水泥在改良黏性土路基中的应用研究

史卫国，阮 高，陈风光，姚云泉

(1．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074;2．中交第二公路勘察设计研究院，湖北 武汉 430056)

路基填料工程性质的优劣直接关系路基填筑质量［1］，我国高速铁路路基工程中采用的天然路基填料，大多存在各种缺陷，如水稳性差、黏性较高、膨胀率较大等，致使填筑压实后，路基的无侧限抗压强度等不满足工程要求。因此，常采用在填料中掺入改良剂的方法来改良填料。路堤填料改良是将粉碎的土和其它添加剂、水进行充分拌合，再用机械压实养护从而形成稳定的路堤。目前常采用的添加剂主要有石灰、水泥、粉煤灰、沥青、合成固化剂、合成树脂等［2］。为此本文通过对具有代表性的高塑性黏性土的基本物理性质、胀缩性、强度进行分析，采用添加水泥的方法对其进行改性，研究其物理力学性质、水稳定性和强度变化规律，为确定水泥作为路基填料的最佳掺量提供参考并指导施工。

1 水泥改良作用机理

由于在实际工程中水泥是最主要且最常用的工程改良原料［3］，因此这里主要讨论水泥材料改良土体的固化机理。

1)水泥的水解和水化反应 当用水泥改良土体时，水泥颗粒表面的矿物很快与土中的水发生水解和水化反应，其过程如表1所示。

2)离子交换作用 水泥与水反应后的胶体中，存在着大量 Ca(OH)2及 Ca2+、OH－，其中 Ca2+及 OH－与土粒表面吸附的金属离子进行吸附交换，降低了黏性土的亲水性和塑性，使分散颗粒形成较大的土团，在氢氧化钙的强烈吸附作用下，土团进一步结合成链条状结构的水泥土，水泥土封闭了土团间的空隙，使其更加坚固，从而提高土体强度，减少压缩性［4］。如式(1)。

表1 水泥的水解和水化反应

3)硬凝反应 随着水泥水化反应深入，溶液中析出的钙离子数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性的环境中，组成土体矿物的SiO2和Al2O3的一部分或大部分就能与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物，如式(2)和 式(3)。

这些新生成的化合物在水和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密，水分不易浸入，具有足够的水稳定性。

4)碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中的二氧化碳，发生碳酸反应，生成不溶于水的碳酸钙，见式(4)。

这种反应生成CaCO3，使得土的分散度降低，压缩性降低，强度提高，水稳定性增强，起到了固化土体的作用。

2 工程特性及改良方案

2.1 黏性土工程特性

工程点的填土属第四系(Q1－2)黏土，褐黄色，硬塑，富含铁锰结核，并含有钙质结核(砂姜石)，结构较为致密，厚度＞15 m。对该土进行了矿物成分、物理力学性质、胀缩性等多项室内试验。该土由多种黏土矿物组成，其中以拜来石、伊利石为主，含有其它黏性土矿物。土的物理力学指标见表2。原状土强度高，无侧限抗压强度779 kPa，压缩性一般，属中等压缩性土。水稳性差，重夯制样在浸水饱和后自动崩解。湿化试验显示:原状土浸水1 h崩解约为35%，浸水24 h崩解约为70%。按照塑、液限指标，可将其定名为粉黏土或黏性土。

表2 黏性土物理力学指标试验结果汇总

2.2 改良方案

使用水泥改良填料，水泥与土的掺合质量比分为3%、5%、7%三种，试验项目包括改良土的物理性质、颗粒级配、水理性质、无侧限抗压强度和土的膨胀性指标测定等。

3 改良后土体性能分析

3.1 颗粒级配的变化

从图1中可以看出掺水泥改良后，土体颗粒级配发生了变化，主要表现在＜0.005 mm的黏粒和胶粒明显减少，由原来的34%降低至17%，粉粒含量增加。因为掺入水泥导致了土体颗粒级配的变化，使土粒的分散度和比表面积减小，从而提高了土体颗粒间的连接力，降低了土体的亲水性。

图1 试验土样颗粒级配曲线

3.2 塑性指数及液限、塑限的变化

黏性土改良后物性指标统计分析见表3。掺入水泥后液限、塑限均有所增加，且塑限增大幅度要大于液限，塑性指数减小。说明黏性土经改良后土性发生了很大的变化。

表3 黏性土改良前后物性指标试验结果对比

3.3 强度和水稳定性的变化

经改良后土体的无侧限抗压强度得到大幅度提高，见表4。由表4可以看出，当水泥掺入量 ＜5%时，无侧限抗压强度随掺入量的增加而增大，＞5%时，强度随掺入量的增加而减小。因此对该类土而言，掺入水泥5%为最适宜。强度随养护龄期呈线性增长，具有较高早期强度，随养护龄期增长幅度较小。经改良降低了土体的压缩性。未经改良重夯制样属中等压缩性土，压缩系数为0.19 MPa－1，掺入水泥改良后，压缩系数 ＜0.1 MPa－1，属低压缩性土。

黏性土中加水泥后，水稳性明显改善。由表4可见，原状土浸水后强度明显降低，强度衰减达92%，改良后的土体强度衰减41% ～65%。湿化试验显示，黏性土加入水泥改良后，浸水48 h土样均无明显变化，证明黏性土经改良后水稳定性有明显改善。

3.4 最优含水率与土密度的变化

图2为不同水泥掺入量下黏性土的击实曲线。由图2可知，随着水泥掺入量的增大，改良土的最优含水率增加，最大干密度则减小。改良土击实曲线斜率比素土小，曲线较平缓，即改良土的干密度随含水率的变化速率要比素土慢。这比较有利于路基填筑施工过程中填料含水率的控制［5-8］。

表4 不同水泥掺量时的土体强度

图2 素土及改良土击实曲线

4 结论

1)黏性土中掺入3% ～7%水泥改良后，能有效改善其颗粒级配、塑液限、压缩性等指标，并且力学强度和水稳性大大提高。因此，对黏性土填料通过掺入一定量的水泥进行改良的方案是可行的。

2)强度试验分析表明，水泥掺入量为5%时最优。但在工程实际应用中，要根据原填料的物理力学性质以及工程要求，合理选择掺入剂量，也可考虑多种改良剂综合使用，以保证满足高速铁路的强度要求。

［1］ 夏明晓．水泥改良土在洛湛铁路路基中的应用［J］．科协论坛，2009(6):5-6．

［2］ 谭剑锋．论不良土路基填料改良技术在广梧高速公路的应用［J］．现代商贸工业，2008(8):397-398．

［3］ 杨广庆，苟国利．高速铁路路基改良土的有关问题［J］．铁道标准设计，2003(5):15-17

［4］ 申爱琴．道路工程材料［M］．北京:人民交通出版社，2010:165-167．

［5］ 张保俭．既有线提速改建段路基改良土的试验研究［J］．铁道建筑，2007(7):60-62．

［6］ 张林洪，吴华金．路基填筑施工技术［M］．北京:人民交通出版社，2008:115-117．

［7］ 王素灵．水泥改良土路基填筑施工技术［J］．铁道建筑，2008(3):56-58．

［8］ 柳墩利，赵有明．击实延迟时间对水泥改良土压实系数影响的研究［J］．铁道建筑，2008(8):91-94．