水泥改良粉細砂在干濕環境下力學性能試驗研究

雷 杰，黃志軍

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅蘭州 730070;2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070)

改良土是近年來在缺乏可用性的路基填料地區中廣泛采用的一種填料。近年來，國內對路基填料改良土的工程性質也進行了大量研究。文獻［1］中通過試驗，研究了水泥改良粉質黏土的工程性質，得出了不同摻入料改良粉質黏土的最佳配合比。楊廣慶、荀國利以路基對動態特性的要求為基本依據，分析了用于路基填料的水泥改良土、石灰改良土的特點和使用條件［2］。趙明龍、王建華等對多次干濕循環過程引起的水泥改良土循環疲勞強度衰減程度進行了研究，發現水泥改良土的循環疲勞強度衰減隨著干濕循環次數的增加而逐漸趨于穩定［3］。王建華、高玉琴對干濕循環過程導致水泥改良土強度衰減機理進行研究，得出改良土料中的黏粒是引起干濕循環過程中強度降低的一個主要因素，適當降低改良土料中黏粒的相對含量，可以有效提高干濕循環后改良土體的強度特性［4］。以上的研究表明，過去人們更多的關注改良后路基填料的基本工程性質，關注反復干濕循環之后對填料強度的影響及其影響機理，但對于長期處于某種環境條件下(長期干燥、長期潮濕)填料的工程性質還缺乏探討。這在實際工程中是十分重要的。本文通過試驗，探究長期處于干燥環境和長期處于濕潤環境以及反復干濕環境中改良土的力學特性，為評價路基土體的狀態提供有利的幫助。

1 改良試驗方法及過程

1.1 試驗材料及配合比

試驗選用325#普通硅酸鹽水泥作為改良劑。試驗土樣取自實際工程(大塔至馬場壕鐵路)現場中需改良的粉細砂砂土。擾動砂土的級配曲線見圖1，顆粒相對密度為2.64g，最大干密度為1.81 g/cm3，風干砂土樣的含水率約0.5%。

圖1 擾動砂土級配曲線

本試驗采用一種類型的改良方案，即水泥與砂土質量比為5∶95，采用3種不同的壓實度來制作試樣，改良土的物理指標見表1。

表1 改良土的物理參數

1.2 試樣制作及試驗過程

按照表1所示的質量配比稱取一定量的水泥和砂土，按照最優含水率計算其所需水量，然后進行拌合。拌合均勻后開始制樣并測量實際含水率，試樣大小為直徑3.8 cm，高8.0 cm．試樣數為36個，其中每一種壓實度下的試樣為12個。試樣制好后分別編號并記錄每個試樣的初始質量，然后用保鮮膜裹好，放在標準養護室養護。

將達到一定養護齡期的試樣取出，每種壓實度分別為3個。然后進行相關環境條件下的試驗。

干循環—脫水過程(用于模擬路基在干燥環境下的狀態)，是將試樣放在自然條件下進行風干，10 d后測其質量損失、含水率以及無側限抗壓強度。

干—濕循環(用于模擬路基在晴雨天交替環境中的狀態)，是先將試樣埋入飽和的濕沙中24 h之后拿出，然后再放在自然條件下風干24 h，這樣算是一個完整的循環，如此5個循環之后測其質量損失、含水率以及無側限抗壓強度。表2為改良土具體的試驗方案。

濕循環—吸水過程(用于模擬路基在連續雨天環境下的狀態)，是將試樣用吸水濾紙裹好，埋入飽和的濕砂中，10 d后測其質量損失、含水率以及無側限抗壓強度。

表2 干濕循環試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 無側限抗壓強度

將循環完成后的試樣放在TSZ-6A型應變控制式三軸儀上進行無側限抗壓強度試驗，應變速率為4 mm/min，試驗結果見表3。

以試樣的養護齡期為橫坐標，以無側限抗壓強度為縱坐標，繪制相同壓實度、不同環境條件下試樣強度隨養護齡期的變化曲線，見圖2。

由圖2可見，在相同水泥摻量的情況下，不同壓實度的試樣強度變化形態是相同的。進行干循環的試樣的強度隨著養護齡期的增加而增大，在7 d養護時間之內強度增長較快，之后隨著齡期的延長，增長速率減緩;進行濕循環的試樣的強度也隨著養護齡期的增加而增大，不同的是在這種環境下，增長速率基本相同;進行干—濕交替循環試驗的試樣強度，開始隨著養護齡期的增加而提高，養護時間大概7 d時強度最大，之后隨著齡期的增長強度逐漸減小。齡期≤14 d的試樣，在干濕交替環境中的試樣強度均高于同齡期處于單一環境中的試樣強度。這是因為養護時間≤14 d的試樣強度還沒有完全形成，其后期的強度發展還有很大的空間。干燥環境中氣體流通加速水分的散失，水泥發生水化反應的水分不足，后期形成的強度很小;潮濕環境中水分充足，但空氣流通不暢，也難以發生水化反應;而干—濕環境中的試樣，既有水化反應所需的水分，而且有充足的氣體，這樣就保證了后期強度的形成。

表3 無側限抗壓強度

圖2 無側限抗壓強度與齡期關系

2.2 含水率

無側限抗壓強度試驗完成后，稱取一定量的試樣碎塊，放入烘箱中，計算其含水率，結果見表4。

表4 循環后試樣含水率

圖3為含水率隨齡期變化曲線，可以看出，壓實度不同時，含水率隨齡期變化趨勢基本上是一致的。

圖3 含水率隨齡期變化曲線

不同養護齡期的試樣在進行干循環(脫水)后的含水率基本上接近擾動砂土的含水率，均值大約為0.5%。進行干—濕循環的試樣在循環完成后的含水率隨著養護齡期的增加而有所提高;

進行濕循環的試樣，在循環完成后的含水率先是隨著齡期的增加而提高，隨后又隨著齡期的增加含水率逐漸減小，在7 d與14 d之間時處于最大值。這是因為養護齡期較短時，試樣內部進行的化學反應較少，強度還較低，內部結構不夠密實。處于潮濕環境中時自然有大量水分進入，齡期越短存儲的水分就越多，但后期強度的形成以及化學反應的進行也會消耗越多的水分，因此剩余的水分就會相對較少，隨著齡期的增長，試樣的強度基本形成，內部結構相對密實，外界水分難以滲入，因此含水率會變小。

2.3 質量變化

循環試驗完成后測量每個試樣的質量，并與初始值相比較，計算每個試樣的質量變化。結果見表5，繪制不同環境下質量損失率與齡期變化曲線圖，如圖4所示。

圖4表明，壓實度不同的情況下，試樣質量損失的變化形態是一致的。進行干循環和干—濕循環的試樣，其質量損失率隨著齡期的增加而減小;進行濕循環的試樣，總體來說試樣質量比循環前的試樣質量都有所增加，質量增量先隨齡期的增加而變大，之后隨齡期的增加而減小，14 d齡期的試樣質量增量達到最大值。

綜合對照圖3和圖4可以看出，兩者的變化規律基本吻合，其原因是在試驗過程中質量損失主要是由水分的流失所引起的。

3 結論

1)壓實度的不同對本次試驗結果的變化規律影響不明顯。

2)干循環試驗中，試樣的無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而提高;質量損失隨養護齡期的增加而減小;而最終含水率與砂土的含水率接近。

3)干—濕循環試驗中，試樣的強度先隨齡期的增加而增大，齡期為7 d的試樣強度達到極值，之后強度又隨齡期增加而減小;質量損失隨齡期增加而減小;含水率隨齡期增大而增大。

4)濕循環試驗中，試樣的無側限抗壓強度與齡期成正相關關系;質量變化先隨養護齡期的增大而增加，齡期為14 d的試樣質量增加值最大，之后又隨著齡期的增長試樣質量的增加值有所減小;含水率先隨齡期增長而變大，齡期大約為10 d的試樣含水率達到極值，其后含水率又隨齡期增長而減小。

5)養護齡期在14 d之內的試樣，在干—濕交替環境中的強度均高于同齡期處于單一環境中的試樣強度。

［1］ 要文堂．高速鐵路路基粉粘土填料改良技術的探討及應用［J］．鐵道標準設計，2004(1):18-22．

［2］ 楊廣慶，荀國利．高速鐵路路基改良土的有關問題［J］．鐵道標準設計，2003(5):15-16．

［3］ 趙明龍，王建華，梁愛華．干濕循環對水泥改良土疲勞強度影響的試驗研究［J］．中國鐵道科學，2005，26(2):25-28．

［4］ 王建華，高玉琴．干濕循環過程導致水泥改良土強度衰減機理的研究［J］．中國鐵道科學，2006，27(5):23-27．

［5］ 鄧天天，吳斌，屈暢姿，等．花崗巖全風化物及其改良土的擊實試驗分析［J］．鐵道建筑，2009(4):122-125．