水泥改良粉细砂在干湿环境下力学性能试验研究

雷 杰，黄志军

(1.甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070;2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070)

改良土是近年来在缺乏可用性的路基填料地区中广泛采用的一种填料。近年来，国内对路基填料改良土的工程性质也进行了大量研究。文献［1］中通过试验，研究了水泥改良粉质黏土的工程性质，得出了不同掺入料改良粉质黏土的最佳配合比。杨广庆、荀国利以路基对动态特性的要求为基本依据，分析了用于路基填料的水泥改良土、石灰改良土的特点和使用条件［2］。赵明龙、王建华等对多次干湿循环过程引起的水泥改良土循环疲劳强度衰减程度进行了研究，发现水泥改良土的循环疲劳强度衰减随着干湿循环次数的增加而逐渐趋于稳定［3］。王建华、高玉琴对干湿循环过程导致水泥改良土强度衰减机理进行研究，得出改良土料中的黏粒是引起干湿循环过程中强度降低的一个主要因素，适当降低改良土料中黏粒的相对含量，可以有效提高干湿循环后改良土体的强度特性［4］。以上的研究表明，过去人们更多的关注改良后路基填料的基本工程性质，关注反复干湿循环之后对填料强度的影响及其影响机理，但对于长期处于某种环境条件下(长期干燥、长期潮湿)填料的工程性质还缺乏探讨。这在实际工程中是十分重要的。本文通过试验，探究长期处于干燥环境和长期处于湿润环境以及反复干湿环境中改良土的力学特性，为评价路基土体的状态提供有利的帮助。

1 改良试验方法及过程

1.1 试验材料及配合比

试验选用325#普通硅酸盐水泥作为改良剂。试验土样取自实际工程(大塔至马场壕铁路)现场中需改良的粉细砂砂土。扰动砂土的级配曲线见图1，颗粒相对密度为2.64g，最大干密度为1.81 g/cm3，风干砂土样的含水率约0.5%。

图1 扰动砂土级配曲线

本试验采用一种类型的改良方案，即水泥与砂土质量比为5∶95，采用3种不同的压实度来制作试样，改良土的物理指标见表1。

表1 改良土的物理参数

1.2 试样制作及试验过程

按照表1所示的质量配比称取一定量的水泥和砂土，按照最优含水率计算其所需水量，然后进行拌合。拌合均匀后开始制样并测量实际含水率，试样大小为直径3.8 cm，高8.0 cm．试样数为36个，其中每一种压实度下的试样为12个。试样制好后分别编号并记录每个试样的初始质量，然后用保鲜膜裹好，放在标准养护室养护。

将达到一定养护龄期的试样取出，每种压实度分别为3个。然后进行相关环境条件下的试验。

干循环—脱水过程(用于模拟路基在干燥环境下的状态)，是将试样放在自然条件下进行风干，10 d后测其质量损失、含水率以及无侧限抗压强度。

干—湿循环(用于模拟路基在晴雨天交替环境中的状态)，是先将试样埋入饱和的湿沙中24 h之后拿出，然后再放在自然条件下风干24 h，这样算是一个完整的循环，如此5个循环之后测其质量损失、含水率以及无侧限抗压强度。表2为改良土具体的试验方案。

湿循环—吸水过程(用于模拟路基在连续雨天环境下的状态)，是将试样用吸水滤纸裹好，埋入饱和的湿砂中，10 d后测其质量损失、含水率以及无侧限抗压强度。

表2 干湿循环试验方案

2 试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度

将循环完成后的试样放在TSZ-6A型应变控制式三轴仪上进行无侧限抗压强度试验，应变速率为4 mm/min，试验结果见表3。

以试样的养护龄期为横坐标，以无侧限抗压强度为纵坐标，绘制相同压实度、不同环境条件下试样强度随养护龄期的变化曲线，见图2。

由图2可见，在相同水泥掺量的情况下，不同压实度的试样强度变化形态是相同的。进行干循环的试样的强度随着养护龄期的增加而增大，在7 d养护时间之内强度增长较快，之后随着龄期的延长，增长速率减缓;进行湿循环的试样的强度也随着养护龄期的增加而增大，不同的是在这种环境下，增长速率基本相同;进行干—湿交替循环试验的试样强度，开始随着养护龄期的增加而提高，养护时间大概7 d时强度最大，之后随着龄期的增长强度逐渐减小。龄期≤14 d的试样，在干湿交替环境中的试样强度均高于同龄期处于单一环境中的试样强度。这是因为养护时间≤14 d的试样强度还没有完全形成，其后期的强度发展还有很大的空间。干燥环境中气体流通加速水分的散失，水泥发生水化反应的水分不足，后期形成的强度很小;潮湿环境中水分充足，但空气流通不畅，也难以发生水化反应;而干—湿环境中的试样，既有水化反应所需的水分，而且有充足的气体，这样就保证了后期强度的形成。

表3 无侧限抗压强度

图2 无侧限抗压强度与龄期关系

2.2 含水率

无侧限抗压强度试验完成后，称取一定量的试样碎块，放入烘箱中，计算其含水率，结果见表4。

表4 循环后试样含水率

图3为含水率随龄期变化曲线，可以看出，压实度不同时，含水率随龄期变化趋势基本上是一致的。

图3 含水率随龄期变化曲线

不同养护龄期的试样在进行干循环(脱水)后的含水率基本上接近扰动砂土的含水率，均值大约为0.5%。进行干—湿循环的试样在循环完成后的含水率随着养护龄期的增加而有所提高;

进行湿循环的试样，在循环完成后的含水率先是随着龄期的增加而提高，随后又随着龄期的增加含水率逐渐减小，在7 d与14 d之间时处于最大值。这是因为养护龄期较短时，试样内部进行的化学反应较少，强度还较低，内部结构不够密实。处于潮湿环境中时自然有大量水分进入，龄期越短存储的水分就越多，但后期强度的形成以及化学反应的进行也会消耗越多的水分，因此剩余的水分就会相对较少，随着龄期的增长，试样的强度基本形成，内部结构相对密实，外界水分难以渗入，因此含水率会变小。

2.3 质量变化

循环试验完成后测量每个试样的质量，并与初始值相比较，计算每个试样的质量变化。结果见表5，绘制不同环境下质量损失率与龄期变化曲线图，如图4所示。

图4表明，压实度不同的情况下，试样质量损失的变化形态是一致的。进行干循环和干—湿循环的试样，其质量损失率随着龄期的增加而减小;进行湿循环的试样，总体来说试样质量比循环前的试样质量都有所增加，质量增量先随龄期的增加而变大，之后随龄期的增加而减小，14 d龄期的试样质量增量达到最大值。

综合对照图3和图4可以看出，两者的变化规律基本吻合，其原因是在试验过程中质量损失主要是由水分的流失所引起的。

3 结论

1)压实度的不同对本次试验结果的变化规律影响不明显。

2)干循环试验中，试样的无侧限抗压强度随养护龄期的增加而提高;质量损失随养护龄期的增加而减小;而最终含水率与砂土的含水率接近。

3)干—湿循环试验中，试样的强度先随龄期的增加而增大，龄期为7 d的试样强度达到极值，之后强度又随龄期增加而减小;质量损失随龄期增加而减小;含水率随龄期增大而增大。

4)湿循环试验中，试样的无侧限抗压强度与龄期成正相关关系;质量变化先随养护龄期的增大而增加，龄期为14 d的试样质量增加值最大，之后又随着龄期的增长试样质量的增加值有所减小;含水率先随龄期增长而变大，龄期大约为10 d的试样含水率达到极值，其后含水率又随龄期增长而减小。

5)养护龄期在14 d之内的试样，在干—湿交替环境中的强度均高于同龄期处于单一环境中的试样强度。

［1］ 要文堂．高速铁路路基粉粘土填料改良技术的探讨及应用［J］．铁道标准设计，2004(1):18-22．

［2］ 杨广庆，荀国利．高速铁路路基改良土的有关问题［J］．铁道标准设计，2003(5):15-16．

［3］ 赵明龙，王建华，梁爱华．干湿循环对水泥改良土疲劳强度影响的试验研究［J］．中国铁道科学，2005，26(2):25-28．

［4］ 王建华，高玉琴．干湿循环过程导致水泥改良土强度衰减机理的研究［J］．中国铁道科学，2006，27(5):23-27．

［5］ 邓天天，吴斌，屈畅姿，等．花岗岩全风化物及其改良土的击实试验分析［J］．铁道建筑，2009(4):122-125．