水泥加纖維改良路基細(xì)顆粒土的物理力學(xué)性質(zhì)研究

摘要：為了探究水泥加纖維對路基細(xì)顆粒土的改良效果，文章基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥及纖維對路基細(xì)顆粒土物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。結(jié)果表明：（1）液限、塑限、最優(yōu)含水率與纖維摻量呈負(fù)相關(guān)，與水泥摻量呈正相關(guān)；（2）最大干密度與纖維摻量呈正相關(guān)，與水泥摻量呈負(fù)相關(guān)；（3）當(dāng)水泥摻量＜4%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”型，即先增大后減小的趨勢，水泥-纖維綜合改良效果遠(yuǎn)優(yōu)于二者單獨(dú)改良；（4）水泥摻量越大，改良土試樣的水穩(wěn)性越高，纖維摻量越大，試樣水穩(wěn)性越低。

關(guān)鍵詞：水泥；纖維；改良效果；水穩(wěn)性

中圖分類號：U414.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.002

文章編號：1673-4874（2024）11-0004-03

引言

細(xì)顆粒土路基易沉降，易滑坡，易發(fā)生路基病害［1］。近年來，隨著我國全面實(shí)現(xiàn)小康目標(biāo)的臨近，高速公路建設(shè)進(jìn)入飛速發(fā)展階段，越來越多的工程項(xiàng)目穿越細(xì)顆粒土地區(qū)，對施工質(zhì)量和效率提出了更高的要求。因此，采用合理的措施對細(xì)顆粒土進(jìn)行改良尤為重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對路基土的改良開展了一系列研究，并取得了豐富的研究成果。王澤成等［2］通過室內(nèi)凍融試驗(yàn)，研究了聚丙烯纖維對土體凍脹融沉特性、含水率等的影響。崔宏環(huán)等［3］以粗粒土為研究對象，研究了其力學(xué)特性與收縮特性隨水泥、粉煤灰摻量的變化規(guī)律，并提出了填料工程適用性的評價(jià)指標(biāo)。王傳福［4］基于室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了水泥的摻量對粉細(xì)砂的物理力學(xué)性質(zhì)及路用效果的影響。馮卡等［5］研究了液性指數(shù)與改良土的強(qiáng)度之間的關(guān)系，并通過室內(nèi)試驗(yàn)，探究了水泥對不同液性指數(shù)素土的改良效果。綜上所述，土顆粒液性指數(shù)與改良土的強(qiáng)度之間存在一定關(guān)系，并可通過纖維、水泥、粉煤灰等材料對路基土進(jìn)行改良，但目前針對水泥加纖維對細(xì)顆粒土的改良效果的研究較少。

鑒于此，本文以東部某省高速公路路基細(xì)顆粒土為研究對象，基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥及纖維對其物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。該研究可為路基土的改良提供相應(yīng)參考。

1原材料

試驗(yàn)所需材料主要為素土、水泥、纖維。素土材料取自東部某省高速公路路基，水泥為石井牌PO42.5R普通硅酸鹽水泥，纖維選用聚丙烯。

1.1素土材料

素土材料經(jīng)篩分試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)等，得到其基本物理指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)所用素土材料為低液限細(xì)粒土。

1.2水泥

試驗(yàn)所用水泥的主要化學(xué)成分如表2所示。

水泥對土的改良主要發(fā)生以下反應(yīng)：（1）水化反應(yīng)：水泥中的含鈣礦物與水反應(yīng)生成膠體物質(zhì)；（2）離子交換：由于水化反應(yīng)生成的膠體物質(zhì)含有大量游離Ca2+，與土顆粒表面的離子發(fā)生置換，使靜電吸引力、范德華力等變大，吸附周圍土顆粒；（3）碳化反應(yīng)：Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3沉淀。

1.3纖維

本次試驗(yàn)選用的聚丙烯纖維具有無毒、不易腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其纖維長度為13 mm；密度為0.93 g/cm3；直徑為0.2～0.45 mm。

2改良土的物理性質(zhì)研究

選用水泥、纖維和水泥-纖維對素土進(jìn)行改良，控制水泥摻量為0、1%、2%、3%、4%；纖維摻量為0、4%、6%、8%、10%、12%。由于塑性指數(shù)在一定程度上可以反映土的組成特性，且在實(shí)際工程中為保證施工質(zhì)量及路基穩(wěn)定性，需對土體進(jìn)行壓實(shí)，故通過界限含水率試驗(yàn)和室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，研究改良土的物理性質(zhì)變化。

2.1界限含水率試驗(yàn)

通過界限含水率試驗(yàn)，測得改良土的液限隨改良劑摻量的變化如圖1所示。

由圖1可知，纖維對土顆粒的液限有減小效果，水泥對土顆粒的液限有增大效果。當(dāng)水泥摻量由0增加到4%時(shí)，試樣液限減小效果變化趨勢（纖維摻量0到12%）如圖2所示。當(dāng)纖維摻量由0增加到12%時(shí)，試樣液限增大效果變化趨勢（水泥摻量從0到4%）如圖3所示。

由圖2可知，纖維對試樣液限的減小效果按大小排序?yàn)椋?7.1%（水泥摻量0）＞37.1%（水泥摻量1%）＞24.3%（水泥摻量4%）＞23.2%（水泥摻量2%）＞13.5%（水泥摻量3%）。說明隨著水泥摻量的增加，纖維對土顆粒液限的減小效果整體上在變?nèi)酢?/p>

由圖3可知，水泥對試樣液限的增大效果按大小排序?yàn)椋?06%（纖維摻量8%）＞104.4%（纖維摻量10%）＞102.1%（纖維摻量12%）＞85.9%（纖維摻量6%）＞40.7%（纖維摻量0）＞39.6%（纖維摻量4%）。說明隨著纖維摻量的增加，水泥對試樣液限的增大效果呈上升趨勢。

通過界限含水率試驗(yàn)，測得改良土的塑限隨改良劑摻量的變化如圖4所示。

由圖4可知，纖維對試樣的塑限有減小效果，水泥對試樣的塑限有增大效果。水泥摻量由0增加到4%時(shí)，試樣塑限減小效果變化趨勢（纖維摻量0～12%）如圖5所示。纖維摻量由0增加到12%時(shí)，試樣塑限增大效果變化趨勢（水泥摻量0～4%）如圖6所示。由圖5和圖6可知，纖維對試樣塑限的減小效果按大小排序?yàn)椋?9.2%（水泥摻量0）＞65.1%（水泥摻量1%）＞38.8%（水泥摻量2%）＞28%（水泥摻量4%）＞22.2%（水泥摻量3%），說明隨著水泥摻量的增加，纖維對試樣塑限的減小效果整體上在變?nèi)?。同時(shí)對液限的減小效果一致，當(dāng)水泥摻量增加到4%時(shí)，對塑限減小效果突然變大。水泥對試樣塑限的增大效果按大小排序?yàn)椋?48.3%（纖維摻量6%）＞341%（纖維摻量10%）＞340.3%（纖維摻量8%）＞317.8%（纖維摻量12%）＞227.7%（纖維摻量4%）＞79.4%（纖維摻量0），說明隨著纖維摻量的增加，水泥對試樣液限的增大效果呈上升趨勢。水泥、纖維對試樣的液限、塑限效果基本一致，不過試樣塑限對兩種改良劑的敏感性更高。

根據(jù)圖1～4水泥、纖維和水泥-纖維不同摻量下的液限及塑限數(shù)據(jù)，計(jì)算可得對應(yīng)的改良土塑性指數(shù)，如下頁圖7所示。

由圖7可知，塑性指數(shù)隨水泥、纖維摻量的增加不斷減小，且下降幅度在逐漸降低。水泥改良土的塑性指數(shù)均小于素土的塑性指數(shù)8.5，纖維改良土的塑性指數(shù)均大于素土的塑性指數(shù)8.5，這說明水泥對土顆粒的塑性指數(shù)有減小效果，纖維對土顆粒的塑性指數(shù)有增大效果。水泥-纖維改良條件下，塑性指數(shù)變化趨勢不單一。當(dāng)水泥摻量為1%、2%時(shí)，塑性指數(shù)隨纖維摻量的增加前期在增大；水泥摻量為3%、4%時(shí)，塑性指數(shù)隨纖維摻量的增加前期在降低。這說明水泥與纖維摻量存在一個(gè)比值，使塑性指數(shù)的變化趨勢發(fā)生改變。

2.2擊實(shí)試驗(yàn)

通過擊實(shí)試驗(yàn)，測得改良土的最大干密度、最優(yōu)含水率隨改良劑摻量的變化趨勢分別如圖8、圖9所示。

由圖8可知，土顆粒的最大干密度隨纖維摻量的增加逐漸變大，隨水泥摻量的增加逐漸變小，說明纖維對土顆粒最大干密度有增大效果，水泥對土顆粒最大干密度有減小效果。

由圖9可知，土顆粒的最優(yōu)含水率隨纖維摻量的增加逐漸變小，隨水泥摻量的增加逐漸變小，說明纖維對土顆粒的最優(yōu)含水率有減小效果，水泥對土顆粒最優(yōu)含水率有增大效果。

3改良土的力學(xué)性質(zhì)研究

按照擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度、最優(yōu)含水率數(shù)據(jù)，配置壓實(shí)度為96%的不同摻量改良土試樣，試樣直徑為50 mm，高度為100 mm。每種摻量改良劑制備4個(gè)，其中2個(gè)試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d（非飽和試樣）；剩余2個(gè)試樣先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d，再浸水養(yǎng)護(hù)1 d（飽和試樣）。而后開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到兩種養(yǎng)護(hù)條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與改良劑摻量關(guān)系曲線，如圖10所示。

由圖10（a）可知，非飽和素土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為37.7kPa。素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加逐漸增大，增大效果（水泥摻量每增加1%時(shí)，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土試樣增大率）由大到小排序?yàn)椋?0.1%（水泥摻量為1%）＞70.1%（水泥摻量為4%）＞66.8%（水泥摻量為3%）＞55.6%（水泥摻量為2%）。素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加先增大后降低，當(dāng)纖維摻量為10%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為34kPa，當(dāng)纖維摻量為12%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為22.6kPa，均小于原素土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水泥摻量＞2%時(shí)，水泥-纖維綜合改良效果顯著。當(dāng)水泥摻量2%時(shí)，纖維摻量為6%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，為381.1kPa，較素土試樣增大了910.9%，較2%水泥改良土試樣（79.2kPa）增大了381.2%，較6%纖維改良土試樣（56.6kPa）增大了574.6%。當(dāng)水泥摻量3%時(shí)，纖維摻量為6%的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，為535.9kPa，較素土試樣增大了910.9%，較3%水泥改良土試樣（113.2kPa）增大了373.4%，較6%纖維改良土試樣（56.6kPa）增大了846.8%，較2%水泥+6%纖維改良土試樣增大了154.8kPa。當(dāng)水泥摻量＜4%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”，先增大后減小。

由圖8（b）可知，水泥摻量為0時(shí)的飽和試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0kPa，說明纖維改良土的水穩(wěn)性較差，且飽和試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較非飽和試樣均有所減小。不同摻量試樣的折減率如圖9所示。

由圖9可知，水泥摻量越大，飽和后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折減率越小，遇水越穩(wěn)定，這與前文水泥對土的改良主要發(fā)生的反應(yīng)相呼應(yīng)。試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度折減率隨纖維摻量的增加逐漸增大，說明纖維會降低試樣的水穩(wěn)性。

4結(jié)語

本文以東部某省高速公路路基細(xì)顆粒土為研究對象，基于界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥及纖維對其物理力學(xué)性質(zhì)的改良效果。得到如下主要結(jié)論：

（1）纖維對土顆粒的液限、塑限均有減小效果，水泥對土顆粒的液限、塑限均有增大效果；纖維、水泥單獨(dú)改良時(shí)，其摻量與塑性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但纖維改良土對塑性指數(shù)有增大效果，水泥對塑性指數(shù)有減小效果。

（2）土顆粒最大干密度與纖維摻量呈正相關(guān)，與水泥摻量呈負(fù)相關(guān)；最優(yōu)含水率與纖維摻量呈負(fù)相關(guān)，與水泥摻量呈正相關(guān)。

（3）當(dāng)水泥摻量＜4%時(shí)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈“∧”，先增大后減??；水泥+纖維綜合改良效果遠(yuǎn)優(yōu)于二者單獨(dú)改良。

（4）試樣遇水不穩(wěn)定，易崩解，導(dǎo)致飽和試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較非飽和試樣小，水泥摻量越大，改良土試樣的水穩(wěn)性越高，纖維摻量越大，試樣水穩(wěn)性越低。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：潘立鵬（1990—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16