水泥改良土的物理力學特性試驗研究

顏勝才

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

水泥改良土的物理力學特性試驗研究

顏勝才

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

介紹了水泥改良土的作用機理，通過室內和現場試驗，分析了水泥改良土擊實性、水穩性、強度特性、剛度特性等物理力學特性。研究結果表明:水泥摻量對水泥改良土水穩性的影響及養護齡期對其強度的影響顯著，檢測時間對其地基系數K30測試結果影響最大。從水穩性角度考慮，建議高速鐵路路基水泥改良土的水泥摻量不宜小于3%。

水泥改良土 物理力學特性 試驗研究

我國高速鐵路建設發展快速，對優質路基填料的需求量與日俱增。規范對高速鐵路路基填料的要求比普速鐵路更加嚴格。《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10020—2009)要求基床底層及基床以下路堤應使用A，B組填料或改良土［1］。各在建高速鐵路沿線的調查結果顯示，A，B組填料的原料比較匱乏，遠遠滿足不了目前路基填筑施工的需求，因此，改良土成為很重要的補充，研究改良土的物理力學特性具有實用價值。

除A，B組填料外，目前在高速鐵路路基應用比較廣泛的是水泥改良土。它是將粉碎的素土與一定比例的水泥拌合均勻、機械壓實并養護后形成的，利用水泥與素土之間發生的一系列物理、化學反應，使素土硬結成具有一定強度、耐久性和水穩性的水泥改良土。水泥改良土的強度源于素土強度、素土的物理改良、水泥水化硬化的膠結作用和硬凝反應，其中水泥水化硬化的膠結作用對水泥改良土強度的貢獻最大［2］。已有研究結果表明，素土的種類對水泥改良土的強度影響顯著，不同的土類加入等比例水泥后，水泥土強度可相差近一倍［3］。王兵等［4］研究了水泥土強度隨養護齡期增長的微觀機理，認為60 d齡期強度可以作為擊實水泥土的設計強度。張天紅、賈厚華等［5-6］也對水泥土強度的影響因素做了研究，提出了各自的觀點。宋永軍等［7］結合施工現場研究了水泥土的時效性。馬學寧等［8］對水泥改良黃土的力學特性進行了試驗研究。本文通過室內、現場試驗研究水泥改良土的物理力學特性，對其用于高速鐵路路基填料的適用性進行探討。

1 水泥改良土的物理力學特性

試驗中采用的素土取自一在建高速鐵路取土場，其物理性質指標如表1所示，屬粉土。摻入的水泥為P．O42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 素土的物理性質指標

1.1 擊實特性

擊實特性對控制路基的填筑壓實質量至關重要，用擊實試驗測試出的最大干密度和最佳含水率是指導現場填筑壓實的重要參數。

為了避免延遲時間對擊實試驗結果的影響［9］，所有的水泥土擊實試驗均在加水泥攪拌后1 h內完成，不同摻量水泥土的重型擊實試驗結果如表2所示。可以看出，水泥土的最大干密度和最佳含水率隨水泥摻量的變化不大，具有良好的擊實特性。

表2 水泥改良土的擊實特性與水泥摻量的關系

1.2 水穩性

水穩性是表征填料抵抗滲水侵蝕的指標，用于高速鐵路路基的填料必須具備良好的水穩性。水泥改良土的水穩性通過濕化試驗和液塑限試驗測試。

1)濕化試驗

土的濕化是土體在水中發生崩解的現象。濕化試驗是通過測定邊長5 cm的立方體試樣在水中浸泡后的崩解量來評定其水穩性。對不同水泥摻量標準養護7 d試件在水中浸泡24 h后崩解量的測試結果如表3所示。

表3 水泥改良土試件的濕化試驗崩解量

由表3可見，素土完全崩解，隨著水泥摻量增大，試件崩解量變小，水穩性變好，且水泥摻量達到3%及以上時，崩解量數值較小(＜10%)，此時改良土具備良好的水穩性。

2)液塑限試驗

土的液塑限能反映土顆粒與水相互作用的程度。水泥土的液塑限試驗方法是將拌合的水泥土用標準方法擊實，然后將試件養護7 d后烘干，并重新粉碎后采用液塑限聯合測定法測定，不同摻量水泥土的液塑限試驗結果見表4及圖1、圖2。

表4 水泥改良土試件的液塑限試驗結果

圖1 液限與塑限隨水泥摻量的變化

圖2 塑性指數隨水泥摻量的變化

從圖1、圖2可知:摻入水泥后，液限變化不大;塑限的變化趨勢分兩段;水泥摻量在0～3%，塑限隨其增大而急劇增大，在3%～6%塑限基本不受其影響，維持一個比較穩定的數值;塑性指數先隨水泥摻量增大而急劇減小，當水泥摻量增大到3%以后基本維持在一個比較穩定的低值。塑性指數越小則土的親水性越弱，水穩性也就越好，因此，水泥摻量的增加能改善水泥改良土的水穩性，且當摻量達到3%以上時對水穩性的改善作用趨于穩定。這與濕化試驗的結果比較吻合。因此，從水穩性考慮，高速鐵路路基水泥改良土中水泥摻量不宜低于3%。

1.3 強度特性

改良土的強度一般通過無側限抗壓強度試驗測得。不同水泥摻量、不同養護齡期的水泥改良土無側限抗壓強度值測試結果見表5、表6和圖3。

表5 水泥改良土無側限抗壓強度值MPa

表6 水泥土強度隨齡期的增長幅度

圖3 不同水泥摻量、不同養護齡期的無側限抗壓強度試驗結果

由表6可知，水泥摻量、養護齡期對水泥土的強度影響顯著。水泥摻量越大，養護齡期越長，無側限抗壓強度值越高。養護7 d時的抗壓強度增長幅度為149%～238%，養護28 d的增長幅度為373%～542%。實際工程中一般以7 d強度來評定，而后期強度還存在很大的發展空間。另外0～7 d平均每天增長幅度為21%～34%，8～28 d平均每天增長幅度為6%～10%，說明水泥改良土早期強度發展迅速，后期逐漸趨緩，這與水泥早期強度發展較快有關。

1.4 剛度特性

剛度特性是指材料抵抗變形的能力，在路基填筑現場可以通過測定地基系數K30來評定。對現場摻4%水泥的改良土測試數據進行統計分析發現，影響地基系數最大的因素是測試時間，如表7所示。隨著碾壓完成后的時間延長，K30數值明顯增大。碾壓完成后1 h時K30為145 MPa/m，碾壓完成后48 h K30達到211 MPa/m，增幅高達45.5%，說明水泥改良土抗壓縮變形的能力顯著提高。

表7 水泥改良土不同時間的K30測試結果對比MPa/m

2 結論

1)水泥改良土最大干密度和最佳含水率基本不受水泥摻量的影響，具有良好的擊實特性。

2)水泥摻量的增大能顯著改善水泥改良土的水穩性，當摻量達到3%以上時水泥改良土的水穩性良好且基本保持在一個比較穩定的水平。

3)水泥改良土的無側限抗壓強度隨水泥摻量的增大而增大，隨齡期的增長而增大，且早期強度發展較快，后期逐漸趨緩。

4)水泥改良土具有良好的剛度特性，抗壓縮變形的能力隨時間延長而顯著提高。

5)當路基填料采用水泥改良土時，為保證其各項特性指標均能滿足要求，其水泥摻量不宜低于3%。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB 10020—2009高速鐵路設計規范(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［2］黃新，寧建國，郭曄，等．水泥含量對固化土結構形成的影響研究［J］．巖土工程學報，2006，28(4):436-441．

［3］黃新，周國鈞．水泥加固土硬化機理初探［J］．巖土工程學報，1994，16(1):436-441．

［4］王兵，楊為民，李占強．擊實水泥土強度隨養護齡期增長的微觀機理［J］．北京科技大學學報，2008，30(3):234-238．

［5］張天紅，周易平，葉陽升，等．水泥土的強度及影響因素初探［J］．中國鐵道科學，2003，24(6):53-56．

［6］賈厚華．化學改良土無側限抗壓強度的試驗研究［J］．土工基礎，2010，24(3):84-87．

［7］宋永軍，吳連海．鐵路客運專線基床水泥改良土填筑壓實檢測及其時效性研究［J］．鐵道勘察，2005，12(1):33-35．

［8］馬學寧，梁波．水泥改良黃土力學特性試驗研究［J］．巖土工程技術，2005，19(5):241-244．

［9］史存林，石新橋，王慶林．水泥改良土擊實方法的分析與研究［J］．鐵道工程學報，2007(增):147-149，181．

(責任審編李付軍)

TU41;U416.1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．28

1003-1995(2015)04-0107-03

2014-07-26;

2014-09-20

顏勝才(1982—)，男，湖南漣源人，助理研究員，碩士。