粗粒土路基填料改良后力學特性研究

摘要 文章以某粗粒土路基填料為研究對象，通過彎拉強度試驗、無側限抗壓強度試驗、干縮試驗和溫縮試驗，分析水泥和水泥粉煤灰對填料的改良效果。試驗結果表明，粉煤灰雖然降低路基填料的兩個強度值，但能改良填料的抗裂性能和干縮性能，且存在某一最優摻入量使得干縮性能達到最佳。水泥改良后填料的最大溫縮應變比水泥粉煤灰改良后填料的最大溫縮應變大，且平均溫縮系數有同樣的規律，說明粉煤灰能有效改善試樣的溫縮性能。

關鍵詞 路基填料；室內試驗；改良劑；力學特性；收縮性能

中圖分類號 U213.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0075-03

0 引言

針對路基凍脹及路基填料改良的問題，越來越多的科研工作者通過試驗法等不同手段開展了一系列的研究。王天亮等[1]以粗粒土填料為研究對象，通過凍脹試驗，分析了干密度、細粒含量等因素對粗粒土填料凍脹特性的影響規律，獲得了滿足擊實效果和凍脹率的最大細粒含量。該文以某粗粒土填料為研究對象，通過室內試驗研究了水泥和水泥粉煤灰對粗粒土填料的改良效果。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗試樣材料取自某路基粗粒土填料，圖1給出了粗粒土填料碎石級配曲線。該文選擇粉煤灰和水泥作為填料改良劑。粉煤灰二氧化硅含量為70%，燒失量為5.5%；水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間超過0.75 h，終凝時間不超過10 h。

圖1 粗粒土填料碎石級配曲線

1.2 試驗分組方案

該試驗中共設計6組試驗，其中三組只摻入水泥，摻入量分別為3%、5%和7%；另外三組混合摻入水泥和粉煤灰，摻入量為1∶4。通過擊實試驗得到不用試樣的最優含水率。表1給出了詳細試驗分組方案。

1.3 試驗內容

（1）彎拉強度試驗：試樣養護齡期90 d，尺寸為長40 cm、寬10 cm、高10 cm，養護第90 d浸水1 d。

（2）無側限抗壓強度試驗：試樣養護齡期7 d，尺寸為直徑15 cm、高15 cm，養護第7 d浸水1 d。

（3）干縮試驗：試樣養護齡期7 d，尺寸為長40 cm、寬10 cm、高10 cm，養護第7 d浸水1 d。試樣進行干縮試驗后，一半試樣測收縮變形，一半試樣測失水率。干縮系數=干縮應變/失水率。

（4）溫縮試驗：試樣養護齡期7 d，尺寸為長40 cm、寬10 cm、高10 cm，養護第7 d浸水1 d。為分析四季溫度變化，以10 ℃為一梯段，溫度在?20～30 ℃之間循環變化5次。可得到溫度系數=為膨脹系數。

2 試驗方案

2.1 試樣力學特性

表2給出了6組試樣無側限抗拉強度、彎拉強度和拉壓比試驗值。從表中可以看出，水泥改良后試樣強度比水泥和粉煤灰混合改良后試樣強度高。對于水泥摻入量分別為3%、5%和7%試樣的無側限抗壓強度分別為2.94 MPa、3.45 MPa和5.02 MPa；摻入對應量的粉煤灰后的試樣的無側限抗壓強度分別為1.93 MPa、1.81 MPa

和1.62 MPa，較僅摻入水泥的試樣分別減少了約32.2%、47.7%和67.3%。可見，水泥摻入量的增大能提升試樣的無側限抗壓強度，但隨著粉煤灰摻入量的增加，試樣的無側限抗壓強度反而減小。此外，6組試樣的無側限抗壓強度均超過規范規定的550 MPa限值。對于改良后試樣的彎拉強度，水泥改良后試樣的彎拉強度也比水泥和粉煤灰混合改良后試樣強度高，但隨著粉煤灰摻入量的增加，改良后試樣彎拉強度先增大后減小。綜上可見，粉煤灰對路基填料的無側限抗壓強度和彎拉強度均存在不利影響，這可能是因為7 d養護齡期導致粉煤灰只產生少量水化鋁酸鈣和硅酸鈣。并且，摻入的粉煤灰可能充當了細集料，使得試樣強度受到影響。

因而，單一分析無側限抗壓強度和彎拉強度的規律，無法較好地體現改良后填料的性能，需要對改良后的填料進行綜合評價。拉壓比結合了兩種強度，可以很好地評價試樣的抗裂性能。試樣拉壓比越大，說明改良后的試樣的抗裂性越好。從表2中可以看出，SY3-12和SY5-20試樣的拉壓比較大，SY7-28試樣的拉壓比較小。并且摻入粉煤灰的3組試樣的最小拉壓比值與僅摻入水泥的3組試樣的最大拉壓比值一樣。可見，粉煤灰雖然降低路基填料的兩個強度值，但提升了填料的抗裂性能。

2.2 干縮體積應變規律

圖2（a）給出了6組試樣的累積失水量變化曲線，圖2（b）給出了6組試樣的失水速率變化曲線。從圖中可以看出，6組試樣的累積失水量曲線和失水速率曲線的趨勢一致：累積失水量百分比隨著時間線迅速增大，隨后趨于平緩；失水速率隨著時間先迅速降低，隨后趨于平緩。在20 d后，水泥摻入與水泥粉煤灰摻入后失水率略有區別。水泥粉煤灰摻入的填料的失水速率更小，曲線更平緩，說明粉煤灰的摻入改善了路基填料的持水穩定性。

圖3給出了6組試樣的干縮應變變化曲線，表2給出了平均干縮系數及對應的改善率。從圖表中可以看出，隨著水泥摻入量的提升，改良后填料的最大干縮應變隨之變大。而摻入粉煤灰對試樣改良效果不一，摻入12%粉煤灰后試樣的干縮應變減小，摻入20%和28%粉煤灰后試樣的干縮應變變大。摻入3%水泥后試樣干縮系數顯著降低，隨后摻入12%粉煤灰后試樣的干縮系數得以改善。試樣干縮系數隨著水泥摻入量增大而增大，并且摻入粉煤灰后的試樣干縮系數進一步提升。

綜上所述，粉煤灰的摻入能改良路基填料的干縮性能，同時也存在最優粉煤灰摻入量。這是由于粉煤灰火山反應滯后，導致未反應的那部分中的細粒填充孔隙，增加填料的密實度，提升了毛細作用。摻入粉煤灰過多時，變相地提升了填料的細粒含量，吸水后會撐開填料骨架，隨著后期水分的蒸發，增大了路基填料的收縮量。

2.3 溫縮體積應變規律

圖4給出了最大溫縮應變變化曲線。從圖中可以看出，隨著循環次數增大，試樣的最大溫縮應變先增大后趨于平緩，拐點出現在第3次循環。在溫度循環前期，試樣因不均勻性導致其產生微小裂隙，因而試樣的最大溫縮應變增速明顯。隨著溫度循環的持續，試樣內部會逐漸形成一個新平衡狀態，因而試樣的最大溫縮應變逐漸趨于平緩。

為更好地反映填料溫縮性能，圖5分別給出了首次溫度循環和第3次溫度循環過程中溫縮系數隨溫度變化曲線，并給出6組試樣的結果。從圖中可以看出，首次溫度循環過程中，試樣的溫縮系數波動性明顯，不同試樣無明顯規律。第3次溫度循環過程中，試樣的溫縮系數波動性較小，填料對溫度敏感度更小。隨著溫度循環次數增加，試樣骨架空隙變多，填料改良后的溫縮性能趨于穩定。

6組試樣在5次溫度循環后的試樣結果中可以看出，水泥改良后填料的最大溫縮應變比水泥粉煤灰改良后填料的最大溫縮應變大，且平均溫縮系數有同樣的規律。其中SY3-12和SY5-20的試驗結果較小，說明改良效果更好。可見，粉煤灰能有效改善試樣的溫縮性能，這是因為粉煤灰有較小的線膨脹系數，能彌補粗粒土填料溫縮變形，且粉煤灰在堿性環境中反應更為充分，生成的反應物能更好地填充填料空隙。但摻入的粉煤灰較多時，粉煤灰會包裹填料骨架，減小了相互間的作用力，過多的粉煤灰未發生反應導致填料強度發展緩慢。

3 結論

（1）水泥摻入量的增大能提升試樣的無側限抗壓強度，但隨著粉煤灰摻入量的增加，試樣的無側限抗壓強度反而減小；水泥摻入量的增大能提升試樣的無側限抗壓強度，但隨著粉煤灰摻入量的增加，試樣的無側限抗壓強度反而減小。

（2）摻入粉煤灰的3組試樣的最小拉壓比值與僅摻入水泥的3組試樣的最大拉壓比值一樣。可見，粉煤灰雖然降低路基填料的兩個強度值，但提升了填料的抗裂性能。

（3）累積失水量百分比隨著時間線迅速增大，隨后趨于平緩；失水速率隨著時間線迅速降低，隨后趨于平緩。試樣干縮系數隨著水泥摻入量增大而增大，并且摻入粉煤灰后的試樣干縮系數進一步提升。

（4）水泥改良后填料的最大溫縮應變比水泥粉煤灰改良后填料的最大溫縮應變大，且平均溫縮系數有同樣的規律。

參考文獻

[1]王天亮， 岳祖潤. 細粒含量對粗粒土凍脹特性影響的試驗研究[J]. 巖土力學， 2013（2）： 359-364.