水泥改良自重濕陷性黃土耐久性研究

張伯揚 夏 彬 劉小軍 劉晶磊*

(1.河北建筑工程學院,河北 張家口 075000;2.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點試驗室,河北 張家口 075000;3.河北省寒冷地區交通基礎設施工程技術創新中心,河北 張家口 075000)

0 引 言

現今我國為建成西部陸海新通道,西北地區的公路交通建設方興未艾.然而我國西北部分地區存在一種特殊的黃土,具有遇到水浸濕后會因上蓋覆土自重而發生發生顯著沉降變形不良工程特性,即自重濕陷性.為解決濕陷性黃土在作為路基填料的時帶來的危害,國內外許多專家學者進行了許多相關研究.王建良等[1]通過直剪試驗和CBR試驗分析了摻入水泥量對自重濕陷性良黃土的影響,試驗結果表明改良黃土隨水泥摻量的增加抗剪強度和承載比都會增大;尚思伯等[2]通過擊實試驗和壓縮試驗研究了水泥和石灰改良黃土的物理特性,試驗結果表明隨水泥或石灰摻量增大,改良黃土的彈性模量、最佳含水量和最大干密度都呈增大趨勢;劉霜等[3]在側向無約束的條件下對比分析水泥及TX型固化劑對改良黃土抗壓強度的影響,結果表明改良土試樣抗壓強度隨水泥含量及養護齡期的增大而增大.張鴻迪等[4]通過三軸壓縮試驗研究了復合材料改良濕陷性黃土抗剪強度的影響,試驗結果表明不同摻量的改良黃土抗剪強度破壞符合摩爾—庫倫破壞原則,且其內粘聚力c和內摩擦角φ隨摻量增大而增大;王飛等[5]通過壓縮實驗研究了壓實度與干濕循環對黃土濕陷特性的影響,試驗結果表明未經干濕循環的黃土濕陷性系數隨壓實度的增大而減小,而經過干濕循環后黃土濕陷性系數隨壓實度的增大而變大,且增加干濕循環次數后黃土濕陷性系數會進一步增大.劉晶磊等[6]對土凝巖改良的鹽漬土進行擊實試驗和無側限抗壓試驗,發現隨著土凝巖摻量的增加,改良鹽漬土的抗壓強度和最優含水率對應的干密度不斷減小.袁志輝等[7]通過單軸抗拉實驗和在不固結不排水條件下進行的三軸實驗,并分析了干濕循環次數對濕陷黃土強度的影響,試驗結果表明隨干濕循環次數增加濕陷性黃土抗拉強度和抗剪強度都呈減小趨勢.

上述研究成果主要是從濕陷性黃土改良后力學特性方面進行研究,但是對改良土的水穩定性及耐干濕性研究尚有不足.為探究水泥改良濕陷性黃土做路基材料而受雨雪天氣影響后的耐久性,本文通過無側限抗壓試驗對壓實度、水泥摻量、養護時長等變量因素進行分析,以水穩系數評價衡量改良黃土水穩定性;并通過干濕循環試驗研究摻入水泥量的大小對改良黃土在無側限約束條件下的抗壓強度影響,從而為水泥改良濕陷性黃土的耐久性工程應用提供相應依據.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自青海地區公路路基,為自重濕陷性黃土.試驗水泥為P.C.32.5水泥,具體的參數性能如表1所示.

表1 試驗水泥性能參數

1.2 試驗方案

為探究影響水泥改良濕陷性黃土耐久性的因素,依據相關公路規范[8,9]以壓實度、水泥摻量、養護時長為變量設定1、2、3號試驗方案進行水穩定性研究;并進一步以水泥摻量、干濕循環次數為變量設定4號試驗方案進行耐干濕性研究.試驗方案如表2所示.

表2 水泥改良自重濕陷性黃土耐久性試驗方案

1.3 試驗方法

由試驗方案中設計的不同水泥摻量和不同壓實度進行配土,通過靜壓法將配置好的改良土壓成直徑和高度都是50mm圓柱狀.試件在壓制步驟完成后要進行為時7d的標準養護,溫度控制在18℃～22℃之間,濕度等于或大于95%.依據試驗方案中的目的,將試驗分兩部分完成.

第一部分,將1、2、3號方案的試件分為浸水組和不浸水組,不浸水組則依據試驗方案,持續標準養護至要求時間;而需要浸水的試件則要放入高于試件頂部20mm的水中、且溫度恒為18℃～22℃水中,持續養護至要求時間.其次應將改良土試樣切削成無側限抗壓試件的標準尺寸,同時為了防止試件含水率發生改變,應將其表面均勻地被涂上一層凡士林.接著不宜過快地轉動儀器手輪以使被安放好試件的儀器底座緩慢上升,當試樣碰到上方的加壓板剛時而完成轉動步驟.為避免因試件太硬而超出測力計量程或因試件太軟而測力計量程過大導致分辨率過低,應選擇量程適宜的測力計并校零.然后轉動手柄,使升降設備上升進行試驗.轉動速度應通過軸向應變速度控制,為1～3%/min;并且讀數頻率也應根據軸向應變控制,比如當軸向應變小于3%時,讀數頻率為每0.5%應變而讀數一次,當軸向應變大于3%時,讀數頻率為每隔1%應變而讀數一次.在10min以內停止轉動手輪.最后繪制應力-應變曲線已得到相應試件的無側限抗壓強度,并以水穩系數(即浸水組無側限抗壓強度與不浸水組無側限抗壓強度之比)評價衡量改良土水穩性變化.

第二部分,在溫度為60℃的條件下,將4號方案的試件進行12小時的烘干,之后以浸水組同樣的養護方式將試件浸濕12h,即完成一次干濕循環.重復干濕循環直到預設的循環次數后,將試件放置室內晾干30分鐘后,重復無側限抗壓試驗步驟得到相應干濕循環后試件的抗壓強度.

2 試驗結果分析

2.1 水穩定性試驗分析

根據1號試驗方案探究壓實度與改良土的水穩定性的相互關系,結果如圖1所示.

圖1 水穩系數隨壓實度變化規律圖

由圖1知,當壓實度增大后水穩系數亦隨之增大,當壓實度在95%～97%時,水穩系數增長速度較快;當壓實度達到97%后,水穩系數增長趨勢趨于平緩.這說明土體壓實效果越好,土體中孔隙越小,土體滲透性越低,當土體遇水浸濕后其抗壓強度損失越小,故水穩定性越好.

根據2號試驗方案探究水泥摻量對改良土水穩定性的影響進行試驗,試驗結果詳見圖2.

圖2 水穩系數隨水泥摻量變化規律圖

從圖2可知,當水泥摻量變量增大時,水穩系數曲線呈上升趨勢.當水泥摻量在6%～8%時,水穩系數增長幅度較小;當水泥摻量在8%～10%時,水穩系數增長速率變大.這說明土體水泥摻量增大后,改良土體內將發生更多的水化反應,從而生成更緊密的網狀結構和水穩定板體凝結改良土體,遇水后崩解軟化影響越小,其水穩定性越好.

根據3號試驗方案探究養護時長對改良土水穩定性的影響進行試驗,試驗結果詳見圖3.

圖3 水穩系數隨養護時長期變化規律圖

從圖3可知,當養護時長在14～21d時,土體水穩性隨養護時長增大而減小;當養護時長達到21d時,水穩定系數降至最小值為0.54.在養護時間達到21d之后水穩定系數變化趨勢發生轉折,土體水穩性隨養護時長增大而增大.當養護時間在21～28d之間,水穩定系數增長速度較快;而在28～35d之間,水穩定系數增長趨勢趨于平緩.這表明水泥顆粒在改良土中發生水硬化發應,并在21d之后逐漸凝固形成致密的網狀結構,使改良土形成穩定的凝結板體,故水穩定系數隨養護時間增大而增大.

在養護時間為21～28d的條件下,水泥改良濕陷性黃土水穩定系數隨壓實度、水泥摻量和養護時間的增大而增大.但隨著壓實度和養護時間的增加,水穩系數增長幅度變小.綜合考慮經濟性與工期,水泥改良濕陷性黃土的壓實度宜控制在97%～98%之間,水泥摻量宜控制在8%～10%之間,養護時間宜在28～35d之間.

2.2 干濕循環試驗分析

由4號試驗方案探究干濕循環數對不同摻入水泥量的改良土在7d后無側向約束條件下的抗壓強度影響,試驗結果詳見表3和圖4.

表3 不同摻入水泥量試件在干濕循環條件下無側限抗壓強度試驗結果

圖4 干濕循環次數與7d后無側限抗壓強度規律圖

從圖4可知,伴隨著干濕循環次數的增大,改良黃土的7d無側限抗壓強度將不斷衰減.這是因為改良后的濕陷性黃土遇到雨水就會發生濕陷變形,土體內固體顆粒間相對位置也會發生改變,致使內部相對穩定的土體結構受到破壞.當干濕循環次數增加,土體結構破壞越嚴重,從而其無側限抗壓強度衰減就越多.其中當干濕循環次數達到15次后,水泥摻量為3.5%、6%、8%的改良土抗壓強度衰減幅度依次為12.3%、17.2%、17.7%,表明當摻入水泥量越大則改良土抗壓強度衰減越快,而隨著水泥摻量的增大改良土的耐干濕性增強.

3 結 論

本文通過水穩定性試驗與干濕循環試驗探究摻入水泥量、壓實度、養護齡期、干濕循環次數等因素對水泥改良自重濕陷性黃土的耐久度影響,基于試驗得到以下結論:

(1)水泥改良自重濕陷性黃土水穩定性隨壓實度、摻入水泥量增大而增大;隨養護時長增大呈先增大后減小的趨勢,并在35d之后水穩系數曲線緩慢上升趨向平穩.

(2)水穩系數增長幅度隨著壓實度和養護時間的增加而變小.綜合考慮經濟性與工期,水泥改良濕陷性黃土的壓實度宜控制在97%～98%之間,水泥摻量宜控制在8%～10%之間,養護時間宜在28～35d之間.

(3)改良土的無側限抗壓強度隨干濕循環次數增加而降低;在干濕循環次數相同的條件下,其耐干濕性隨摻入水泥量增大而增大,且摻入水泥量大的改良土在側向無約束條件下的抗壓強度衰減速度較快.