干濕循環過程中粉細砂改良土路基填料試驗研究

(中國鐵路蘭州局集團有限公司,河南 許昌 730000)

隨著“一帶一路”倡議的實施，戈壁和沙漠地區將會修建越來越多的鐵路，因而對粉細砂改良土耐久性填料的研究具有重要的實際意義。改良土的耐干濕循環能力是指其抵抗自然環境中因水分變化而產生破壞的能力，是改良土耐久性的重要指標之一[1]。

王建華等[3]通過試驗分析干濕循環過程導致水泥改良土強度衰減的機理，指出土料中黏粒團的干縮濕脹變形是引起干濕循環后改良土強度衰減的主要原因，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的強度。韓文斌等[4]通過試驗分析了作為京滬高速鐵路路基基床填料的下蜀黏土的工程特性，得出石灰、水泥的最優劑量約為5%，固化劑的最優劑量約為2%～3%。李星等[5]通過試驗研究了干濕循環作用下高速鐵路路基中水泥改良膨脹土的動力特性，發現摻入水泥能顯著增強改良土抵抗干濕循環作用的能力，滿足路基工程要求。楊廣慶[6]進行了水泥改良粉質黏土動三軸試驗，發現其動態特性滿足高速鐵路路基的要求。雷杰等[7]通過開展水泥改良粉細砂在干濕環境下力學性能試驗，研究了改良粉細砂在不同環境下的工程特性。

本文采用細顆粒含量46.53%的粉細砂改良土進行干濕循環試驗，通過無側限抗壓強度和質量損失率指標評價不同配合比對改良土路基填料耐久性的影響。

1 粉細砂干濕循環試驗

本試驗所用粉細砂取自中國國家鐵道試驗中心(東郊分院)試驗場。

1.1 篩分試驗和擊實試驗

通過顆粒篩分，得到該粉細砂粒徑小于0.075 mm的細顆粒含量為46.53%。將粉細砂分別摻加質量5%，8%，11%，15%的水泥，進行擊實試驗。試驗結果表明：摻量5%，8%，11%，15%的水泥改良粉細砂最大干密度分別為1.940，1.970，1.972，1.972 g/cm3，最優含水率分別為10.15%，10.20%，10.40%，10.50%。

1.2 試樣養生和干濕循環

根據TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》要求,對不同摻量水泥改良粉細砂添加至規定含水率進行制樣。制樣完成后放入恒溫恒濕箱養生7 d或28 d，養生期滿后取出進行干濕循環試驗。

將試樣在室溫下(20±2 ℃)放入水中浸泡24 h，浸泡完后在水中取出試樣，放入70 ℃烘箱中24 h至烘干，如此為1次干濕循環。通過無側限抗壓強度和質量損失率2項指標評價不同影響因素對粉細砂改良土耐久性的影響。

1.3 無側限抗壓強度試驗

根據文獻[4]，含水率對改良土的強度影響很大，一般為最優含水率時改良土在干燥狀態和飽和狀態下的靜強度最高；含水率比最優含水率高或低4%時強度均降低明顯。在施工中控制含水率是關鍵環節。

采用含水率分別高于最優含水率1%，4%,壓實系數分別為0.90，0.95，不同水泥摻量的粉細砂進行無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度結果分析

2.1.1 養護7 d無側限抗壓強度結果分析

不同含水率及不同壓實系數時水泥摻量11%試樣的無側限抗壓強度見圖1。

圖1 水泥摻量11%試樣的無側限抗壓強度

由圖1可知，隨著干濕循環次數的增加，試樣的無側限抗壓強度總體先增長后趨于穩定。這主要是因為干濕循環過程中高溫高濕的環境促進了改良土固化劑的水化反應，反應完成后強度不再增長。水泥摻量11%試樣壓實系數0.95時，高于最優含水率1%的試樣無側限抗壓強度比高于最優含水率4%的試樣高出約80%；而壓實系數0.90時，高于最優含水率1%試樣的無側限抗壓強度比高于最優含水率4%試樣僅高出約10%。高于最優含水率1%時，壓實系數0.95的試樣無側限抗壓強度比壓實系數0.90的試樣高出約50%；高于最優含水率4%時，壓實系數0.95的試樣無側限抗壓強度比壓實系數0.90的試樣較接近。

綜上所述，與高于最優含水率1%的試樣相比，高于最優含水率4%的試樣無側限抗壓強度有一定幅度的下降，壓實系數越高，降低幅度越大。與壓實系數0.95的試樣相比，壓實系數0.90的試樣無側限抗壓強度有一定幅度的下降，含水率越接近最優含水率，降低幅度越大。

圖2 養護7 d不同水泥摻量試樣的無側限抗壓強度

壓實系數0.95、高于最優含水率4%時，養護7 d后水泥摻量5%，11%，15%的試樣無側限抗壓強度見圖2。可知，水泥摻量11%的試樣比水泥摻量5%的試樣無側限抗壓強度約高出180%,水泥摻量15%的試樣比水泥摻量11%的試樣無側限抗壓強度反而降低20%。這主要是因為水泥摻量過多，會導致水化熱增大，收縮裂縫增多，引起試樣開裂，強度降低。試驗結果表明水泥摻量11%時試樣無側限抗壓強度最高。

TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》規定：基床表層填料化學改良土7 d飽和無側限抗壓強度應大于500(700)kPa；基床底層化學改良土7 d飽和無側限抗壓強度應大于350(550)kPa(括號內數值為嚴寒地區化學改良土考慮凍融循環作用所需的強度值)。根據試驗結果，水泥摻量5%的粉細砂改良土養護7 d后飽和無側限抗壓強度約在1 MPa左右，滿足TB 10001—2016要求。

2.1.2 養護28 d無側限抗壓強度結果分析

壓實系數0.95、高于最優含水率4%時，養護28 d后水泥摻量5%，8%，11%的試樣無側限抗壓強度見圖3。

圖3 養護28 d不同水泥摻量試樣的無側限抗壓強度

由圖3可知,水泥摻量11%試樣的無側限抗壓強度比水泥摻量8%試樣約高出20%，水泥摻量8%試樣的無側限抗壓強度比水泥摻量5%試樣約高出30%。

對比相同條件養護28，7 d的試樣可知，養護28 d試樣的初始無側限抗壓強度顯著高于相同水泥摻量養護7 d的試樣；隨著干濕循環次數的增加，兩者趨于持平。原因在于養護28 d的試樣比養護7 d的水泥反應更加充分，而隨著干濕循環次數的增加及水泥反應完成后，兩者強度逐漸達到同一水平。

2.2 耐久性分析

通過養護7 d后6種不同配合比粉細砂試樣18次干濕循環后的質量損失率來評價粉細砂水泥改良土的耐久性。

粉細砂水泥改良土試樣經過18次干濕循環后，其質量不但沒有減少，反而還略有增加，說明水泥水化反應所固化水分的質量高于干濕循環所引起混合料損失的質量，混合料質量增加越多，水泥所固化的水分質量越多。用試樣初始質量減去18次干濕循環以后的質量，與初始質量的比值，作為試樣的質量損失率[8]，正值表示質量減少，負值表示質量增加,見表1。

表1 不同配合比試樣干濕循環質量損失率

由表1可知，水泥摻量、壓實系數越高，干濕循環后質量增加越多，耐久性越好。我國鐵路系統以5次干濕循環后的質量損失率作為控制指標。因為18次干濕循環后，本次試驗的6組配合比質量沒有損失反而增加，所以都滿足國內外相關標準的要求。但質量增加過多會導致粉細砂改良土產生一定程度的膨脹，因此從經濟性和適用性上分析，水泥摻量5%的試樣優于水泥摻量8%，11%的試樣。

3 結論

1)細顆粒含量46.53%的粉細砂干濕循環中，水泥摻量、壓實系數越高，含水率越接近最優含水率，試樣無側限抗壓強度越高。但水泥摻量過多會使粉細砂水泥改良土產生收縮裂縫，引起粉細砂水泥改良土強度降低。水泥摻量11%、壓實系數0.95、含水率高于最優含水率1%時，粉細砂水泥改良土無側限抗壓強度最高。

2)水泥摻量5%、11%、15%粉細砂改良土7 d飽和無側限抗壓強度均滿足《鐵路路基設計規范》的要求。

3)養護28 d試樣初始無側限抗壓強度高于養護7 d 的試樣，隨著干濕循環次數增加，水泥水化反應完成，兩者逐漸趨于持平。

4)水泥摻量、壓實系數越高，粉細砂水泥改良土干濕循環后質量增加越多。考慮經濟性和適用性，水泥摻量5%的試樣優于水泥摻量8%，11%的試樣。