基于水泥和粉煤灰改良固化路基土的力學性能研究

摘要：文章結合具體工程背景，對水泥和粉煤灰改良路基土的強度和變形情況進行室內試驗研究。結果表明：（1）早期粉煤灰對路基土的強度提升不明顯，但隨齡期增長，路基土破壞特性由塑性向脆性轉變，加入粉煤灰加速了這一轉變，且隨齡期增長趨勢增強；（2）水泥比例越高，固化土抗壓強度越大；（3）強度隨齡期增長不均，初期快中后期放緩；（4）隨粉煤灰摻量增加，無側限抗壓和彎拉強度先增后減，最佳摻量為14%～18%，合理的摻量可提高承載力，有效彌補常規(guī)土的不足。研究成果可為路基的設計、施工和維護提供理論依據(jù)和實踐指導。

關鍵詞：水泥；粉煤灰；改良固化；路基土；室內試驗

中圖分類號：U416.1文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.004

文章編號：1673-4874（2024）11-0011-04

引言

路基作為公路及鐵路的重要組成部分，其性能的好壞直接關系到線路和行車的安全。然而在實際建設中，尤其是在一些地質條件復雜、土質較差的地區(qū)，路基土常存在承載能力不足、變形大等問題。在眾多路基土改良方法中，基于水泥和粉煤灰的改良固化技術受到了廣泛關注。水泥作為一種傳統(tǒng)的土木工程材料，其粘結性和硬化性能能夠有效提升土體的強度；而粉煤灰作為一種工業(yè)廢棄物，經過適當處理后可作為一種優(yōu)質摻合料，不僅能夠改善土的流動性和硬化性能，還能增強土體的耐久性和穩(wěn)定性。摻入一定比例粉煤灰的水泥不僅能夠增加路基土的強度，還能提高路基土的穩(wěn)定性。因此，探究水泥和粉煤灰對路基土力學性能的影響規(guī)律，揭示其固化機理和效果尤為關鍵。

近年來，各學者對水泥和粉煤灰在路基土改良中的應用進行了廣泛研究。張文豪、崔宏環(huán)和肖東旭等［1-3］研究發(fā)現(xiàn)水泥和粉煤灰混合使用對泥炭質土、粗粒土以及水泥土的力學性能的改良效果。研究普遍認為，適量的水泥和粉煤灰混合可以顯著提高土的抗壓強度、抗剪強度等力學性能。邵俐等［4］探討了不同因素對改良效果的影響，包括水泥和粉煤灰的摻量、混合比例、養(yǎng)護條件、齡期等。楊有海和陳峰等［5-6］對水泥和粉煤灰改良路基土的機理進行了分析，研究認為，水泥和粉煤灰中的活性成分與水發(fā)生水化反應，形成膠凝物質，填充土的孔隙，增強了土的密實性和內聚力，從而提高了土的力學性能。隨著研究的深入，一些研究開始關注如何評估改良后路基土的性能，并制定相應的技術標準。例如，丁鵬飛和崔琦［7-8］研究了如何評估水泥穩(wěn)定路基土的力學特性，并提出了相應的性能指標和評估方法。

綜上所述，水泥和粉煤灰在路基土改良中的應用已得到了廣泛關注和研究。然而，由于地質條件、環(huán)境因素及施工水平的差異，不同地區(qū)和工程對路基土改良的需求和效果可能存在差異。因此，本研究將結合具體工程背景，對水泥和粉煤灰改良路基土的強度和變形情況進行大量的室內試驗研究，以期為實際工程提供更為準確和有效的理論指導。

1材料及試驗方案

試驗用土取自成昆鐵路復線（新成昆鐵路）越西段的路基土。該路段地質條件復雜，在荷載的長期作用下，易影響行車的安全。通過進行無側限抗壓強度與彎拉強度試驗，在路基填料中添加改良劑進行改良固化，探究水泥粉煤灰對試驗土的力學性能影響。無側限抗壓強度試驗可直接反映路基土的強度及變形等性能，而彎拉強度則能評估路基在外界環(huán)境作用下底部是否易出現(xiàn)彎拉應力進而產生拉應變，這對路基的正常使用至關重要。

1.1試驗材料

本試驗用土的物理性質參數(shù)見表1。將試驗土、改良固化劑和水進行配比，試驗用水采用自來水，選用水泥與粉煤灰作為改良固化劑。其中，水泥為普通硅酸鹽42.5級別水泥，其基本物理性質參數(shù)見下頁表2，粉煤灰選用當?shù)啬橙济弘姀S生產的普通工業(yè)廢棄物粉煤灰，其基本性質見下頁表3。填料的改良固化方案參考《鐵路路基設計規(guī)范》（TB10001-2016）［9］B.4中關于采用水泥和粉煤灰摻入量的指導原則，試驗摻入比設置見下頁表4。

1.2無側限抗壓強度試驗方案

在試驗中，采用了JJ-5水泥膠砂攪拌機、ZT-96型水泥膠砂振實臺、泰斯特萬能試驗機、微機控制壓力試驗機、恒溫恒濕養(yǎng)護箱、稱量器、試驗模具等儀器。

按照預定的配合比，將水泥、粉煤灰、試驗土和水混合，使用水泥膠砂攪拌機攪拌均勻；將混合好的漿料倒入制件模具中，使用水泥膠砂振實臺進行振實，確保試件內部無空隙；等試件制備完成后，用濕布覆蓋，避免直接陽光照射和干燥過快；隨后將制備好的試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中，設定溫度為20±3 ℃，濕度為95%。在養(yǎng)護期間，定期檢查試件的狀態(tài)，確保無異常。根據(jù)試驗設計，在不同齡期（如7 d、14 d、28 d、60 d）取出試件進行無側限抗壓試驗。將試件從養(yǎng)護箱中取出，用濕布擦拭表面，去除多余的水分；將試件放置在微機控制壓力機的加壓平臺上，調整試件與壓力機的對中，確保受力均勻；以恒定的速率1 mm/min施加壓力，記錄試件破壞時的最大壓力值；根據(jù)試件尺寸和最大壓力值；計算無側限抗壓強度；記錄每個試件在不同齡期下的無側限抗壓強度值，分析整理無側限抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律。

RW=PA=4PπD2（1）

式中：RW——無側限抗壓強度（MPa）；

P——試件破壞時記錄的最大荷載（N）；

A——試驗試件的底面積（mm2）；

D——試件的直徑（mm）。

基于水泥和粉煤灰改良固化路基土的力學性能研究/文仲澤

1.3彎拉強度試驗方案

在制備試件前，在裝入模具前的10 min內將水泥粉煤灰改良劑添加到漿料中，并進行充分攪拌以確保均勻混合。隨后，將混合好的材料倒入試件模具中，并用工具搗實以確保試件的密實度。待試件成型后及時拆除模具，并進行標準養(yǎng)護，養(yǎng)護期長達90 d，并在最后一天進行浸水處理。完成養(yǎng)護后，使用萬能試驗機對試件進行加載，加載的速率控制在50 mm/min。同時，實時記錄荷載數(shù)據(jù)，在試件發(fā)生彎拉破壞時，獲取最大荷載值。最后，根據(jù)式（2）計算試件的彎拉強度以評估其性能。

Rs=PsLb2h（2）

式中：Rs——彎拉強度（MPa）；

Ps——破壞時的最大荷載（N）；

b——試件的寬（mm2）；

h——梁試件的高（mm）；

L——加載模具兩支點的距離（mm）。

2試驗結果

2.1無側限抗壓強度試驗結果

圖1所示為水泥摻入比αw=14%時試樣土的應力應變關系曲線。由圖1可知，在開始受力的早期階段，應力應變呈現(xiàn)出近似線性的增長關系。然而，當荷載超過某個閾值荷載后，增長變得緩慢。此外，還可以觀察到，無論是否摻加粉煤灰，隨著齡期的增長，改良固化土破壞應變先增長后減小，破壞特性由塑性破壞逐漸轉變?yōu)榇嘈云茐模?0 d的試樣土更加明顯。

水泥和粉煤灰摻量對試樣土強度的影響見圖2。粉煤灰的摻入量對早期的試樣強度影響不大，試樣強度主要受到水泥摻入量的影響，這說明早期改良劑的化學反應還不完全。此外，當水泥摻量較低時，過量的粉煤灰反而可能導致強度下降，造成這一現(xiàn)象的原因是過高的粉煤灰摻量會使水泥與土顆粒間的粘結反應產生的土團結構減少，從而降低強度。這說明粉煤灰在一定程度上屬于惰性材料。隨著水泥摻量的增加，試樣抗壓強度也隨之增加。

齡期對試樣土強度的影響見后頁圖3。由圖3可得，在試驗齡期內，在不同粉煤灰摻量下，土的強度均隨著養(yǎng)護齡期的增長而增長，最終趨于穩(wěn)定，且增長速度為前期迅速，而后期相對緩慢。在試驗過程中，試樣內部的水泥持續(xù)進行水化反應，同時粉煤灰也發(fā)生聚合反應，這些反應產生的物質逐漸填充了試樣土的內部孔隙，有效地提高了試樣土的密實度。隨著密實度的增加，試樣土的整體結構得到了顯著增強，進而提升了其抵抗變形和破壞的能力。

2.2彎拉強度試驗結果

彎拉強度試驗結果見后頁圖4。由圖4可得，經過粉煤灰水泥的改良加固后，在早期（7 d）的養(yǎng)護齡期內，化學反應并未完全進行，在整體壓實度一致的前提下，隨著粉煤灰摻量的增加，混合料中顆粒之間的比例發(fā)生了變化，導致了試件整體強度的相應調整。此外，隨著水泥粉煤灰摻量的逐步增加，彎拉強度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。這意味著水泥和粉煤灰的摻量存在一個最佳的組合比例，使得填料的彎拉強度達到最優(yōu)狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)對于優(yōu)化粉煤灰水泥的摻配比例，提高改良加固效果具有重要意義。

3結語

本文全面探究了不同摻量水泥和粉煤灰作為改良劑對路基土力學性能的影響規(guī)律，分析養(yǎng)護齡期對固化路基土力學性能的影響機制，并提出適用于實際工程的水泥和粉煤灰改良固化路基土的優(yōu)化方案。經過詳細的試驗及數(shù)據(jù)分析，得出以下結論：

（1）在早期階段，粉煤灰對路基土強度的提升作用并不顯著。然而，隨著齡期的增長，無論是否摻加粉煤灰，路基土的破壞特性都會逐漸由塑性破壞向脆性破壞轉變。此外，在同齡期條件下，除了早期（7 d）外，粉煤灰的加入加速了水泥土從塑性向脆性的轉變，且這種趨勢隨著齡期的延長而愈發(fā)明顯。

（2）固化劑中水泥的比例越高，改良固化土的無側限抗壓強度也相應增大。

（3）隨著養(yǎng)護齡期的增長，改良固化土的強度不斷提升，但增長過程并非均勻。在所有配合比和養(yǎng)護條件下，強度通常在養(yǎng)護初期迅速增加，而在中后期則增長放緩。

（4）在不同齡期，隨著粉煤灰摻量的增加，無側限抗壓強度、彎拉強度等均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當粉煤灰摻量為14%～18%時，其抵抗破壞和變形的能力較優(yōu)。同時，隨著齡期的增長，強度和變形模量均顯著提升，從而有效彌補了常規(guī)水泥土后期承載力不足的缺陷。

參考文獻：

［1］張文豪，謝建斌，劉道炎，等.水泥-高鈣粉煤灰改良泥炭質土力學性能研究［J］.河南理工大學學報（自然科學版），2020，39（5）：41-50.

［2］崔宏環(huán)，趙嘉，胡峻暉，等.水泥粉煤灰改良粗粒土路基填料力學與收縮特性［J］.鐵道建筑，2023，63（3）：137-142.

［3］肖東旭，馬芹永.粉煤灰水泥土力學特性試驗研究［J］.安徽理工大學學報（自然科學版），2022，42（3）：23-28.

［4］邵俐，劉松玉，杜廣印，等.水泥粉煤灰加固有機質土的試驗研究［J］.工程地質學報，2008（3）：121-127.

［5］楊有海，梁波，丁立.粉煤灰與石灰、水泥拌合料的強度特性試驗研究［J］.巖土工程學報，2001（2）：227-230.

［6］陳峰，賴錦華.粉煤灰水泥土變形特性實驗研究［J］.工程地質學報，2016，24（1）：96-101.

［7］丁鵬飛，張振寰.水泥穩(wěn)定路基土力學特性研究［J］.河北水利電力學院學報，2021，31（3）：58-61.

［8］崔琦.粉煤灰水泥土抗壓強度影響因素試驗研究［J］.土工基礎，2022，36（1）：82-84，101.

［9］TB 10001-2016，鐵路路基設計規(guī)范［S］.

作者簡介：文仲澤（1983—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16