水泥在改良黏性土路基中的應用研究

史衛國，阮 高，陳風光，姚云泉

(1．中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074;2．中交第二公路勘察設計研究院，湖北 武漢 430056)

路基填料工程性質的優劣直接關系路基填筑質量［1］，我國高速鐵路路基工程中采用的天然路基填料，大多存在各種缺陷，如水穩性差、黏性較高、膨脹率較大等，致使填筑壓實后，路基的無側限抗壓強度等不滿足工程要求。因此，常采用在填料中摻入改良劑的方法來改良填料。路堤填料改良是將粉碎的土和其它添加劑、水進行充分拌合，再用機械壓實養護從而形成穩定的路堤。目前常采用的添加劑主要有石灰、水泥、粉煤灰、瀝青、合成固化劑、合成樹脂等［2］。為此本文通過對具有代表性的高塑性黏性土的基本物理性質、脹縮性、強度進行分析，采用添加水泥的方法對其進行改性，研究其物理力學性質、水穩定性和強度變化規律，為確定水泥作為路基填料的最佳摻量提供參考并指導施工。

1 水泥改良作用機理

由于在實際工程中水泥是最主要且最常用的工程改良原料［3］，因此這里主要討論水泥材料改良土體的固化機理。

1)水泥的水解和水化反應 當用水泥改良土體時，水泥顆粒表面的礦物很快與土中的水發生水解和水化反應，其過程如表1所示。

2)離子交換作用 水泥與水反應后的膠體中，存在著大量 Ca(OH)2及 Ca2+、OH－，其中 Ca2+及 OH－與土粒表面吸附的金屬離子進行吸附交換，降低了黏性土的親水性和塑性，使分散顆粒形成較大的土團，在氫氧化鈣的強烈吸附作用下，土團進一步結合成鏈條狀結構的水泥土，水泥土封閉了土團間的空隙，使其更加堅固，從而提高土體強度，減少壓縮性［4］。如式(1)。

表1 水泥的水解和水化反應

3)硬凝反應 隨著水泥水化反應深入，溶液中析出的鈣離子數量超過上述離子交換的需要量后，則在堿性的環境中，組成土體礦物的SiO2和Al2O3的一部分或大部分就能與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的穩定的結晶化合物，如式(2)和 式(3)。

這些新生成的化合物在水和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強度。而且由于其結構比較致密，水分不易浸入，具有足夠的水穩定性。

4)碳酸化作用 水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中的二氧化碳，發生碳酸反應，生成不溶于水的碳酸鈣，見式(4)。

這種反應生成CaCO3，使得土的分散度降低，壓縮性降低，強度提高，水穩定性增強，起到了固化土體的作用。

2 工程特性及改良方案

2.1 黏性土工程特性

工程點的填土屬第四系(Q1－2)黏土，褐黃色，硬塑，富含鐵錳結核，并含有鈣質結核(砂姜石)，結構較為致密，厚度＞15 m。對該土進行了礦物成分、物理力學性質、脹縮性等多項室內試驗。該土由多種黏土礦物組成，其中以拜來石、伊利石為主，含有其它黏性土礦物。土的物理力學指標見表2。原狀土強度高，無側限抗壓強度779 kPa，壓縮性一般，屬中等壓縮性土。水穩性差，重夯制樣在浸水飽和后自動崩解。濕化試驗顯示:原狀土浸水1 h崩解約為35%，浸水24 h崩解約為70%。按照塑、液限指標，可將其定名為粉黏土或黏性土。

表2 黏性土物理力學指標試驗結果匯總

2.2 改良方案

使用水泥改良填料，水泥與土的摻合質量比分為3%、5%、7%三種，試驗項目包括改良土的物理性質、顆粒級配、水理性質、無側限抗壓強度和土的膨脹性指標測定等。

3 改良后土體性能分析

3.1 顆粒級配的變化

從圖1中可以看出摻水泥改良后，土體顆粒級配發生了變化，主要表現在＜0.005 mm的黏粒和膠粒明顯減少，由原來的34%降低至17%，粉粒含量增加。因為摻入水泥導致了土體顆粒級配的變化，使土粒的分散度和比表面積減小，從而提高了土體顆粒間的連接力，降低了土體的親水性。

圖1 試驗土樣顆粒級配曲線

3.2 塑性指數及液限、塑限的變化

黏性土改良后物性指標統計分析見表3。摻入水泥后液限、塑限均有所增加，且塑限增大幅度要大于液限，塑性指數減小。說明黏性土經改良后土性發生了很大的變化。

表3 黏性土改良前后物性指標試驗結果對比

3.3 強度和水穩定性的變化

經改良后土體的無側限抗壓強度得到大幅度提高，見表4。由表4可以看出，當水泥摻入量 ＜5%時，無側限抗壓強度隨摻入量的增加而增大，＞5%時，強度隨摻入量的增加而減小。因此對該類土而言，摻入水泥5%為最適宜。強度隨養護齡期呈線性增長，具有較高早期強度，隨養護齡期增長幅度較小。經改良降低了土體的壓縮性。未經改良重夯制樣屬中等壓縮性土，壓縮系數為0.19 MPa－1，摻入水泥改良后，壓縮系數 ＜0.1 MPa－1，屬低壓縮性土。

黏性土中加水泥后，水穩性明顯改善。由表4可見，原狀土浸水后強度明顯降低，強度衰減達92%，改良后的土體強度衰減41% ～65%。濕化試驗顯示，黏性土加入水泥改良后，浸水48 h土樣均無明顯變化，證明黏性土經改良后水穩定性有明顯改善。

3.4 最優含水率與土密度的變化

圖2為不同水泥摻入量下黏性土的擊實曲線。由圖2可知，隨著水泥摻入量的增大，改良土的最優含水率增加，最大干密度則減小。改良土擊實曲線斜率比素土小，曲線較平緩，即改良土的干密度隨含水率的變化速率要比素土慢。這比較有利于路基填筑施工過程中填料含水率的控制［5-8］。

表4 不同水泥摻量時的土體強度

圖2 素土及改良土擊實曲線

4 結論

1)黏性土中摻入3% ～7%水泥改良后，能有效改善其顆粒級配、塑液限、壓縮性等指標，并且力學強度和水穩性大大提高。因此，對黏性土填料通過摻入一定量的水泥進行改良的方案是可行的。

2)強度試驗分析表明，水泥摻入量為5%時最優。但在工程實際應用中，要根據原填料的物理力學性質以及工程要求，合理選擇摻入劑量，也可考慮多種改良劑綜合使用，以保證滿足高速鐵路的強度要求。

［1］ 夏明曉．水泥改良土在洛湛鐵路路基中的應用［J］．科協論壇，2009(6):5-6．

［2］ 譚劍鋒．論不良土路基填料改良技術在廣梧高速公路的應用［J］．現代商貿工業，2008(8):397-398．

［3］ 楊廣慶，茍國利．高速鐵路路基改良土的有關問題［J］．鐵道標準設計，2003(5):15-17

［4］ 申愛琴．道路工程材料［M］．北京:人民交通出版社，2010:165-167．

［5］ 張保儉．既有線提速改建段路基改良土的試驗研究［J］．鐵道建筑，2007(7):60-62．

［6］ 張林洪，吳華金．路基填筑施工技術［M］．北京:人民交通出版社，2008:115-117．

［7］ 王素靈．水泥改良土路基填筑施工技術［J］．鐵道建筑，2008(3):56-58．

［8］ 柳墩利，趙有明．擊實延遲時間對水泥改良土壓實系數影響的研究［J］．鐵道建筑，2008(8):91-94．