水泥改良黃土物理和力學特性試驗研究

瞿海洋

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 長沙 410208)

0 引言

黃土是一種特殊土，具有水敏性、大孔性、結構性、濕陷性和地震液化性等特性[1-2]。已有學者對黃土的不良工程特性進行了一系列改良研究。Locat等[3]研究了水泥、石灰對黃土改良的效果，文鎔等[4]研究了水泥劑量和齡期對黃土抗壓強度影響關系、土的含水率對土體性質的改變及對土的密實度和土強度影響。周志軍等[5]采用4種地基處理方式對濕陷性黃土地區公路地基進行處理，通過試驗結果得出了不同處理方法的改良效果和適用條件。楊梅等[6]進行了石灰改良黃土試驗，分析了改良黃土性能。房建宏等[7]研究了青海省黃土的顆粒組成、含鹽量、濕陷性等基本物理力學性質和工程特性。裴元新等[8]通過研究黃土高填土工程的合理填土含水率范圍，為控制壓實黃土的含水率提供了參考依據。

在濕陷性黃土地區工程建設中，一般采用其他物理和力學性能較好的填料將其換填，或者采用石灰或化學劑改良的方法對黃土進行改良后用于路基填筑[9]。換填雖然能夠解決黃土地區路基問題，但存在環境破壞、土地資源浪費，成本過高等一系列不利因素，所以將改良黃土運用于路基填筑具有重要的價值和意義。本文就濕陷性黃土改良進行研究，以期改良后的濕陷性黃土能作為路基填料使用。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

土樣取自某路基挖方段。分別在3個位置進行取土，編號為1#、2#和3#，其物理性質如表1所示。

表1 黃土的物理性質取土編號液限ωL/%塑限ωP/%最優含水率/%最大干密度/(g·cm-3)1#28.218.912.41.862#28.118.712.01.883#26.117.812.01.91

采用32.5硅酸鹽水泥，通過室內試驗進行檢測，水泥初凝時間為230 min，終凝時間為327 min，具體指標如表2所示。

1.2 試驗過程

水泥劑量是指水泥摻合料質量與土質量的百分比，本文水泥改良黃土的水泥劑量分別為4%、5%、6%、7%、8%。對改良后的黃土物理特性分別進行液塑限試驗、擊實試驗；對改良后黃土的力學特性分別進行無側限抗壓強度試驗、CBR試驗、濕陷性試驗。

表2 P·C32.5水泥指標試驗項目凝結時間/min抗折強度/MPa抗壓強度/MPa初凝終凝3 d28 d3 d28 d試驗數值2303273.46.617.537.3技術要求≥180≤600≥2.5≥5.5≥10.0≥32.5

1.2.1液塑限試驗

將3個位置取回的黃土置于陰涼處進行風干，利用篩子剔除粒徑大于0.5 mm的組分。每個取土場各取4份200 g代表性土樣，分別摻入4%、5%、6%、7%、8%的水泥，然后用純水將不同水泥摻量改良的黃土試樣調制成均勻膏狀，采用液塑限聯合測定儀測定水泥改良黃土液塑限值。

1.2.2擊實特性試驗

按上述方法及摻比制備改良黃土樣品，每份樣品重量約為4.5 kg，選定用重I型擊實試驗確定各取土場不同水泥摻量改良黃土的最優含水率ωop和最大干密度ρdmax。

1.2.3無側限抗壓強度試驗

3個位置隨機取一定量的擾動黃土，試樣風干后經過0.5 mm篩進行篩分，配制上述5種水泥摻量試樣，各取土場的不同水泥摻量試樣均制作12個，含水率采用擊實試驗中各水泥摻量的最優含水率，且要求壓實系數K=0.95。試樣尺寸為φ50 mm×h100 mm，試樣配制完成后進行標準養護，養護時間分別為7、14、28 d。隨后正式開展抗壓強度試驗，采用應變控制法進行勻速加載，控制變形的增長速率約為1.52 mm/min，當試樣破壞時停止加載。

1.2.4CBR試驗

對上述5種水泥摻量的水泥改良土進行CBR試驗，按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[10]進行。

1.2.5濕陷性試驗

從1#、2#和3#取土場隨機取一定量的擾動黃土，試樣風干經過0.5 mm篩進行篩分，配制成4%、5%、6%、7%、8%共5種水泥摻量試樣，含水率采用各水泥摻量最優含水率，且要求壓實系數K=0.93，養護時間統一為7 d，試樣尺寸為φ79.8 mm×h20 mm。每個取土場每種水泥摻量的水泥改良黃土各進行1組4個試樣的試驗。

2 試驗結果分析

2.1 界限含水率

根據上述液塑限試驗方案進行試驗，由試驗結果繪制出各改良土wL、wP、Ip與水泥摻量的關系曲線，如圖1所示。

a)液限

b)塑限

c)塑性指數

由圖1可知，水泥改良后黃土的液塑限值與原狀土相比顯著提高，且隨水泥摻量增大呈增大趨勢，不同取土位置的土樣變化值幅度不同；塑性指數在水泥摻量為4%～5%時達到峰值，隨后有減小趨勢。究其原因是黃土填料加入水泥后，改變了黃土中的顆粒結構，并且與原黃土中顆粒產生化學反應，形成膠結物，從而改變了原黃土的塑液限值。

2.2 擊實特性

根據上述擊實特性試驗方案進行試驗，由試驗結果繪制各取土場最優含水率、最大干密度與水泥摻量的關系曲線,如圖2所示。

a)最優含水率

b)最大干密度

從圖2可以看出,在重型擊實試驗中，改良黃土與原狀黃土相比，最優含水率在水泥劑量為5%時達到峰值，但最佳含水率都高于原狀土；在不同水泥摻量條件下，改良黃土最大干密度變化幅度不大。其原因為水泥摻入黃土后開始吸收水分，考慮到黃土水穩性較差(產生附加下沉)，需選用最優含水率較大的水泥摻量。綜上所述，選用4%、5%和6%水泥摻量進行試驗段施工比較經濟可靠。

2.3 抗壓強度

計劃開展各個養護齡期下的改良土飽和無側限抗壓強度(UCS)試驗，但14 d和28 d試件在養護過程中有不同程度破損，故取7 d養護試件的無側限抗壓強度試驗比較，并將各取土場相同水泥摻量同一齡期4個試樣試驗結果的平均值作為最終試驗結果。由試驗結果繪制出不同水泥摻量改良黃土UCS曲線，如圖3所示。

a)7 d無側限抗壓強度

b)14 d無側限抗壓強度

c)28 d無側限抗壓強度

從圖3可以看出，在不同水泥摻比下，改良后黃土的UCS大于0.35 MPa，適用于高速公路路基填筑。水泥劑量和改良黃土的UCS大致呈線性關系。

2.4 CBR值

根據上述CBR試驗方案進行試驗，由試驗結果繪制出各取土場在30、50、98擊下CBR與水泥摻量的關系曲線,如圖4所示。

a)30擊

b)50擊

c)98擊

從圖4可以看出，水泥改良后CBR值顯著提高，說明黃土的承載能力增大，CBR值與水泥劑量和擊實次數均成正相關關系。

2.5 濕陷性

黃土的濕陷性采用濕陷系數δs進行判定，濕陷性評價標準如表3所示。

表3 黃土的濕陷性評價標準濕陷性類型評價指標濕陷系數(δs)濕陷性非濕陷性黃土δs<0.015濕陷性黃土δs≥0.015濕陷性輕微0.015≤δs≤0.03濕陷程度濕陷性中等0.03<δs≤0.07濕陷性強烈δs>0.07

根據濕陷性試驗結果，繪制出各取土場不同水泥摻量改良黃土和濕陷性系數的關系曲線(見圖5)。

圖5 不同水泥劑量下的濕陷系數

從圖5可以看出水泥可以顯著改良濕陷性黃土的濕陷性。1#、2#和3#原狀土的δs分別為0.016、0.019和0.024，均大于0.015，為濕陷性輕微黃土，而改良后黃土δs均小于0.015，表明不再具有濕陷性，且隨著水泥摻量增加，δs逐漸減小，表明當濕陷性輕微時，進行水泥改良可以較好地消除黃土的濕陷性，為改良濕陷性黃土提供了一種很好的選擇方法。

3 水泥改良黃土路基現場應用研究

在路基現場建立了水泥改良黃土路基試驗段，并采用路拌法進行施工，水泥摻量選擇5%，施工工序如圖6所示。

圖6 現場水泥改良施工工序(路拌法)

施工結束后，分別利用核子密度儀對改良黃土路基和普通黃土路基開展壓實度檢測，并且以環刀取樣進行UCS試驗檢測。檢測對比結果如表4和表5所示。

表4 不同碾壓次數后的壓實度檢測結果% 填土類型靜壓2次靜壓4次振壓4次振壓6次改良黃土93.295.195.896.3普通黃土91.792.693.193.8

表5 無側限抗壓強度檢測結果MPa 填土類型7 d14 d28 d改良黃土1.421.802.02普通黃土0.720.750.76

從路基現場檢測對比結果可知，采用合理工序進行路拌水泥改良后，黃土更易于壓實，此外，改良黃土的UCS達到普通黃土的2倍以上，而且隨著養護天數增加而增長。由此可見，水泥改良后黃土的工程性質得到了顯著改善。

4 結論

1)水泥改良后黃土的wL和wP隨著水泥摻量增加而上升，IP在水泥摻量為4%～5%時達到峰值；選用最優含水率較大的水泥摻量時，采用4%、5%和6%水泥摻量進行試驗段施工比較經濟可靠。

2)改良后黃土的UCS全部大于0.35 MPa，并且與水泥劑量、齡期呈現一致性變化關系，即當水泥劑量不斷增加時，改良黃土的UCS不斷地上升，同時也隨養護齡期增加而上升。

3)水泥改良后CBR值顯著提高，強度上升，與水泥摻量呈正相關，并且隨著擊實次數增加，承載比呈上升趨勢。

4)水泥可以很好改良黃土濕陷性，隨著水泥摻量增加，濕陷系數逐漸減小，黃土不再具有濕陷性。

5)采用合理的工序進行路拌法水泥改良后，黃土更易壓實，此外改良黃土的UCS達到普通黃土的2倍以上。從實際工程來看，水泥改良后黃土的工程性質得到了顯著改善。