路基水泥改良膨脹土長期性能演變規律研究

譚 偉， 劉國坤, 王祺順

(1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司， 四川 成都 610000; 2.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

我國疆域遼闊，有著復雜的地質條件，許多地區分布有膨脹土。膨脹土含有強親水性黏土礦物成分(如蒙脫石、伊利石和高嶺石等)，具有強烈的脹縮特性、多裂隙性和強衰減性，其顆粒具有高度分散性，對環境濕熱的變化非常敏感，遇水膨脹，變形急劇增長，對工程建設極為不利[1]。

目前采用水泥改良作為對膨脹土進行處治、的一種常用手段，國內外學者們開展了一系列相關研究。KOLIAS[2]等建立了改良土強度與不同水泥、粉煤灰配比之間的數學關系。ISMAIL[3]等對不同種類的水泥固化土進行了三軸試驗，得到不同水泥骨料對水泥土抗剪強度的影響特性。LORENZO[4]等引入孔隙比與水泥摻量的比值來描述水泥固化土壓縮變形特征。劉義虎[5]等通過試驗模擬了天然干濕狀態下的改良膨脹土路基， 試驗表明土的黏聚力表現出遞減，強度大幅降低。楊和平[6]等對原狀膨脹土在干濕循環條件下施加循環荷載，發現干濕循環作用下土體應力 — 應變曲線呈現出軟化特性，荷載大小是影響脹縮幅度及強度衰減關鍵因素。劉志彬[7]等通過對水泥改性膨脹土進行液氮吸附試驗，從微觀角度研究了水泥摻量對水泥土孔隙的影響。楊俊[8]等通過研究凍融循環對風化砂改良膨脹土無側限抗壓強度影響，發現凍融條件下土體發生結構性破壞。許雷[9]等對多種含水率膨脹土在凍融作用下的力學特性進行了研究，指出初次凍融作用對土體承載力影響遠高于后續的凍融作用。

由于路基暴露在自然環境中，嚴格來說，一種路基填料改良方案能否應用的前提之一，在于其能否適應濕度的季節性周期變化。改良膨脹土若在干濕循環作用和凍融循環作用下出現長期性能衰變，容易造成路基路面過早破壞，因此研究水泥改良膨脹土在干濕循環、凍融循環作用下的長期性能衰變規律，論證其具有可靠的耐久性，是十分有必要的。本文針對某公路路基膨脹土開展不同摻量的水泥改良，并模擬其在自然環境中受到的干濕循環和凍融循環作用，獲取改良土的自由膨脹率、應力 — 應變曲線、無側限抗壓強度、粘聚力、內摩擦角的變化趨勢，分析水泥改良效果的衰變規律，從長期性能角度出發探討合理的水泥改良配比，為實際工程建設提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗用膨脹土取自我國西南某公路工程項目，根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)[10]，選擇50 kPa壓力下膨脹率試驗計算脹縮總率，結果為3.4%，屬于中膨脹土，根據規范要求，采用無機結合料處治后，該膨脹土方可用作路基填料，其基本物理性質指標如下：天然密度1.79 g /cm3，最大干密度1.98 g /cm3，天然含水率23.1%，液限wL為69%，液限wP為28%，粒組含量<0.075 mm為56.7%、<0.002 mm為23.1%，自由膨脹率51.3%。

1.2 試驗方案

將取回的膨脹土烘干碾碎，過2 mm篩，再根據天然含水率摻入蒸餾水，均勻拌和。按水泥摻量為0%、5%、10%、15%配置改良膨脹土，將改良土在圓柱體模具中進行制備，試樣(見圖1)直徑約39.1 mm，高度約80 mm，壓實度控制在93%左右。

圖1 膨脹土試樣Figure 1 Expansive soil specimen

膨脹土脹縮理論有多種，其中主流之一的“雙電子層”理論是：膨脹土中含有較多蒙脫石，在其顆粒表面，由于置換作用產生負電荷(Mg2+置換Al3+)，在周圍形成靜電場，帶有負電荷的黏土礦物顆粒吸附水化的陽離子，隨著礦物顆粒之間的距離增加，吸附能力下降，形成擴散形式的離子分布，即雙電子層。隨著含水率的增加，結合水膜變厚，使黏土礦物顆粒間的距離增大，結果導致土的體積膨脹；失水時，土中結合水膜變薄或消失，黏土礦物顆粒間的距離減小，土體表現為體積收縮[11]。

水泥的摻入改變了膨脹土的結構和化學成分，從而改良了膨脹土的物理力學性質，通過水泥與膨脹土的離子交換及團粒化作用、 硬凝反應及碳酸化反應， 可以有效地改良土的膨脹性，但這種作用效果是否會隨著干濕循環或凍融循環衰減，是本文需要探討的重點。

將制作成型的試樣放入恒溫恒濕試驗箱中進行脫濕處理，當含水率接近縮限時將試樣取出，進行真空抽氣及浸水飽和(見圖2)，放置24 h后再次放入恒溫恒濕箱中，多次標定質量，當試樣達到天然含水率后取出，視為完成1次干濕循環作用，干濕循環次數設定為1、3、5次。通過設置溫度來模擬凍融作用，將試樣在-20 ℃溫度的裝置中放置12 h，用于模擬凍結，然后將溫度調節到20 ℃放置12 h，用于模擬融化，如此視為完成一次凍融循環作用，凍融循環次數設定為1、5、9、12次。為防止其在凍融循環過程中的水分損失，凍融過程中將試樣用保鮮膜密封包裹。

圖2 真空抽氣及浸水飽和Figure 2 Vacuum pumping and saturated with water

在完成指定的干濕循環或凍融循環次數后，對試樣進行自由膨脹率試驗和無側限抗壓強度(UCS)試驗，具體過程參照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)[12]和公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》( JTG E51-2009 )[13]，此外，對凍融循環的試樣還開展了三軸壓縮試驗以測定其抗剪強度參數的變化，具體過程參照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)[12]。

2 試驗結果分析

2.1 干濕循環影響

圖3為不同干濕循環次數下改良土自由膨脹率的變化規律，可以看出，隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率逐漸下降，當摻量為10%時自由膨脹率最小，但摻量超過10 %后，自由膨脹率又呈上升趨勢，這可能是由于摻量較大時，水泥自身的硬化結合能力得到加強，水泥與膨脹土的離子交換作用削弱。總體來看，干濕循環對水泥改良土自由膨脹率的影響較小，水泥改良抵抗膨脹的效果基本不隨著干濕循環次數增加而減弱。

圖3 自由膨脹率及相關衰減量變化曲線Figure 3 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

圖4為UCS試驗中，水泥摻量為5%、10%、15%條件下，改良膨脹土應力-應變曲線隨干濕循環次數的變化。可以看出改良土應力-應變曲線總體上呈現應變軟化特征，應力具有“峰值”，隨后隨著應變的增長應力下降至殘余強度。0%～15%水泥摻量下改良土無側限抗壓強度qu隨干濕循環的變化如表1所示。結合表1和圖4，可以看出水泥的摻入對膨脹土的強度提升具有顯著的作用，摻量為10%時改良土的qu達到摻量為5%改良土qu的兩倍以上，水泥摻入后，生成大量Ca (OH)2，進一步離解生成OH-和Ca2+，Ca2+濃度大幅度增加，可以置換出蒙脫石等黏土礦物中吸附的主要水和Na+，從而降低了黏土顆粒的水膜層厚度，使得膨脹土的分散性、親水性和膨脹性降低，這是水泥改良膨脹土強度增長的主要原因。

(a) 5%水泥摻量

表1 不同干濕循環次數下改良土的 qu值Talbe 1 Values of qu for specimen subjected to different dr-ying-wetting cycle干濕循環次數不同水泥摻量的qu值0%5%10%15%06071151254145751262293367513021953268124230

從表1還可以看出，qu總體上隨著干濕循環次數的增加而逐漸減小，并逐漸趨于穩定，未改良膨脹土的qu在經歷5次干濕循環后衰減接近50%。伴隨干濕循環的持續作用，膨脹土在反復膨脹收縮作用下易產生裂縫，從而改變了土體內部結構，使其形成不具修復性的疲勞損傷，強度降低。而摻入水泥后，脹縮效應減弱，因此強度衰減幅度減小。以水泥摻量為10%為例，在經歷第一次干濕循環后，qu衰減16.5%左右。但其qu仍達到同樣經歷1次干濕循環未改良土qu的2.8倍，隨后再經歷干濕循環，qu只有小幅變化，因此，水泥改良對于膨脹土qu的提高效果具有較好的水穩定性。

2.2 凍融循環影響

2.2.1自由膨脹率

圖5為不同凍融次數下改良土自由膨脹率的變化規律，可以看出，在凍融循環條件下，水泥摻量對自由膨脹率的影響規律與干濕循環條件下類似。相對經歷第一次干濕循環，經歷第一次凍融循環后自由膨脹率的增加幅度更大，這是由于凍融循環對于土體而言不但有自由水和弱結合水含量的變化，還伴隨著溫度的變化，但仍然是將水泥摻量控制在10%時抑制膨脹的效果最為理想。

圖5 自由膨脹率及相關衰減量變化曲線Figure 5 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

2.2.2無側限抗壓強度

圖6為UCS試驗中改良膨脹土應力-應變曲線隨凍融循環次數的變化。由圖6(a)可知未改良土在經歷1次凍融循環后，土體的強度明顯下降，凍融循環次數達到9次時強度才趨于穩定，衰減幅度達到48%左右;這是由于試樣每次凍結后體積變大，而融化后，體積變形不能恢復至循環前狀態，即每一次凍融循環都會產生不可恢復的殘余凍脹變形，同時出現微裂縫，可見未改良膨脹土路基在凍融循環作用下將長時間處于性能衰減狀態。

(a) 0%

摻入水泥后，從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可以看出水泥改良膨脹土試樣的應力-應變曲線表現更“陡”，強度得到了明顯的提高，凍融循環雖仍然對強度產生了不利影響，但衰減的幅度有所減小，5%、10%、15%水泥摻量的改良土強度最終降幅分別約為13.3%、15.6%和16.2%，而且在5次凍融循環以qu趨于穩定。

圖7為改良膨脹土峰值強度時應變與凍融循環次數的關系曲線，由圖中的曲線關系可以得出水泥摻量為0%時應變明顯高于改良土的應變，而且隨著凍融循環次數的增加，該應變隨之降低。峰值強度的應變反映土試樣的塑性，破壞時應變越大即塑性越強，由此可知凍融循環作用會降低土體的塑性，而摻入水泥后膨脹土的塑性保持得較為穩定。

圖7 強度峰值時的應變與凍融循環次數的關系Figure 7 The relationship between peak strain and the number of freeze-thaw cycles

2.2.3粘聚力與內摩擦角變化情況

圖8(a)為水泥改良膨脹土粘聚力與凍融循環次數的關系曲線，由圖可得出經歷首次凍融循環后，改良土的粘聚力下降幅值最大， 后續凍融循環對粘聚力的影響作用削弱。圖8(b)為水泥改良膨脹土內摩擦角與凍融循環次數的關系曲線，相對粘聚力，凍融循環對改良土內摩擦角的影響程度更小，同時可以看出，水泥摻量由5%增加至10%時內摩擦角提升較為明顯，而由10%增加至15%時內摩擦角提升相對較小。

(a) 粘聚力

綜合干濕循環試驗及凍融循環試驗考慮，可知對于本文所研究膨脹土，未改良土的無側限抗壓強度在長期自然環境作用下可能衰減50%左右，而對于水泥改良土，無側限抗壓強度大約衰減13%～17%，粘聚力衰減12%～23%，內摩擦角衰減14%～17%左右，該公路路基進行設計時應考慮這部分的衰減。圖9為現場水泥改良土場拌法流程，相應的成本預估如下:水泥摻量5%時48.3元/m3,10%時85.2元/m3,15%時147.8元/m3。從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻比控制在10%左右，進一步增加水泥摻量取得的改良效果并不明顯，而且由于采購、存儲、運輸、拌和等因素，成本大大增加。

圖9 現場水泥廠拌法流程Figure 9 Mixing process of cement in-site

3 結論

a.隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率逐漸下降，當摻量為10%時自由膨脹率最小，但摻量超過10 %后，自由膨脹率又呈上升趨勢。干濕循環和凍融循環對水泥改良土自由膨脹率的影響都較小，其中凍融循環的影響略大。

b.未改良膨脹土的qu在經歷5次干濕循環或9次凍融循環后趨于穩定，衰減幅度均接近于50%，這對實際路基工程而言是較為危險的。而摻入水泥后，qu抵抗干濕循環或凍融循環影響的能力明顯增加，衰減幅度在10%～20%范圍內，而且在較少的循環次數下qu趨于穩定。

c.首次凍融循環時改良土的粘聚力下降幅值最大，后續凍融循環對粘聚力的影響作用削弱，內摩擦角與凍融循環的關系與上述類似，但凍融循環次數對改良土內摩擦角的影響程度更小。

d.綜合干濕循環試驗及凍融循環試驗，未改良土的無側限抗壓強度在長期自然環境作用下可能衰減50%左右，而對于改良土，qu、c、φ各項指標的衰減幅度均低于23%，該公路路基進行設計時應考慮這部分的衰減，從兼顧效果和成本的角度考慮，建議水泥摻比控制在10%左右。