適應(yīng)干濕環(huán)境的路基改良土水泥摻量設(shè)計

李霞

（張家口市公路施工管理處，張家口 河北 075000）

路基作為公路工程的重要基礎(chǔ)部分，需要保證自身具備良好的整體穩(wěn)定性、較高的強(qiáng)度、穩(wěn)固的耐久性，才能保證道路的正常使用。如果路基土體的力學(xué)性能得不到有效保證，在使用過程中車輛反復(fù)施加荷載，如遇上惡劣的環(huán)境變化，必然會對路基結(jié)構(gòu)造成破壞，在公路路面形成裂縫、擁包等問題，嚴(yán)重影響公路的正常使用[1]。干濕循環(huán)是公路服役過程中頻繁經(jīng)歷的惡劣環(huán)境之一。在干濕循環(huán)過程中，土體重復(fù)經(jīng)歷水分浸入和滲出，使水流在土體內(nèi)部遺留孔洞，造成土體內(nèi)部裂縫發(fā)展，經(jīng)過多次循環(huán)后土體會形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，此時其各項(xiàng)性能指標(biāo)均受到損傷，力學(xué)性能變差[2，4]，無法滿足公路對基層材料的要求。為此，公路工程建設(shè)中產(chǎn)生了利用化學(xué)試劑改良不良土體的方法，以達(dá)到改善不良土體力學(xué)性質(zhì)的目的，其中相對經(jīng)濟(jì)且改良效果突出的添加劑是在素土中摻入水泥，形成水泥土[5]。但作為化學(xué)改良土，水泥土的物理力學(xué)特性受環(huán)境因素影響較大，存在著較多不穩(wěn)定因素，要用作高速公路路基填料，就需要全面的掌握其物理力學(xué)特性。

以往路基土的改良中，已有學(xué)者對水泥改良進(jìn)行了研究。孫芳[6]使用水泥對粉質(zhì)黏土進(jìn)行了改良，測試了多種養(yǎng)護(hù)齡期及水泥摻量條件下改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值，認(rèn)為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加呈線性增長，CBR值亦與水泥摻量呈正相關(guān)，具體養(yǎng)護(hù)28d的水泥土已經(jīng)能發(fā)揮出近一半的強(qiáng)度，2%水泥摻量改良土的CBR值已經(jīng)滿足用于路基填料的要求。唐龍全[7]對具體施工路段的粉質(zhì)黏土路基填料進(jìn)行改良，從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR承載比等角度進(jìn)行了改良后路基土的路用性能測試，認(rèn)為實(shí)際工程中，可選擇3%水泥摻量對粉質(zhì)黏土路基填料進(jìn)行改良，滿足強(qiáng)度要求的同時達(dá)到了經(jīng)濟(jì)環(huán)保的效果。李秉宜[8]測試了高液限黏土利用水泥改良后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值，評價其經(jīng)歷干濕循環(huán)后的耐久性，發(fā)現(xiàn)水泥可有效地提高黏土的水穩(wěn)定性。

因此，本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和CBR值試驗(yàn)就強(qiáng)度和變相兩個方面對不同摻量水泥土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析評價，設(shè)計適應(yīng)干濕循環(huán)環(huán)境的路基改良最優(yōu)水泥摻量。

一、試驗(yàn)設(shè)計

(一)原材料

1.素土

素土采用粉質(zhì)黏土，其基本物質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 素土物理性質(zhì)指標(biāo)

2.水泥土

采用4種摻量水泥與素土混合，在水泥完成初凝前對其物理性質(zhì)測試，水泥土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥土物理性質(zhì)指標(biāo)

(二)干濕循環(huán)試驗(yàn)方法

采用上述2%、4%、6%、8%4種水泥摻量對路基粉質(zhì)黏土進(jìn)行改良，依據(jù)規(guī)范要求制作標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1所示，其中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件：高100mm、直徑100mm；CBR值試驗(yàn)試件：高170mm±0.5mm，直徑152mm±0.5mm。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件、CBR值試驗(yàn)試件

干濕循環(huán)具體步驟如下：

1.按照每種摻量水泥土各自的最優(yōu)含水率和壓實(shí)度分別制備無側(cè)限抗壓試件和CBR值試驗(yàn)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d；

2.試件干燥：將試件置于鼓風(fēng)干燥箱（±45℃）風(fēng)干8h，之后每間隔1h稱量試樣的質(zhì)量，直至試件完全干燥，即試件質(zhì)量不再變化；

3.試件飽和：將試件放入水池中浸泡一天，之后每間隔1h稱量試樣的質(zhì)量，直至飽和，即試件質(zhì)量不再變化；

4.步驟2、3即為一次干濕循環(huán)過程，重復(fù)步驟2、3完成試驗(yàn)所需循環(huán)次數(shù)。

(三)力學(xué)試驗(yàn)

干濕循環(huán)完成后，進(jìn)行強(qiáng)度和變形測試試驗(yàn)，無側(cè)限抗壓試驗(yàn)試件浸水一晝夜后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。CBR值試驗(yàn)試件浸水四晝夜后進(jìn)行貫入試驗(yàn)，得到貫入2.5mm所需要的壓力，與標(biāo)準(zhǔn)碎石貫入相同尺寸時的標(biāo)準(zhǔn)荷載（7MPa）之比即為CBR值。

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

(一)干濕循環(huán)條件下水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)依次得到0、1、3、5、9、15次干濕循環(huán)條件下，各水泥摻量改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在較低的水泥摻量2%時，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，改良土并不能抵抗干濕循環(huán)對強(qiáng)度的劣化，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。水泥摻量增加至4%、6%、8%時，前期一定的干濕循環(huán)次數(shù)下可為水泥水化作用補(bǔ)充水分，促進(jìn)了水泥固化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)上升段，但后期有限的水泥發(fā)揮完作用后，固化作用不再繼續(xù)，此時干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，干濕循環(huán)的劣化作用開始占優(yōu)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)入下降段。水泥摻量越多，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度上升越明顯，定量分析水泥摻量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升幅度，引用水泥影響因子[6]，定義水泥無側(cè)限影響因子（水泥用量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比），其值越大則表示試樣水泥摻量一定的情況下，強(qiáng)度相對較小，即水泥在承載過程中發(fā)揮的作用越小，反之亦然。如圖2所示，經(jīng)歷干濕循環(huán)后的改良土性質(zhì)受水泥摻量影響相對未經(jīng)歷干濕循環(huán)的改良土更為顯著，且在2%、4%、6%水泥摻量時水泥無側(cè)限影響因子差異明顯，說明改良土性質(zhì)受水泥摻量影響顯著，8%與6%水泥摻量是水泥無側(cè)限影響因子基本重合，說明二者摻量對試樣性質(zhì)影響區(qū)別不大。盡管干濕循環(huán)條件下水泥摻量越高無側(cè)限強(qiáng)度越大，但相對8%水泥摻量，6%水泥摻量更能發(fā)揮水泥的最有效性能。

圖2 水泥無側(cè)限影響因子

（二）干濕循環(huán)條件下水泥摻量對CBR的影響

根據(jù)試驗(yàn)所得貫入2.5mm所需壓力，計算得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下素土、2%、4%、6%、8%摻量水泥土的CBR值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于素土的CBR值，水泥的摻入使CBR值明顯提升，同時抑制了部分因干濕循環(huán)造成的損傷，水泥改良土在應(yīng)對干濕循環(huán)損傷方面作用顯著。不同摻量水泥土，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，CBR值呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，水泥的水化作用可以抑制部分干濕循環(huán)造成的損傷，且水泥摻量越多，這種抑制作用所能抵抗的干濕循環(huán)次數(shù)越多。引入CBR值增長率的概念，表征水泥摻量對干濕循環(huán)后改良土強(qiáng)度的提升作用，CBR增長率=(CBRc-CBR0)×100%/CBR0(其中CBR0為素土CBR值，CBRc為不同水泥摻量改良土CBR值)。如圖3所示，干濕循環(huán)次數(shù)不超過3次時，4%水泥摻量改良土CBR值增長率與6%、8%水泥摻量改良土相差不大，干濕循環(huán)次數(shù)超過3次后，6%水泥摻量改良土CBR值增長率與8%水泥摻量改良土相差不大。因此從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，6%與8%水泥摻量改良土相比，滿足路基能滿足強(qiáng)度要求的前提下，6%水泥摻量是更優(yōu)選擇。

圖3 CBR增長率

三、結(jié)語

本文從無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR值兩個方面，分別分析了干濕循環(huán)條件下水泥摻量對改良路基土的性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)較少水泥摻量無法抵抗干濕循環(huán)的劣化作用，提高水泥摻量可利用水泥水化作用抵抗部分干濕循環(huán)劣化作用，其中6%水泥摻量在改良路基土方面可以顯著提高其強(qiáng)度與變形性質(zhì)的同時，更能發(fā)揮水泥的最有效性能。因此，在我國降雨和蒸發(fā)頻繁發(fā)生的地區(qū)，改良路基土?xí)r可以考慮采用6%水泥摻量。