水泥改良膨胀土无侧限抗压强度试验研究

唐云伟，童 磊，张国栋，杨 俊

(1．宜昌市交通运输局，湖北宜昌443002;2．三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌443002)

0 引言

膨胀土在我国的分布范围很广，是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊粘土，主要由强亲水性矿物伊利石和蒙脱石组成。一般承载力较高，具有超固结性、崩解性以及浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，工程性质极不稳定，因此在现行的公路设计规范中，膨胀土被列为D类填料，规定不能直接作为路基填料。膨胀土路基常见的病害有:路基沉陷、基床翻浆冒泥、下沉外挤、路肩鼓胀、边坡滑塌等，这主要是由于膨胀土承载力不足，外荷载超过了自身所能抵抗的极限强度。因而，如何对膨胀土进行改良处理，使其强度指标达到路用要求成为了亟待解决的问题之一。工程中常用的膨胀土处理方法可归结为物理改良和化学改良两大类，其中化学改良方法是在膨胀土中掺入石灰、水泥、粉煤灰或合成固化剂等材料，通过一系列的化学反应改变膨胀土的不良工程性质，使其达到路基填料的标准。近年来水泥改良膨胀土在高速公路路基工程中被广泛应用，具有较好的研究及应用前景。

表征水泥改良膨胀土的强度指标有:加州承载比(CBR)、抗剪强度、回弹模量以及无侧限抗压强度等。目前，国内外学者针对各改良材料下膨胀土的CBR值、回弹模量、抗剪强度的变化规律做了大量研究，研究发现:水泥改良膨胀土的抗剪强度、CBR值以及回弹模量与水泥掺量、养护龄期呈正相关性，改良效果较好。但对水泥改良膨胀土无侧向抗压强度的研究相对较少，无侧限抗压强度是指试件在无侧向压力的条件下，抵抗轴向压力的极限强度，是进行路基设计的主要力学参数之一。本文结合湖北宜昌小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程，拟采用掺入一定量的水泥这一化学改良方法来提高膨胀土的无侧限抗压强度，探讨水泥掺量养护对水泥改良膨胀土无侧限抗压强度的影响。通过大量的室内试验，深入分析了改良膨胀土无侧限抗压强度随水泥掺量及养护龄期的变化规律，对膨胀土地区公路路基设计及施工提供一定的参考和指导。

1 水泥改良膨胀土机理

水泥是目前我国膨胀土改良技术中使用最为普遍的材料之一，普通硅酸盐水泥主要的化学成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化铝及三氧化二铁等。水泥对膨胀土的改良效果主要体现在在三个方面:水泥的水解及水化反应、离子交换和团粒化作用、碳酸化作用。

膨胀土中掺入水泥之后，会发生一系列的水解和水化反应，水化生成了硅酸盐、铝酸盐和氢氧化钙，氢氧化钙继而跟粘土中的矿物成分发生反应，生成了胶凝物质，增强了土颗粒之间的连接强度。同时，一部分水泥颗粒与活性黏土颗粒发生离子交换和团粒化反应，土颗粒表面吸附的阳离子Na+和K+离子与水化反应产生的Ca+离子发生吸附交换，使较小的土颗粒团聚形成较大的土颗粒，改善了土颗粒的吸水性能，提高了土体的整体强度。随着水化反应的进一步发生，生成的硅酸钙水化物、铝酸钙水化物在水中和空气中发生硬凝反应，使得土体变得更加密实，渗透性降低，水稳性增强。另一方面，未参与水化反应的水泥颗粒自身发生硬化反应，从而在土体中形成了水泥石骨架，起到了一定的支撑作用，促使水泥改良膨胀土的强度进一步提高。

国内外众多试验研究表明:水泥改良膨胀土能显著提高膨胀土的强度特性，随着水泥掺量的增加，改良膨胀土的强度也会逐渐提高，有研究表明:当水泥掺量由5%提高至20%时，改良膨胀土轴心抗压强度可提高5倍左右。但水泥掺入量通常有一个合理的范围。当水泥掺入量过大时，水化反应所需的水质量增加造成膨胀土干燥收缩，土体产生裂缝，从而对改良膨胀土的路用性能造成了影响。因此，从技术效果和改良成本的角度综合考虑，水泥掺量控制在2% ～10%直剪较为合理。

2 试验材料

2．1 膨胀土

试验用土取自湖北宜昌小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建工程K25路段。该土样为灰白色，中间夹杂灰绿色粘土条带，呈硬塑状，水平裂隙发育，含有较多的铁锰质结核。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)对土样进行液塑限试验、自由膨胀率试验、比重实验及颗粒分析等试验，测得该膨胀土的基本物理性质指标如下:比重2．66，天然含水率 29．43%，液限 70．53%，塑限 24．09%，塑性指数46．44，＜0．05mm 粘粒含量为17．14%，最大干密度1．89g/cm3，最佳含水率12．89%，自由膨胀43%。根据相关规范可判定该膨胀土为高液限黏土，膨胀性较弱。

2．2 水泥

试验用水泥采用三峡牌普通硅酸盐水泥，标号为32．5，比重 3．1，烧失量 4%，氧化镁含量 3．5%，细度350m2/kg，标准稠度27．5%，安定性检验合格。

3 试验方案

试验方法按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)进行。为研究水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响，本试验中水泥的掺量分别为:3%、5%、7%、9%。每种水泥掺量下的改良膨胀土根据击实所得到的最佳含水率和最大干密度制样，每组制备9个平行试样，龄期分别为 7d、14d、28d。

具体制作方法:取具有代表性的风干膨胀土置于橡胶垫上用木锤碾碎，过5mm标准筛，并测其风干含水率，然后分别将膨胀土配至预定的含水率(预留1%的水)，置于塑料袋中焖料一昼夜。在试件成型钱1h内，按照预定的水泥掺量，将水泥掺入膨胀土中拌合均匀，并将预留的1%的水加入土中时，混合料的含水率达到规定的含水率，在1h内完成全部试件的成型工作。采用圆柱形试模，试模尺寸为φ10cm×10cm，混合料分3次灌入试模，每次灌入后后夯棒插实见图1。试件采用万能试验机静压成型，成型后立即脱模，称取试件的质量m，量取直径D和高度h后放入塑料袋中密封，在标准养护环境下养护预定龄期。

图1 水泥改良膨胀土无侧限抗压强度试验

养护完成后，将试件置于万能试验机上进行抗压试验，试验过程中加载速率控制为1mm/min。记录试件破坏时的最大压力P(N)。计算每组试验的标准差S、变异系数CV和95%保证率的值Rc0．95。取误差满足规范要求强度值平均值为最后的无侧限抗压强度值，见图2。

图2 抗压试验后破坏的试件

4 试验结果及分析

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的要求，养护完成后，称取试件质量，并用游标卡尺测量试件的高度，精确至0．1mm。将试件放在万能试验机上，进行抗压试验，试验过程中保持加载速率为1mm/min。经过一系列的室内试验研究，得到了不同水泥掺量及不同养护龄期对水泥改良膨胀土无侧限抗压强度的影响，见表1。

表1 不同水泥掺量及不同养护龄期下改良膨胀土无侧限抗压强度(MPa)

4．1 水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响

以水泥掺量为横坐标，以无侧限抗压强度为纵坐标，得到了水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响关系曲线，见图3。

由图3可以看出:

(1)水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度有较大影响，通过调整水泥掺量，可显著提高膨胀土无侧限抗压强度。

图3 水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

(2)随着水泥掺量的增加，改良膨胀土无侧限抗压强度逐渐增大。水泥掺量从0%增长至3%时，各养护龄期下的改良膨胀土无侧限抗压强度增长幅度不大，其中最大增长幅度仅为0．22MPa。当水泥掺量由3%增长至7%时，无侧限抗压强度大幅增加，增长幅度约占总增长值的75%。产生这一现象的原因是:当水泥掺入膨胀土之后，水泥发生水解和水化反应，生成了胶凝物质，增强了土颗粒之间的连接作用;另一方面，由于离子交换、团粒化作用、凝硬反应及碳酸化作用，增大了土颗粒表面的吸附活性，使较大的土颗粒进一步团聚，团粒的增大使得膨胀土的塑性减小，强度增大，水泥的掺入同时促进了改良膨胀土自身骨架的形成，从而使得膨胀土抗压强度不断提高。

(3)当水泥掺量进一步增大时，水泥改良膨胀土无侧限抗压强度仍逐步增长，但增长幅度不大，约占总增长幅度的16%。这是因为水泥的掺量过多会大量消耗土颗粒表面吸附的自由水，使得土体因失水收缩而开裂;另一方面消耗的自由水过多，导致水化反应不能完全进行，影响了改良膨胀土强度的进一步增加，再者由于发生了水化及水解反应，水泥自身的体积也会有所收缩，造成裂缝数量和宽度进一步增加，影响了土体的整体稳定性及水稳性，抵消了部分由与水泥的掺入所带来的强度的增加，因而随着水泥掺量的继续增长，无侧限抗压强度增长幅度变缓。这表明:水泥掺量并不是越多越好，掺入水泥的比例有一个合理的范围。

4．2 养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响

将不同水泥掺量改良膨胀土试件在标准养护条件下分别养护7d、14d、28d后进行无侧限抗压强度试验，以养护龄期为横坐标，以无侧限抗压强度为纵坐标，得到了养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响关系曲线，如图4所示。

从图4中可以看出:

(1)随着养护龄期的增加，各水泥掺量下的改良膨胀土无侧限抗压强度逐渐增加。

(2)原状土无侧限抗压强度随养护龄期的变化不明显，强度随龄期的变化曲线基本上趋于一条直线，这是因为原状土中不涉及化学反应，养护龄期对于其强度的增长意义不大。水泥改良膨胀土的无侧限抗压强度随龄期增大比较明显，其中强度主要的增长来自前14d的养护，随着龄期的继续增长，无侧限抗压强度增长幅度变缓并趋于一稳定值，分析曲线形状可看出，无侧限抗压强度与龄期可用二次函数拟合，且相关性较好。

图4 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

(3)养护龄期由14d增至28d时，随着水泥掺量的增加，无侧限抗压强度增长幅度先增大后减小，其中水泥掺量为7%时，增长幅度最大，为0．18MPa。这是因为养护后期所发生的碳酸化反应较为缓慢，随着水泥掺量的增加，后期所参与发生碳酸化反应的水泥增多，因此无侧限抗压强度增幅逐渐增大。当水泥掺量进一步增大时，由于含水率所限，导致土体内部收缩开裂，从而造成7%水泥改良膨胀土后期无侧限抗压强度增长幅度大于9%水泥改良膨胀土。

5 结论

通过掺水泥改良膨胀土，研究了水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量及养护龄期的关系，可以得出如下结论:

(1)通过掺入水泥水泥可有效提高改良膨胀土的无侧限抗压强度，随着水泥掺量的增加，改良膨胀土无侧限抗压强度逐渐增大，但水泥掺量有一个合理的范围，综合考虑各方面的因素及相关规范要求，建议水泥掺量控制在7%左右。

(2)龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度有明显影响，随着龄期的增加，无侧限抗压强度逐渐增大，大部分强度都来自于前14d的养护，无侧限抗压强度与龄期呈良好的二次函数关系。

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