水泥-瀝青粉復合穩定粉土的強度及滲透特性

路本升， 李雪和， 韋金城， 張保碩， 吳文娟， 孫兆云， 劉海峰

(1.山東高速濟南繞城西線公路有限公司， 濟南 250108； 2.武漢科技大學城市建設學院， 武漢 430065；3.山東省交通科學研究院高速公路養護技術交通行業重點實驗室， 濟南 250102； 4.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071; 5.中國科學院大學工程科學學院， 北京 100049)

在黃河沖積平原地區，粉土常被用作路基填筑材料。但由于黃泛區天然粉土存在顆粒級配不良、毛細管發育等特征，當直接用于路基填筑時，容易引起路面結構早期破壞、路堤浸水凍脹翻漿[1-3]。針對粉土的路基適用性能，國內外學者開展了大量的粉土改良固化研究工作。崔偉等[4]、Pu等[5]利用水泥穩定粉土，發現水泥對粉土力學性能和水穩定性提高顯著，但單摻時的水泥使用量較高。張艷美等[6]采用納米二氧化硅和石灰改良粉土發現，納米SiO2與石灰反應生成水化硅酸鈣，能夠大幅提高土體的強度和水穩定性。Zhang等[7]利用木質素改良粉土發現，木質素能夠提高粉土的強度和耐久性，且改良土的水穩定系數高于石灰改良土。孫仁娟等[8]采用礦渣等固廢物固化粉土發現，水泥的水化反應和固廢物的火山灰反應分別提供了固化土的前期及后期強度。上述研究在粉土改良固化方面取得了良好的試驗效果，但在實際工程應用中仍存在改良效果單一、應用難度較高等問題。因此，粉土改良固化研究應結合工程需求，充分發揮無機材料和有機材料的性能，提高穩定粉土的強度和耐久性能。

在工程實踐中，由于乳化瀝青具有良好的黏結能力、抗腐蝕性和憎水性，被廣泛應用于建筑防水、道路及橋梁工程[9-10]。目前，國外已有學者利用乳化瀝青穩定粉砂土[11]。相比之下，國內關于瀝青材料柔性固化粉土的研究較少，目前相關研究多集中在山東省交通科學研究院。樊亮等[12-13]利用乳化瀝青復合改良粉土，結果表明乳化瀝青的復合膠凝效應可提高粉土的早期強度和水穩定性。

但乳化瀝青穩定粉土常受現場拌合能力限制，施工難度較大。而基質瀝青粉保留了乳化瀝青的材料性質，同時基質瀝青粉穩定粉土簡化了現場混合工序，便于材料的運輸和儲存。孫兆云等[14]采用燒結法赤泥和基質瀝青粉穩定粉土發現，穩定粉土的抗壓強度、水穩定性和抗凍性能提升顯著。同時瀝青分子在高溫下所具有的損傷修復和結構補強等性能，可顯著提升粉土柔性固化效果。

在綜合考慮現有研究成果的基礎上，現將瀝青粉和水泥作為摻加劑，探究該種復合固化劑對黃河沖積粉土的穩定固化效果。著重探究穩定粉土的壓實及強度特性，并基于核磁共振和滲透試驗獲得穩定粉土的孔隙結構及滲透特性的演化規律，揭示穩定粉土強度及滲透特性演化的微觀機理。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗粉土取自山東省齊河縣，基本物性指標如表1所示。采用密度計法測定粉土的顆粒級配，顆粒分析結果如圖1所示。結果表明粉土中粉粒(0.005 mm

試驗水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。瀝青粉是由70號基質瀝青加熱冷卻破碎形成，瀝青粉的粒徑均小于0.075 mm。

在該配合比條件下，穩定粉土的最優含水率及最大干密度依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[15]的相關規定，基于重型擊實試驗確定。穩定粉土的擊實曲線如圖2所示，在該配和比條件下穩定粉土的最大干密度為1.79 g/cm3，最優含水率為12.9%。

表1 天然粉土的基本物性指標Table 1 Basic physical properties of silt

圖1 粉土粒徑分布曲線Fig.1 Granulometric analysis curve of silt

圖2 擊實試驗結果Fig.2 Compaction test results

1.2 試驗方案

試驗采用水泥和瀝青粉復合穩定黃河沖積粉土，其中瀝青粉的摻量為粉土干重的4%，水泥摻量為粉土干重的6%。根據室內重型擊實試驗結果，按96%壓實度靜壓成型圓柱形試件。試樣制備借助廈門智研新創SA-ECM-01型多功能電動液壓制樣機，制樣儀器和圓柱體試樣如圖3所示。將試件在溫度(20±2) ℃、濕度≥95%的標準養護條件下養護至相應的試驗齡期，并按表2開展試驗。

圖3 制樣設備和試樣Fig.3 Sample preparation equipment and test samples

表2 穩定粉土試驗方案Table 2 Test scheme for stabilized silt

2 無側限抗壓強度試驗

2.1 試驗安排

無側限抗壓強度試驗借助深圳科比試驗設備有限公司生產的CMT5105電子萬能試驗機，采用位移控制法進行加載。軸向加載速率依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[15]的規定，設置為1 mm/min。穩定粉土在自然含水狀態的齡期強度均開展2次平行試驗，分別為試樣1、試樣2。同時為探究含水率對穩定粉土抗壓強度的影響規律，針對3、7、28 d養護齡期的穩定粉土試樣，開展了飽和含水狀態下的無側限抗壓強度試驗。

2.2 試驗結果

標準養護后不同齡期自然含水狀態的穩定粉土試樣的無側限抗壓強度試驗曲線如圖4所示。

圖4 不同齡期穩定粉土試樣的應力-應變關系曲線Fig.4 Stress-strain curve of stabilized silt at different ages

軸向荷載施加后，各齡期試樣的軸向應力隨應變的增加而增加，并在峰值應力前出現明顯的屈服現象。達到峰值應力后，應力緩慢過渡、跌落，試樣破壞。試樣的破壞類型主要由加載壓頭與土樣端部的約束決定，可分為劈裂破壞、圓錐形破壞兩類。不同齡期穩定粉土的破壞應變介于2%～3%。

相同齡期下穩定粉土的應力-應變關系曲線形態基本一致，均表現為應變軟化型，軸向應力在達到峰值后跌落。同時，相同齡期穩定粉土的峰值強度較為接近。

2.3 結果分析

2.3.1 無側限抗壓強度

圖5為穩定粉土在不同齡期、標準養護后自然含水狀態的無側限抗壓強度柱狀圖。由圖5可知，穩定粉土的早期強度增長較快，7 d齡期強度較高，而后強度增長放緩。1、3、7、14和28 d齡期的無側限抗壓強度分別為636、855、976、1 063和1 161 kPa。與1 d齡期強度相比，其3、7、14和28 d的抗壓強度分別提高34%、53%、67%和83%。在28 d養護時間內，穩定粉土的強度呈現隨齡期增長而增加的趨勢。

與其他粉土改良方案相比，水泥-瀝青粉穩定粉土的早期強度良好。徐東升[1]、樊亮等[12]的研究結果表明，二灰穩定粉土的7 d無側限抗壓強度為715 kPa；乳化瀝青和水泥復合穩定粉土的7 d無側限抗壓強度為789～897 kPa。兩者的7 d強度均低于水泥-瀝青粉穩定粉土。

圖5 不同齡期穩定粉土的無側限抗壓強度Fig.5 Unconfined compressive strength of stabilized silt at different ages

2.3.2 彈性模量

路基土的彈性模量反映其抵抗壓縮變形的能力。在穩定粉土壓縮試驗的應力-應變關系曲線中，選取峰前階段0.4frk～0.6frk(frk為無側限抗壓強度)強度點之間的曲線，進行擬合分析，確定各試樣的彈性模量。

不同齡期穩定粉土，在自然含水狀態下的彈性模量如圖6所示。由試驗結果可知，在28 d養護齡期內，穩定粉土的彈性模量隨養護齡期的變化趨勢與無側限抗壓強度的增長規律基本相似。1 d和3 d標養試樣的彈性模量較為接近，而后隨著養護齡期的增加，試樣的彈性模量增長迅速，穩定粉土在7 d標準養護后的彈性模量已經達到123 MPa，隨后較為穩定。

圖6 不同齡期穩定粉土的彈性模量Fig.6 Elastic modulus of stabilized silt at different ages

2.3.3 強度及彈性模量對含水狀態的響應規律

為比較含水狀態對穩定粉土強度及變形的影響規律，試驗針對3、7、28 d養護齡期的穩定粉土，開展飽和含水狀態的無側限抗壓強度試驗。

壓縮強度試驗前，采用土樣飽和器將穩定粉土的圓柱體試樣固定，將其置于真空飽和容器中，進行抽真空飽和。在100 kPa的負壓下飽和8 h，并在原容器中靜置4 h。取出試樣，拭去表面水分后，置于萬能試驗機中，開展抗壓強度試驗。上述3個養護齡期的穩定粉土試樣各開展兩次飽和狀態的無側限抗壓強度平行試驗。

表3為不同含水狀態下(自然含水、飽和含水)穩定粉土的抗壓強度、彈性模量對比。由于飽和粉土試樣中的水分浸入，削弱了顆粒間黏結力，使得同齡期飽和狀態下的穩定粉土與自然含水狀態相比，其抗壓強度和彈性模量均有所減弱。

表3 不同含水狀態下穩定粉土的強度及彈性模量對比Table 3 Comparison of strength and elastic modulus of stabilized silt under different water content

3、7、28 d養護齡期的穩定粉土的飽和強度為同期自然含水狀態的85%、87%、93%。可見，隨著養護時間的增加，穩定粉土的強度對含水狀態的敏感性減弱。這是由于穩定粉土在養護過程中，瀝青粉、水泥與土顆粒發生膠結，形成穩固的凝聚結構，保證了土樣的早期強度。隨著養護齡期增長，水泥的水化產物(水化硅酸鈣)不斷增加，填充粒間孔隙，增加了顆粒間的黏結強度，提高了土樣的抗壓強度，降低了穩定粉土抗壓強度對含水狀態的敏感性。

3 核磁共振試驗

核磁共振儀能夠探測飽水土樣孔隙中水的橫向弛豫時間T2。由核磁共振理論可知，當多孔介質完全飽和后，單一孔隙的橫向弛豫時間T2值與孔隙的表面積S和體積V的比值成正比。因此，根據土樣測試得到的T2分布可換算得到土樣的孔徑分布特征。

穩定粉土的核磁共振試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所與蘇州紐邁公司聯合研制的PQ-001型Mini NMR核磁共振分析儀進行。試驗選用2件直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱體穩定粉土試樣，逐次在1、3、7 d養護齡期后開展飽和土樣的橫向弛豫時間T2測試，以期得到穩定粉土試樣隨養護齡期增加時的孔隙分布特征演化規律。試樣在每次核磁共振試驗前均抽真空飽和12 h，兩件試樣的編號分別為HC-1、HC-2。

不同齡期穩定粉土的T2時間分布曲線如圖7所示。為辨別T2時間分布曲線對應的孔隙大小，參考譚龍等[16]的研究成果，將橫向弛豫時間T2為0.1～10 ms的孔隙歸為小孔隙分布，10～100 ms的孔隙歸為大孔隙分布。

由圖7可以看出，穩定粉土中大小孔隙的數量均隨齡期的增加而減小，穩定粉土T2曲線的峰值發生偏移，小孔隙的峰值(小孔隙優勢孔徑)向右偏移，大孔隙的峰值(大孔隙優勢孔徑)向左偏移。

由核磁共振的弛豫機制可知，多孔介質中流體存在3種弛豫，即橫向體積(自由)弛豫、橫向表面弛豫和擴散弛豫[17]。針對土體介質中孔隙水的研究表明，自由弛豫與擴散弛豫對弛豫時間T2的影響基本忽略不計，土樣中孔隙水的T2值只與土體內部結構孔隙相關[18-19]，即

(1)

式(1)中：r為孔徑，μm；Fs為孔隙形狀因子，球形孔隙為3，柱狀孔隙為2；p2為橫向弛豫率，粉土的橫向弛豫率取值為325 μm/s。

圖7 不同齡期穩定粉土的T2分布曲線Fig.7 T2 distribution curves of stabilized silt at different ages

為準確評價穩定粉土在養護早期大小孔隙孔徑的變化規律，將T2分布曲線中峰值對應的T2表征為土樣中的優勢孔徑大小[19]。并將式(1)中的Fs簡化取值為2，則式(1)可轉化為

r=2p2T2

(2)

據此，對不同齡期穩定粉土的優勢孔徑進行計算，結果如表4和圖8所示。

由表4和圖8可知，大孔隙的優勢孔徑隨齡期的增加呈下降趨勢，小孔隙的優勢孔徑隨齡期的增長不斷增加。呈現這種變化的原因為穩定粉土隨齡期的增長，水泥的水化產物逐漸填充土體孔隙，導致大孔隙孔徑逐漸縮小，整體孔隙數量呈下降趨勢。

表4 不同齡期穩定粉土的優勢孔徑Table 4 Dominant pore size of stabilized silt at different ages

圖8 穩定粉土優勢孔徑隨齡期的變化規律Fig.8 The evolution of the dominant pore size of stabilized silt with age

4 滲透試驗

在公路工程中，路基邊坡在降水作用下易發生失穩和滲透破壞。滲透系數是反映路基土抗滲性能的重要指標。

穩定粉土的滲透試驗依據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)[15]的相關規定開展，用于探究改性粉土的滲透系數隨養護齡期的變化規律。試驗采用變水頭法進行。主要針對1、7、14和28 d養護齡期的穩定粉土試樣開展，每個齡期的土樣開展2次平行滲透試驗。

試樣為直徑61.8 mm、高度40 mm的環刀土樣，按照水泥、瀝青粉復合穩定粉土的材料配比、最大干密度、最優含水率壓制成型，而后在溫度為22 ℃、濕度為95%的條件下標準養護。

圖9是不同齡期穩定粉土的滲透系數測試結果?？梢钥闯?，穩定粉土的滲透系數隨齡期的增加呈減小趨勢。在7 d養護齡期內滲透系數的減小幅度較大，而后滲透系數的減小速率逐漸減小。穩定粉土滲透系數的變化趨勢與焦德才等[20]針對水泥穩定土的滲透試驗結果一致。

圖9 穩定粉土滲透系數隨齡期的變化規律Fig.9 The evolution of permeability coefficient of stabilized silt with age

滲透系數的大小反映土樣中孔隙的數量和孔隙的連通性。隨著養護齡期的增加，穩定粉土中水泥的水化產物逐漸增加，不斷填充試樣的內部孔隙，減少貫通孔隙的產生，降低了穩定粉土的滲透性能。

5 結論

利用水泥-瀝青粉對齊河地區的黃泛區粉土開展路用基層改性研究?；谑覂仍囼炋骄苛怂?瀝青粉復合穩定粉土的強度及滲透特性。得到如下結論。

(1)水泥-瀝青粉復合穩定粉土的早期無側限抗壓強度增長較快，7 d齡期自然含水狀態的抗壓強度的平均值為976 kPa，而后強度增長緩慢，較為穩定，28 d齡期抗壓強度的平均值為1 161 kPa。

(2)穩定粉土的孔隙特征是其力學強度及滲透性能的重要影響因素。飽和穩定粉土的核磁共振試驗結果表明，隨著養護齡期的增加，穩定粉土中大孔隙及小孔隙的數量均呈減小趨勢，大孔隙優勢孔徑減小，土樣的滲透系數逐漸減小，穩定粉土的無側限抗壓強度對含水狀態的敏感性降低。

(3)室內綜合試驗結果表明，在該配合比條件下復合穩定粉土的工程特性提高顯著，能夠保證穩定粉土較高的早期強度、長期強度和水穩性能。