水泥改良紅砂巖填料水穩定性試驗研究

羅元煉

(湖南交通國際經濟工程合作有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

紅砂巖是基礎工程建設中常見的一種巖土材料，其抗壓強度低、抗風化能力弱、遇水易膨脹崩解，用作路基填料將影響路基穩定性和耐久性[1-2]。因此，紅砂巖填料在鐵路、道路路基工程中應用受到限制[3-4]。通常摻加一定劑量的水泥、石灰等改良劑對其進行處治，以提高填料的強度和穩定性。目前，學者對紅砂巖改良應用進行了一定研究。馬滔[5]研究發現蘭州地區紅砂巖物理力學性質與經驗值相差較大，并分析了水泥、石灰、粉煤灰等改良劑對紅砂巖抗剪強度參數的影響。王帥等[6]研究表明直接采用紅砂巖填料填筑路基，路基產生不均勻沉降；選用水泥改良紅砂巖填料，當水泥劑量≥4%時滿足路基強度要求。朱彥鵬等[7]基于正交試驗方法研究了水泥摻量、黃土摻量和含水率對改良紅砂巖抗剪強度的影響規律。雷潤杰[8]、高慧芳等[9]研究表明水泥改良紅砂巖效果優于石灰。

我國各地氣候與地質不同，紅砂巖成分相差較大、物理力學性質不一。目前關于水泥改良紅砂巖填料水穩定性研究較少。因此本文選用水泥對紅砂巖進行改良，通過水穩定性試驗、CBR試驗和干濕循環試驗研究水泥改良紅砂巖填料水穩定性，可為實際工程提供參考。

1 試驗材料與試驗設計

1.1 試驗材料

1.1.1紅砂巖

紅砂巖取自安徽某在建路取土場，其干燥與飽和狀態下單軸抗壓強度分別為18.9、11.8MPa。紅砂巖礦物成分組成見表1，風化碎屑物顆粒組成和物理力學性質分別見表2和表3。紅砂巖中長石和蒙脫石含量較高，在外界環境因素影響下易發生風化崩解[10]，風化碎屑物以0.072～2mm的砂粒為主，不均勻系數Cu=4.0，曲率系數Cc=0.9，根據規范[11]可判斷紅砂巖碎屑物屬于低液限級配不良中砂。

表1 紅砂巖礦物成分組成%石英云母長石蒙脫石76.542.9613.886.62

表2 紅砂巖風化碎屑物篩分試驗結果篩孔/mm質量百分率/%篩孔/mm質量百分率/%60100.02.00080.740100.01.00078.12095.40.50069.91091.40.25041.4586.70.0754.1

表3 紅砂巖風化碎屑物物理力學性質液限/%塑限/%塑性數最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)23.113.29.99.382.0716.228.1

1.1.2水泥

水泥選用安徽海螺水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥P·O42.5，技術性質見表4。

表4 水泥技術性質細度/%凝結時間/min初凝終凝安定性燒失量/%抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3 d28 d3 d28 d1.1138301合格1.0524.548.75.07.4

1.2 試驗設計

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)拌和水泥改良紅砂巖風化碎屑物，按最佳含水率成型試件并養生，通過水穩定性試驗、CBR試驗和干濕循環試驗研究其水穩定性，分析水泥劑量、壓實度、養生齡期及外界環境因素對水泥改良紅砂巖無側限抗壓強度影響規律。試驗中，紅砂巖風化碎屑物最大粒徑不超過40mm，擬摻加水泥劑量為3%、4%、5%、6%，壓實度為93%、95%、98%，養生齡期為7、28 、90d，每組試驗采用6個試件。水穩定性試驗和干濕循環試驗中采用靜壓法成型試件，尺寸為φ100mm×100 mm(直徑×高)，選用萬能試驗機測定試件無側限抗壓強度，加載速率為1mm/min；CBR試驗采用擊實法成型試件，尺寸φ102mm×116mm(直徑×高)。

1.2.1水穩定性試驗

將試件分為兩組，一組達到養生齡期時，直接測定試件無側限抗壓強度；另一組達到養生齡期前1 d，將試件從養生室取出，浸泡于(20±2)℃水槽中，測定試件飽水1 d無側限抗壓強度。采用水穩系數評價水泥改良紅砂巖填料水穩定性，計算公式見式(1)。

(1)

式中：δcT為養生齡期T(d)下試件水穩系數，%；RcBT、RcT為養生齡期T(d)下試件飽水無側限抗壓強度和不飽水無側限抗壓強度，MPa。

1.2.2CBR試驗

參照《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)進行CBR試驗，擬試件浸水時間分別為1、4、7 d。

1.2.3干濕循環試驗

在養生齡期前1 d，將試件從養生室中取出，浸泡于(20±2)℃水槽中一晝夜后進行干濕循環試驗。干燥階段采用自然風干方式，當試件質量與標準養生試件質量相差±2 g內，認為試件達到干燥狀態；加濕階段直接將干燥后的試件置于(20±2)℃水槽中，浸泡12 h。試件干濕循環完畢后測定無側限抗壓強度，擬干濕循環次數分別為1、3、5、7、9、12次。

2 試驗結果及分析

2.1 水穩定性試驗

2.1.1無側限抗壓強度

水泥改良紅砂巖無側限抗壓強度增長規律見圖1。

由圖1可知：

1)壓實度和養生齡期一致條件下，不同水泥劑量的改良紅砂巖無側限抗壓強度增長曲線一致，抗壓強度隨水泥劑量增加逐漸提高，而提高速率不斷減小。其中，養生齡期7d時，增加水泥劑量對改良紅砂巖抗壓強度增長效果最好，水泥劑量由3%增加至4%，改良紅砂巖抗壓強度提高20%以上；由4%增加至5%，抗壓強度提高約為14.5%；由5%增加至6%，抗壓強度提高約為8.0%。

2)養生齡期或壓實系數增加，水泥改良紅砂巖抗壓強度增加。這是因為隨齡期增長，水泥水化反應持續進行，生成的水化硅酸鈣、水泥鋁酸鈣等凝膠物質與紅砂巖材料發生膠結作用，結構穩定性增強，抗壓強度提高；而隨著壓實系數增加，水泥改良紅砂巖結構密實性加大，孔隙率減小，從而抗壓強度提高。水泥改良紅砂巖7、28 d抗壓強度分別約為90 d抗壓強度的59%、85%，說明養生齡期超過28 d后，抗壓強度增長變緩。以養生齡期7 d為例：當壓實系數由93%增加至95%，改良紅砂巖抗壓強度提高12.5%以上；壓實系數由95%增加至98%，抗壓強度提高約11.5%，可見隨壓實度增加，水泥改良紅砂巖提高效果減弱。

a)K=93%

2.1.2水穩系數

水泥改良紅砂巖水穩系數變化規律見圖2。

a)K=93%

由圖2可知：

1)浸水養生1 d后，改良紅砂巖抗壓強度大幅下降，水穩系數在49.9%～73.6%之間。不同水泥劑量、不同壓實度下改良紅砂巖抗壓強度下降程度不一。

2)隨水泥劑量增加，水泥改良紅砂巖水穩系數逐漸提高，說明摻入水泥后，其水穩定性提高。當水泥劑量由3%增加至4%，改良紅砂巖水穩系數提高8.0%以上；水泥劑量≥4%時，水穩系數平均提高3.6%。另外，水泥改良紅砂巖水穩系數隨養生齡期增加逐漸提高，其7、28 d水穩系數約分別是90 d水穩系數的86%、97%，這是因為水泥前期水化反應速度大于后期，當養生齡期超過28 d，水化反應速度減緩，生成的凝膠水化產物含量緩慢增長，從而水穩系數提高幅度較小。

2.2 CBR試驗

水泥改良紅砂巖CBR試驗結果見圖3。試件養生7 d，壓實度為95%。

圖3 水泥改良紅砂巖CBR試驗

由圖3可知，隨浸水時間增加，不同水泥劑量的改良紅砂巖CBR值變化規律不一致。當水泥劑量為3%時， CBR值隨浸水時間增加而減小，浸水時間每增加1 d，CBR值平均降低2.5%；當水泥劑量≥4%，水泥改良紅砂巖CBR值隨浸水時間先增大后減小。這是因為紅砂巖中摻入較高劑量的水泥，水泥水化產物與材料的膠結作用增強，結構整體穩定性加大，在浸水前期時CBR值增長幅度高于因浸水引起的損失；而隨著浸水時間增加，過量的水改變了水化反應環境，從而水泥改良紅砂巖CBR降低。

2.3 干濕循環試驗

水泥改良紅砂巖干濕循環試驗結果見圖4，試件壓實度為95%。

由圖4可知：

1)干濕循環條件下，不同水泥劑量和養生齡期的水泥改良紅砂巖抗壓強度變化趨勢相近，隨干濕循環次數增加，改良紅砂巖抗壓強度逐漸減小，即水穩定性下降。在養生齡期28 d時，水泥改良紅砂巖干濕循環1、7、12次的抗壓強度較無干濕循環的抗壓強度分別降低了13.2%～23.9%、26.3%～58.1%、28.3%～64.1%；而養生齡期90 d時，則分別降低了6.8%～13.8%、16.3%～31.9%、17.0～36.2%。另外，隨干濕循環次數增加，水泥改良紅砂巖28 d抗壓強度與90 d抗壓強度的比值逐漸減小，干濕循環12次時比值不超過74%，說明隨養生齡期增加，水泥改良紅砂巖水穩性得到提高。

a)28 d

2)同一干濕循環次數下，水泥劑量增加對抗壓強度提高效果增強。干濕循環7次時，水泥劑量每增加1%，改良紅砂巖28、90 d抗壓強度分別提高16.5%、9.5%以上；干濕循環12次時，水泥劑量每增加1%，改良紅砂巖28 、90 d抗壓強度分別提高19.7%、11.1%以上。這是因為水泥劑量增加，生成的水化硅酸鈣等凝膠物質含量增多，通過與紅砂巖材料發生膠結作用有效地阻礙了外界水分的進入，抑制了干濕循環作用對改良紅砂巖結構的破壞。另外，同一壓實度下，6%水泥改良紅砂巖干濕循環12次的28、90 d抗壓強度分別與無干濕循環的7、28 d的抗壓強度相當。

3 結論

1)隨水泥劑量、壓實系數或養生齡期的增加，水泥改良紅砂巖無側限抗壓強度逐漸提高；水泥改良紅砂巖浸水養生1 d后抗壓強度降低顯著，水穩系數在49.9%～73.6%之間。

2)水泥劑量對改良紅砂巖CBR值影響規律不一致，3%水泥劑量的改良紅砂巖浸水時間每增加1 d，CBR平均降低2.5%；水泥劑量≥4%的改良紅砂巖CBR先增大后減小，浸水10 d后CBR降低在9.0%左右。

3)隨干濕循環次數增加，水泥改良紅砂巖水穩定性變差，干濕循環12次的28、90 d抗壓強度分別降低了28.3%～64.1%、17.0%～36.2%；隨水泥劑量或養生齡期增加，干濕循環條件下改良紅砂巖抗壓強度提高，水泥劑量增加1%，改良紅砂巖干濕循環12次的28、90 d抗壓強度分別提高19.7%、11.1%以上。