適應干濕環境的路基改良土水泥摻量設計

李霞

（張家口市公路施工管理處，張家口 河北 075000）

路基作為公路工程的重要基礎部分，需要保證自身具備良好的整體穩定性、較高的強度、穩固的耐久性，才能保證道路的正常使用。如果路基土體的力學性能得不到有效保證，在使用過程中車輛反復施加荷載，如遇上惡劣的環境變化，必然會對路基結構造成破壞，在公路路面形成裂縫、擁包等問題，嚴重影響公路的正常使用[1]。干濕循環是公路服役過程中頻繁經歷的惡劣環境之一。在干濕循環過程中，土體重復經歷水分浸入和滲出，使水流在土體內部遺留孔洞，造成土體內部裂縫發展，經過多次循環后土體會形成穩定的結構，此時其各項性能指標均受到損傷，力學性能變差[2，4]，無法滿足公路對基層材料的要求。為此，公路工程建設中產生了利用化學試劑改良不良土體的方法，以達到改善不良土體力學性質的目的，其中相對經濟且改良效果突出的添加劑是在素土中摻入水泥，形成水泥土[5]。但作為化學改良土，水泥土的物理力學特性受環境因素影響較大，存在著較多不穩定因素，要用作高速公路路基填料，就需要全面的掌握其物理力學特性。

以往路基土的改良中，已有學者對水泥改良進行了研究。孫芳[6]使用水泥對粉質黏土進行了改良，測試了多種養護齡期及水泥摻量條件下改良土的無側限抗壓強度和CBR值，認為無側限抗壓強度隨水泥摻量的增加呈線性增長，CBR值亦與水泥摻量呈正相關，具體養護28d的水泥土已經能發揮出近一半的強度，2%水泥摻量改良土的CBR值已經滿足用于路基填料的要求。唐龍全[7]對具體施工路段的粉質黏土路基填料進行改良，從無側限抗壓強度和CBR承載比等角度進行了改良后路基土的路用性能測試，認為實際工程中，可選擇3%水泥摻量對粉質黏土路基填料進行改良，滿足強度要求的同時達到了經濟環保的效果。李秉宜[8]測試了高液限黏土利用水泥改良后無側限抗壓強度和CBR值，評價其經歷干濕循環后的耐久性，發現水泥可有效地提高黏土的水穩定性。

因此，本文通過無側限抗壓強度試驗和CBR值試驗就強度和變相兩個方面對不同摻量水泥土的力學性質進行分析評價，設計適應干濕循環環境的路基改良最優水泥摻量。

一、試驗設計

(一)原材料

1.素土

素土采用粉質黏土，其基本物質性質指標如表1所示。

表1 素土物理性質指標

2.水泥土

采用4種摻量水泥與素土混合，在水泥完成初凝前對其物理性質測試，水泥土的物理性質指標如表2所示。

表2 水泥土物理性質指標

(二)干濕循環試驗方法

采用上述2%、4%、6%、8%4種水泥摻量對路基粉質黏土進行改良，依據規范要求制作標準試件，如圖1所示，其中無側限抗壓強度試件：高100mm、直徑100mm；CBR值試驗試件：高170mm±0.5mm，直徑152mm±0.5mm。

圖1 無側限抗壓強度試件、CBR值試驗試件

干濕循環具體步驟如下：

1.按照每種摻量水泥土各自的最優含水率和壓實度分別制備無側限抗壓試件和CBR值試驗試件，標準養護28d；

2.試件干燥：將試件置于鼓風干燥箱（±45℃）風干8h，之后每間隔1h稱量試樣的質量，直至試件完全干燥，即試件質量不再變化；

3.試件飽和：將試件放入水池中浸泡一天，之后每間隔1h稱量試樣的質量，直至飽和，即試件質量不再變化；

4.步驟2、3即為一次干濕循環過程，重復步驟2、3完成試驗所需循環次數。

(三)力學試驗

干濕循環完成后，進行強度和變形測試試驗，無側限抗壓試驗試件浸水一晝夜后進行抗壓試驗，得到無側限抗壓強度。CBR值試驗試件浸水四晝夜后進行貫入試驗，得到貫入2.5mm所需要的壓力，與標準碎石貫入相同尺寸時的標準荷載（7MPa）之比即為CBR值。

二、試驗結果分析

(一)干濕循環條件下水泥摻量對無側限抗壓強度的影響

試驗依次得到0、1、3、5、9、15次干濕循環條件下，各水泥摻量改良土的無側限抗壓強度，在較低的水泥摻量2%時，隨著干濕循環的進行，改良土并不能抵抗干濕循環對強度的劣化，抗壓強度逐漸降低。水泥摻量增加至4%、6%、8%時，前期一定的干濕循環次數下可為水泥水化作用補充水分，促進了水泥固化，無側限抗壓強度出現上升段，但后期有限的水泥發揮完作用后，固化作用不再繼續，此時干濕循環次數繼續增加，干濕循環的劣化作用開始占優，無側限抗壓強度進入下降段。水泥摻量越多，無側限抗壓強度上升越明顯，定量分析水泥摻量對無側限抗壓強度的提升幅度，引用水泥影響因子[6]，定義水泥無側限影響因子（水泥用量與無側限抗壓強度之比），其值越大則表示試樣水泥摻量一定的情況下，強度相對較小，即水泥在承載過程中發揮的作用越小，反之亦然。如圖2所示，經歷干濕循環后的改良土性質受水泥摻量影響相對未經歷干濕循環的改良土更為顯著，且在2%、4%、6%水泥摻量時水泥無側限影響因子差異明顯，說明改良土性質受水泥摻量影響顯著，8%與6%水泥摻量是水泥無側限影響因子基本重合，說明二者摻量對試樣性質影響區別不大。盡管干濕循環條件下水泥摻量越高無側限強度越大，但相對8%水泥摻量，6%水泥摻量更能發揮水泥的最有效性能。

圖2 水泥無側限影響因子

（二）干濕循環條件下水泥摻量對CBR的影響

根據試驗所得貫入2.5mm所需壓力，計算得到不同干濕循環次數下素土、2%、4%、6%、8%摻量水泥土的CBR值。試驗結果顯示，相較于素土的CBR值，水泥的摻入使CBR值明顯提升，同時抑制了部分因干濕循環造成的損傷，水泥改良土在應對干濕循環損傷方面作用顯著。不同摻量水泥土，隨著干濕循環次數的增加，CBR值呈現先增長后降低的趨勢，水泥的水化作用可以抑制部分干濕循環造成的損傷，且水泥摻量越多，這種抑制作用所能抵抗的干濕循環次數越多。引入CBR值增長率的概念，表征水泥摻量對干濕循環后改良土強度的提升作用，CBR增長率=(CBRc-CBR0)×100%/CBR0(其中CBR0為素土CBR值，CBRc為不同水泥摻量改良土CBR值)。如圖3所示，干濕循環次數不超過3次時，4%水泥摻量改良土CBR值增長率與6%、8%水泥摻量改良土相差不大，干濕循環次數超過3次后，6%水泥摻量改良土CBR值增長率與8%水泥摻量改良土相差不大。因此從節能環保角度出發，6%與8%水泥摻量改良土相比，滿足路基能滿足強度要求的前提下，6%水泥摻量是更優選擇。

圖3 CBR增長率

三、結語

本文從無側限抗壓強度和CBR值兩個方面，分別分析了干濕循環條件下水泥摻量對改良路基土的性質的影響，發現較少水泥摻量無法抵抗干濕循環的劣化作用，提高水泥摻量可利用水泥水化作用抵抗部分干濕循環劣化作用，其中6%水泥摻量在改良路基土方面可以顯著提高其強度與變形性質的同時，更能發揮水泥的最有效性能。因此，在我國降雨和蒸發頻繁發生的地區，改良路基土時可以考慮采用6%水泥摻量。