的彈性模量已經(jīng)達(dá)到123 MPa，隨后較為穩(wěn)定。

圖6 不同齡期穩(wěn)定粉土的彈性模量Fig.6 Elastic modulus of stabilized silt at different ages

2.3.3 強(qiáng)度及彈性模量對(duì)含水狀態(tài)的響應(yīng)規(guī)律

為比較含水狀態(tài)對(duì)穩(wěn)定粉土強(qiáng)度及變形的影響規(guī)律，試驗(yàn)針對(duì)3、7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的穩(wěn)定粉土，開(kāi)展飽和含水狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)前，采用土樣飽和器將穩(wěn)定粉土的圓柱體試樣固定，將其置于真空飽和容器中，進(jìn)行抽真空飽和。在100 kPa的負(fù)壓下飽和8 h，并在原容器中靜置4 h。取出試樣，拭去表面水分后，置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中，開(kāi)展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。上述3個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期的穩(wěn)定粉土試樣各開(kāi)展兩次飽和狀態(tài)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平行試驗(yàn)。

表3為不同含水狀態(tài)下(自然含水、飽和含水)穩(wěn)定粉土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量對(duì)比。由于飽和粉土試樣中的水分浸入，削弱了顆粒間黏結(jié)力，使得同齡期飽和狀態(tài)下的穩(wěn)定粉土與自然含水狀態(tài)相比，其抗壓強(qiáng)度和彈性模量均有所減弱。

表3 不同含水狀態(tài)下穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度及彈性模量對(duì)比Table 3 Comparison of strength and elastic modulus of stabilized silt under different water content

3、7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的穩(wěn)定粉土的飽和強(qiáng)度為同期自然含水狀態(tài)的85%、87%、93%。可見(jiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度對(duì)含水狀態(tài)的敏感性減弱。這是由于穩(wěn)定粉土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，瀝青粉、水泥與土顆粒發(fā)生膠結(jié)，形成穩(wěn)固的凝聚結(jié)構(gòu)，保證了土樣的早期強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，水泥的水化產(chǎn)物(水化硅酸鈣)不斷增加，填充粒間孔隙，增加了顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，提高了土樣的抗壓強(qiáng)度，降低了穩(wěn)定粉土抗壓強(qiáng)度對(duì)含水狀態(tài)的敏感性。

3 核磁共振試驗(yàn)

核磁共振儀能夠探測(cè)飽水土樣孔隙中水的橫向弛豫時(shí)間T2。由核磁共振理論可知，當(dāng)多孔介質(zhì)完全飽和后，單一孔隙的橫向弛豫時(shí)間T2值與孔隙的表面積S和體積V的比值成正比。因此，根據(jù)土樣測(cè)試得到的T2分布可換算得到土樣的孔徑分布特征。

穩(wěn)定粉土的核磁共振試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所與蘇州紐邁公司聯(lián)合研制的PQ-001型Mini NMR核磁共振分析儀進(jìn)行。試驗(yàn)選用2件直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱體穩(wěn)定粉土試樣，逐次在1、3、7 d養(yǎng)護(hù)齡期后開(kāi)展飽和土樣的橫向弛豫時(shí)間T2測(cè)試，以期得到穩(wěn)定粉土試樣隨養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí)的孔隙分布特征演化規(guī)律。試樣在每次核磁共振試驗(yàn)前均抽真空飽和12 h，兩件試樣的編號(hào)分別為HC-1、HC-2。

不同齡期穩(wěn)定粉土的T2時(shí)間分布曲線如圖7所示。為辨別T2時(shí)間分布曲線對(duì)應(yīng)的孔隙大小，參考譚龍等[16]的研究成果，將橫向弛豫時(shí)間T2為0.1～10 ms的孔隙歸為小孔隙分布，10～100 ms的孔隙歸為大孔隙分布。

由圖7可以看出，穩(wěn)定粉土中大小孔隙的數(shù)量均隨齡期的增加而減小，穩(wěn)定粉土T2曲線的峰值發(fā)生偏移，小孔隙的峰值(小孔隙優(yōu)勢(shì)孔徑)向右偏移，大孔隙的峰值(大孔隙優(yōu)勢(shì)孔徑)向左偏移。

由核磁共振的弛豫機(jī)制可知，多孔介質(zhì)中流體存在3種弛豫，即橫向體積(自由)弛豫、橫向表面弛豫和擴(kuò)散弛豫[17]。針對(duì)土體介質(zhì)中孔隙水的研究表明，自由弛豫與擴(kuò)散弛豫對(duì)弛豫時(shí)間T2的影響基本忽略不計(jì)，土樣中孔隙水的T2值只與土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙相關(guān)[18-19]，即

(1)

式(1)中：r為孔徑，μm；Fs為孔隙形狀因子，球形孔隙為3，柱狀孔隙為2；p2為橫向弛豫率，粉土的橫向弛豫率取值為325 μm/s。

圖7 不同齡期穩(wěn)定粉土的T2分布曲線Fig.7 T2 distribution curves of stabilized silt at different ages

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)穩(wěn)定粉土在養(yǎng)護(hù)早期大小孔隙孔徑的變化規(guī)律，將T2分布曲線中峰值對(duì)應(yīng)的T2表征為土樣中的優(yōu)勢(shì)孔徑大小[19]。并將式(1)中的Fs簡(jiǎn)化取值為2，則式(1)可轉(zhuǎn)化為

r=2p2T2

(2)

據(jù)此，對(duì)不同齡期穩(wěn)定粉土的優(yōu)勢(shì)孔徑進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4和圖8所示。

由表4和圖8可知，大孔隙的優(yōu)勢(shì)孔徑隨齡期的增加呈下降趨勢(shì)，小孔隙的優(yōu)勢(shì)孔徑隨齡期的增長(zhǎng)不斷增加。呈現(xiàn)這種變化的原因?yàn)榉€(wěn)定粉土隨齡期的增長(zhǎng)，水泥的水化產(chǎn)物逐漸填充土體孔隙，導(dǎo)致大孔隙孔徑逐漸縮小，整體孔隙數(shù)量呈下降趨勢(shì)。

表4 不同齡期穩(wěn)定粉土的優(yōu)勢(shì)孔徑Table 4 Dominant pore size of stabilized silt at different ages

圖8 穩(wěn)定粉土優(yōu)勢(shì)孔徑隨齡期的變化規(guī)律Fig.8 The evolution of the dominant pore size of stabilized silt with age

4 滲透試驗(yàn)

在公路工程中，路基邊坡在降水作用下易發(fā)生失穩(wěn)和滲透破壞。滲透系數(shù)是反映路基土抗?jié)B性能的重要指標(biāo)。

穩(wěn)定粉土的滲透試驗(yàn)依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[15]的相關(guān)規(guī)定開(kāi)展，用于探究改性粉土的滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律。試驗(yàn)采用變水頭法進(jìn)行。主要針對(duì)1、7、14和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的穩(wěn)定粉土試樣開(kāi)展，每個(gè)齡期的土樣開(kāi)展2次平行滲透試驗(yàn)。

試樣為直徑61.8 mm、高度40 mm的環(huán)刀土樣，按照水泥、瀝青粉復(fù)合穩(wěn)定粉土的材料配比、最大干密度、最優(yōu)含水率壓制成型，而后在溫度為22 ℃、濕度為95%的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

圖9是不同齡期穩(wěn)定粉土的滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，穩(wěn)定粉土的滲透系數(shù)隨齡期的增加呈減小趨勢(shì)。在7 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)滲透系數(shù)的減小幅度較大，而后滲透系數(shù)的減小速率逐漸減小。穩(wěn)定粉土滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)與焦德才等[20]針對(duì)水泥穩(wěn)定土的滲透試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖9 穩(wěn)定粉土滲透系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律Fig.9 The evolution of permeability coefficient of stabilized silt with age

滲透系數(shù)的大小反映土樣中孔隙的數(shù)量和孔隙的連通性。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，穩(wěn)定粉土中水泥的水化產(chǎn)物逐漸增加，不斷填充試樣的內(nèi)部孔隙，減少貫通孔隙的產(chǎn)生，降低了穩(wěn)定粉土的滲透性能。

5 結(jié)論

利用水泥-瀝青粉對(duì)齊河地區(qū)的黃泛區(qū)粉土開(kāi)展路用基層改性研究?；谑覂?nèi)試驗(yàn)探究了水泥-瀝青粉復(fù)合穩(wěn)定粉土的強(qiáng)度及滲透特性。得到如下結(jié)論。

(1)水泥-瀝青粉復(fù)合穩(wěn)定粉土的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，7 d齡期自然含水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度的平均值為976 kPa，而后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，較為穩(wěn)定，28 d齡期抗壓強(qiáng)度的平均值為1 161 kPa。

(2)穩(wěn)定粉土的孔隙特征是其力學(xué)強(qiáng)度及滲透性能的重要影響因素。飽和穩(wěn)定粉土的核磁共振試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，穩(wěn)定粉土中大孔隙及小孔隙的數(shù)量均呈減小趨勢(shì)，大孔隙優(yōu)勢(shì)孔徑減小，土樣的滲透系數(shù)逐漸減小，穩(wěn)定粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)含水狀態(tài)的敏感性降低。

(3)室內(nèi)綜合試驗(yàn)結(jié)果表明，在該配合比條件下復(fù)合穩(wěn)定粉土的工程特性提高顯著，能夠保證穩(wěn)定粉土較高的早期強(qiáng)度、長(zhǎng)期強(qiáng)度和水穩(wěn)性能。