水泥改良張家口壩上風積沙的力學性能研究

張 海 島

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北 張家口 075000；2.河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

1 引 言

習近平總書記在中國共產黨第十九次全國代表大會上提到的全面建設小康社會的基礎上，小康社會的到來，也預示著人們對技術的要求越來越高，解決人們對公路的需求是目前要解決的問題.2015年7月31日，我國申請舉辦2022年冬奧會成功，而河北省張家口市作為冬奧會雪上項目的比賽地，交通問題更應得到解決，而張家口的壩上地區存在很多的風積沙，故需要對張家口壩上地區的風積沙進行改良.過去很多學者都研究了風積沙，像國外的一些學者最初研究風積沙的目的是在沙漠地區選擇出合理的路線并防風固沙.比如尼羅河以西的利比亞沙漠，是世界上最大的沙漠-撒哈拉沙漠的一部分，約占埃及面積的2/3，埃及在此沙漠中修筑了一條道路，主要研究了風積沙的運動規律，選擇合理的路線，并采用綠色植物進行道路防護；比如日本西南地區修建的一條道路，此條道路穿越海岸和沙丘，遇到沙丘時就修高架橋，并采用了綠色植物和防沙柵欄進行防護[1];土耳其在修建某條公路時繞開了大的沙丘，道路兩旁也采用了綠色植物和防沙柵欄進行防護.但是隨著許多學者研究風積沙的深入，人們發現用固化劑改良風積沙可以作為路基材料.比如Santoni R L等使用新的纖維穩定技術對沙土進行了室內試驗和現場試驗，研究表明，使用51 mm長的單絲聚丙烯纖維來穩定級配不良的沙土的最佳纖維含量為1%[2].我國對固化劑改良風積沙的研究比較晚，但也取得了很多的結果.魏杰通過研究水泥改良風積沙得出隨著混合料的壓實度的增大，改良風積沙的無側限抗壓強度值增大，且隨著水泥等級的提高，無側限抗壓強度也增大的結論[3]；阮波等通過研究低溫養護條件下水泥改良風積沙無側限抗壓強度的試驗得出了對比標注養護，低溫養護的水泥改良風積沙的無側限抗壓強度下降了32.5%的結論[4];崔強等通過研究水泥固化作用對風積沙地基抗拔基礎承載性能的影響試驗中得出了水泥含量對基礎抗拔承載力的影響與含水率有關，含水率越大，提高抗拔承載力越明顯的結論[5].

基于上述學者的研究，再結合張家口壩上地區風積沙的性質，特通過室內試驗來研究水泥改良風積沙的力學性能.

2 試驗簡介

根據擊實試驗得出的最大干密度和最佳含水率入表1所示，再結合張家口壩上地區實際工程中的壓實度，通過控制變量法制出不同摻量下，不同壓實度下，不同養護齡期的試件，此試件是直徑為50 mm，高度為50 mm的圓柱狀試件，最后通過圖2所示路強儀對試件進行無側限抗壓強度試驗.

圖1 電熱鼓風干燥箱 圖2 路強儀

圖3 養護中的試件

2.1 試驗過程

(1)制件.

將原土料經圖1所示的電熱鼓風干燥箱內烘干，其中電熱鼓風干燥箱的型號為x101-4，電源380 v，電熱功率是6 kw，大小尺寸是800×800×1000 mm，然后經過5 mm的圓孔篩.根據擊實試驗得出的最大干密度和最佳含水率進行燜土配料，然后燜十二個小時，和擊實試驗一樣，待燜土結束后，加入水泥固化劑，攪拌均勻.根據公式1計算出每一個試件所需要的混合料的質量，然后將稱好的混合料灌入高50 mm，直徑為50 mm試模內，每次加入試模內的質量為總質量的1/3，每次往試模內加入混合料后，用夯棒均勻插實，然后將插實好的試模放在壓力機上，以1 mm/min的加載速率加壓至上下壓柱都壓入試模為止，維持壓力2 min.

(2)養護.

將上述的試件進行脫模，稱好其質量，高度和直徑，精確到0.01 mm，然后快速將其用保鮮膜包起來并做好標記放入養護室中，養護七天如圖3所示.

(3)壓件.

從養護室中取出已經達到養護天數的試，重新記錄一下試件的質量和高度以及直徑，然后用圖2所示的路強儀將養護后試件壓碎，由公式2算試件的無側限抗壓強度.

表1 各水泥摻量下改良風積沙的最大干密度與最有含水率

M=V×ρmax×(1+ω)×γ

(1)

設M為混合料的總重量(g)，V為試模的體積(cm3)，ρmax混合料的最大干密度(g/cm3)，ω為混合料的最佳含水率(%)，γ為混合料的壓實度(%)

(2)

表2 水泥摻量對無側限抗壓強度的影響的試驗工況

2.2 試驗工況

通過控制變量法表述水泥摻量的試驗方案，如表2所示.為了保證數據的數據的精確度，每種情況采取平行試驗方法，每種工況的試件不少于3個.

(1)水泥摻量對無側限抗壓強度的影響.

表3 壓實度對無側限抗壓強度的影響的試驗工況

采用控制變量法研究水泥摻量對改良風積沙的無側限抗壓強度的影響，即控制混合料的壓實度不變，養護齡期不變，只改變水泥摻量，對應的試驗工況如表2所示.

(2)壓實度對無側限抗壓強度的影響.

表4 養護齡期對無側限抗壓強度的影響的試驗工況

采用控制變量法研究壓實度對改良風積沙的無側限抗壓強度的影響，即控制混合料的水泥摻量不變，養護齡期不變，只改變混合料的壓實度，對應的試驗工況如表3所示.

(3)養護齡期對無側限抗壓強度的影響.

采用控制變量法研究養護齡期對改良風積沙的無側限抗壓強度的影響，即控制混合料的水泥摻量不變，壓實度不變，只改變試件的養護齡期，對應的試驗工況如表4所示.

3 試驗結果分析

(1)水泥摻量對水泥改良風積沙的無側限抗壓強度的影響.

圖4 水泥摻量與無側限抗壓強度的關系曲線

通過表1的試驗工況進行室內試驗，為了保證試驗的準確性，每種工況做三個試件，最后結果取三個試件的平均值作為每個摻量的無側限抗壓強度值.如圖4所示.

如圖4所示，橫坐標的意思是水泥摻量，縱坐標的意思是7天無側限抗壓強度.從圖4上可以看出，不論是改良風積沙的壓實度為多少，隨著水泥摻量的增加，改良風積沙的無側限抗壓強度均呈現出增加的趨勢.其中當壓實度為95%時，固化劑摻量為4%時，水泥固化劑的壓實度為1.42 MPa，隨著固化劑摻量的不斷增加，當摻量增加到8%時，其無側限抗壓強度增加到了2.35 MPa，故提高水泥摻量可以提高改良風積沙的力學性能，使其達到公路路基的要求.

(2)混合料的壓實度對水泥改良風積沙的無側限抗壓強度的影響.

圖5 壓實度與無側限抗壓強度的關系曲線

通過表2的試驗工況進行室內試驗，為了保證試驗的準確性，每種工況做三個試件，最后結果取三個試件的平均值作為每個摻量的無側限抗壓強度值.如圖5所示.

如圖5所示，橫坐標的意思是混合料的壓實度，縱坐標的意思是7天無側限抗壓強度.從圖5上可以看出，隨著混合料的壓實度的增大，7天無側限抗壓強度值也隨之增大.當混合料的壓實度從89%增加到91%，無側限抗壓強度值從1.814 MPa提高到2.288 MPa，提高了26.13%，壓實度從91%增加到93%，無側限抗壓強度值從2.288 MPa提高到2.402 MPa，提高了4.98%，可以看出7天無側限抗壓強度值提升的速率減小，但無側限抗壓強度值再提高，力學性能變好，故提高混合料的壓實度可以提高改良風積沙的力學性能，使其達到公路路基的要求.

(3)養護齡期對水泥改良風積沙的無側限抗壓強度的影響.

圖6 養護齡期與無側限抗壓強度的關系曲線

通過表3的試驗工況進行室內試驗，為了保證試驗的準確性，每種工況做三個試件，最后結果取三個試件的平均值作為每個摻量的無側限抗壓強度值.如圖6所示.

如圖6所示，橫坐標的意思是試件的養護齡期，縱坐標的意思是無側限抗壓強度.從圖6上可以看出，隨著試件的養護齡期的增大，7天無側限抗壓強度值也隨之增大.試件的養護齡期從14天增加到21天，無側限抗壓強度值從4.92 MPa提高到5.69 MPa，提高了13.53%，試件的養護齡期從21天增加到28天，無側限抗壓強度值從5.69 MPa提高到6.13 MPa，提高了7.73%，可以看出無側限抗壓強度值提升的速率在減小，但無側限抗壓強度值再提高，力學性能變好，故提高試件的養護齡期可以提高改良風積沙的力學性能，使其達到公路路基的要求.

4 實驗結論

根據本次室內試驗的數據，本文分析了水泥摻量、壓實度和養護齡期對改良風積沙的無側限抗壓強度的影響，在本試驗下得出以下結論.

(1)改良風積沙的強度性能隨著固化劑的摻量的增加而增大，但是增長的速率逐漸減慢.

(2)改良風積沙的強度性能隨著混合料的壓實度的增加而增大，但是其增長的速率減慢，混合料的壓實度達到95%，力學性能基本穩定.

(3)改良風積沙的強度性能隨著養護時間的增加而增大，但是強度增長的速率減慢，養護21天，試件的強度基本穩定.