天然矿物土壤稳定剂水泥稳定土强度试验研究

(益阳市资阳区交通运输局， 湖南 益阳 413000)

天然矿物土壤稳定剂水泥稳定土强度试验研究

刘勇

(益阳市资阳区交通运输局， 湖南 益阳 413000)

采用2种压实度分别成型基准水泥稳定土、对比水泥稳定土(添加稳定剂)试件，采用3种水泥稳定土养护方法，探究压实度、浸水24 h条件和养护方法对水泥稳定土试件无侧限抗压强度的影响。研究结果表明：养生方法3是水泥稳定土最适宜的养生方法，压实度由87.7%提高至98.0%，无侧限抗压强度值至少提高20%以上。浸水24 h条件对水泥稳定土的抗压强度具有削弱作用，基准水泥稳定土、对比水泥稳定土抗压强度分别降低约15%～19%、22%～26%。稳定剂能够有效提高水泥稳定土试件的的早期强度，对水泥稳定土最终强度也有所提高，但提高幅度不大，约提高4%～5%。

土壤稳定剂； 水泥稳定土； 无侧限抗压强度； 压实度

0 引言

半刚性基层材料取材广、造价低廉，且强度高、刚度大、稳定性及抗冲刷能力好，作为路面结构的主要承担承重功能[1-3]。然而半刚性材料的缺点为抗变形能力低、脆性大，在湿度或温度变化时易产生开裂，如果在施工期间失水过多或者温度过低，基层内会产生微裂纹或宏观裂缝，铺筑完面层后，在温度和车辆荷载的反复作用下，基层中的裂缝就会向上发展形成反射裂缝。半刚性基层材料只有在保证其结构整体性的前提下才能充分发挥其优点，一旦基层中产生裂缝(干缩、温缩和荷载疲劳开裂)，半刚性基层则丧失其结构整体性和连续性，进而在车辆荷载作用、路表雨水渗入、环境温度交替变化等因素联合作用下，裂缝进一步扩大，逐渐发展成横向裂缝、纵向裂缝乃至局部的网裂，并最终产生结构性破坏。冲刷形成板底脱空，破碎，甚至降级为粒料基层[4-6]。

向土壤中添加一定含量的水泥经加水拌合摊铺碾压凝结硬化后形成的水泥稳定土半刚性基层，主要存在以下3个不利特征： ①水泥稳定土的干缩系数和干缩应变以及温缩系数明显大于水泥稳定砂砾和水泥稳定碎石，容易产生严重的收缩裂缝，影响沥青面层；②在强度没有充分形成以前，若水由表面渗入，水泥稳定土混合料易发生软化，而即使是几毫米的软化层也会导致沥青面层龟裂破坏；③水泥稳定土的抗冲刷能力明显小于水泥稳定水泥，一旦表面水由面层渗入基层后，容易产生冲刷现象[7-9]。也正是由于以上三点不足，规范禁止水泥稳定土作为高级沥青路面的基层，仅作为底基层用料。使得在一些缺乏石料的地区(基层用料)和乡村非等级(表面层用料)的铺筑阶段，不得不远距离购买石料，成本显著提高，且山体开采加剧。

为了使水泥稳定土能够满足高等级公路基层的路用性能要求，因此，本文依托某水泥稳定土稳定剂开展水泥稳定土的性能研究，目的在于为我国的路面结构提供一种可靠的基层混合料；为缺乏石料的地区提供一种可靠的基层混合料；强度持平(甚至超过)水泥稳定碎石。

1 水泥稳定土配合比设计

本文所使用的土壤稳定剂为白色粉末状天然物质，密度为1.032 g/cm3，配合比试验各原材料比例：胶结料(水泥+稳定剂)用量12%(内掺法)，稳定剂用量为水泥用量的2%，土壤88%；最佳含水率建议采用重型击实法。

1.1 土的界限含水率试验

按照《公路土工试验规程》[10]的方法(锥质量76 g)，得到实验数据如表1。对土样的含水率和锥入深度进行双对数坐标拟合，拟合函数关系式见图1。

表1 界限含水率试验数据记录表编号含水量/%含水量对数锥入深度/mm试验1试验2平均值/mm平均值对数143316416917117012323581558483840923215133111413010

图1 锥入深度与含水率双对数坐标线性拟合

由图1双对数函数关系式计算测试土样的液限ωL=43.3%；塑限ωP=24.4%。塑性指数Ip=ωL-ωP=43.3%-24.4%=18.9%。采用烘干法对土样的天然含水率进行检测，以确定配合比设计过程实际加水量。检测得土样天然含水率为23.7%。

1.2 土的击实试验

按照《公路土工试验规程》[10]的方法，采用“干土法”(重型击实)进行土的击实试验，以2%～3%含水率为间隔拟定5个等梯度含水量，测定土的最大干密度、最佳含水量。实验数据见表2、图2。

表2 土的击实试验数据试件编号拟加含水率/%实测含水率/%干密度/(g·cm-3)1140137166321601641754318018617584200215170552202271685

图2 土的击实试验干密度与含水率关系曲线

由表2数据及图2拟合曲线计算得，土的最大干密度为1.763 g/cm3，对应的最佳含水率为18.3%。土样的击实曲线较陡，说明含水量的增减对原样土性状的影响较为显著，水稳定性较差。

1.3 水泥稳定土的重型击实试验

对比水泥稳定土的击实试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[11]的方法(丙法)试验数据见表3、图3。

表3 水泥稳定土(稳定剂)重型击实试验数据试件编号拟加含水率/%实测含水率/%干密度/(g·cm-3)1140130175421901771778322020617564240230171552602421658

图3 对比水泥稳定土重型击实试验含水率与干密度关系曲线

对比水泥稳定土的最大干密度为1.786 g/cm3，对应的最佳含水率为16.9%。比较对比水泥稳定土与原样土的重型击实曲线，对比水泥稳定土的重型击实曲线比原样土要平缓，在较广域的含水量范围类水泥稳定土能够通过击实获得较大的干密度，空隙比较低，饱和度较大。表明通过水泥以及本稳定剂的固化改善后，土样的水稳定性得到改善，不会因为较小含水率的变化就诱发水泥稳定土的物理性质的较大削减。

1.4 水泥稳定土配合比的确定

考虑到击实试验过程实际拌和水分的损失，水泥稳定土的拌和过程含水率应比最佳含水率增加1.5%左右，拌和含水率采用18.5%。采用内掺法胶结料(水泥+稳定剂)用量12%，稳定剂用量占水泥质量的2%，土壤88%。最终确定水泥稳定土的配合比为水∶干土∶水泥∶稳定剂=18.50∶88.00∶11.76∶0.24。

2 水泥稳定土的无侧限抗压强度(UCS)试验研究

2.1 试验方案

试件的养生：方法1，标准养生条件(湿度不小于95%，温度(20±2)℃)养护3 d，3 d后移出养生室，置于湿度50%±5%、温度(20±2)℃养护箱至规定龄期，不浸水直接试验；方法2，我国现行标准规定的养生方法，标准养生条件养生至规定龄期，规定龄期的最后一天浸水24 h；方法3为方法1和方法2的结合，标准养生条件养护3 d，3 d后移出养生室，置于湿度50%±5%、温度(20±2)℃养护箱至规定龄期，规定龄期的最后一天浸水24 h。以探究养护方法(主要是养护过程养护湿度)对试件无侧限抗压强度的影响。其中方法2和方法3养生条件不同，试验条件相同。

试件的成型： 成型试件尺寸为100 mm×100 mm。第1批试件分别为87.7%压实度的基准水泥稳定土试件和对比水泥稳定土试件，养生方法为方法1；第2批试件分别为98%压实度的基准水泥稳定土试件和对比水泥稳定土试件，养生方法为方法2。第3批试件分别为98%压实度的基准水泥稳定土试件和对比水泥稳定土试件，养生方法为方法3。以分别探究稳定剂和压实度对试件无侧限抗压强度的影响。同时为探究无侧限抗压强度养生最后一天的饱水步骤对试件无侧限抗压强度的影响，特对养生至7 d龄期的第2批试件进行饱水前后的无侧限抗压强度试验。

2.2 UCS与养护方法

采用方法1、方法2和方法3分别对第1批试件、第2批试件和第3批试件进行养生。3批水泥稳定土试件的无侧限抗压强度试验结果汇总见表4。无侧限抗压强度发展态势图见图4。

表4 水泥稳定土无侧限抗压强度试验结果试件是否添加稳定剂龄期/d平均值/MPa标准差/MPaCv/%95%概率值/MPa90%概率值/MPa7380290083435是14400160043738第1批(饱水前)284301200341427250080032323否1438007002373728400080023939第2批(饱水前)是7250130052323否7230180082021第2批(饱水后)是721024011171814300190062728否7190120061717142201000520217350150043334是14470200044444第3批(饱水后)285501400353537290180062627否1440016004373828540170035151

图4 无侧限抗压强度态势图

由图4知： 第3批试件折线在图中最上方，即抗压强度最大；第2批试件折线在图中最下方；第1批试件折线在图中部位置。第1批试件压实度小于第2批试件，抗压强度反而大于第2批试件，表明养生方法1优于养护方法2。第2批和第3批试件压实度均为98.0%，最具可比性，第3批试件抗压强度大于第2批试件，表明养护方法3优于养护方法2。采用养生方法2导致试件抗压强度较低的原因，是养生过程中试件持续储存在不小于95%湿度环境中，在试件强度尚未形成之前，土颗粒不断吸水软化，进而导致强度无法形成。

养生方法1和方法3相比，仅是养生至规定龄期的最后一天是否浸水24 h的区别，我国公路工程无机结合料稳定材料试验规程规定，无侧限抗压强度试验试件养生至规定龄期的最后一天需浸水24 h。且公路沥青路面设计规范、公路路面基层施工技术细则中对无机结合料稳定材料无侧限抗压强度标准的规定均是在浸水24 h条件下进行试验，因此，养生方法3是水泥稳定土最适宜的养生方法。

2.3 浸水前后UCS变化

为比较养生最后一天浸水24 h条件对水泥稳定土抗压强度的影响，特分别检测养生至7 d龄期的第2批试件的无侧限抗压强度，结果见表5。

表5 饱水前后无侧限抗压强度试验结果试件是否添加稳定剂平均值/MPa标准差/MPaCv/%95%概率值/MPa90%概率值/MPa饱水前是250130052323否230180082021饱水后是210240111718否190120061717

对于基准水泥稳定土试件浸水前后，95%保证率抗压强度的比值为0.85，90%保证率抗压强度的比值为0.81；对于对比水泥稳定土试件浸水前后，95%保证率抗压强度的比值为0.74，90%保证率抗压强度的比值为0.78。表明浸水24 h条件对水泥稳定土的抗压强度具有削弱作用，基准水泥稳定土试件抗压强度约降低15%～19%，对比水泥稳定土试件抗压强度约降低22%～26%。因此，为保证与我国沥青路面结构验算过程半刚性材料计算参数取值试验条件一致，在检测抗压强度前24 h的浸水条件不能省略。

2.4 UCS与压实度

将第3批试件无侧限抗压强度与第1批进行对比，以确定压实度对水泥稳定土试件抗压强度的影响。为了消除第1批试件和第3批试件试验前有无24 h浸水条件的影响，特采用本文2.3节的分析结果，分别将第3批试件中基准水泥稳定土及对比水泥稳定土抗压强度提高17%、24%。强度调整后的两批试件的抗压强度比值见表6。

表6 第3批与第1批试件的抗压强度比值是否添加稳定剂保证率/%不同龄期(d)的抗压强底比值71428是95120147160否132117153是90120144156否137120153

压实度由87.7%提高至98.0%，基准水泥稳定土试件95%、90%保证率的无侧限抗压强度提高分别32%～53%、37%～53%，随着龄期的增大提高幅度随之增大，28 d提高幅度为53%；添加稳定剂水泥稳定土试件95%、90%保证率的无侧限抗压强度提高分别20%～60%、20%～56%，同样随着龄期的增大提高幅度随之增大，28 d提高幅度达60%。因此，压实度的提高能够有效提高水泥稳定土试件的无侧限抗压强度。

2.5 UCS发展规律

将水泥稳定土95%保证率无侧限抗压强对数与龄期对数进行双对数坐标线性拟合，拟合线性见图5。

图5 无侧限抗压强度与龄期双对数坐标拟合

经拟合得各批试件的无侧限抗压强度与龄期双对数函数关系式，见式(1)～式(6)。

第1批(基准水泥稳定土)：

P=0.38N+0.16

(1)

第2批(基准水泥稳定土)：

P=0.23N+0.07

(2)

第3批(基准水泥稳定土)：

P=0.49N+0.02

(3)

第1批(对比水泥稳定土)：

P=0.14N+0.96

(4)

第2批(对比水泥稳定土)：

P=0.67N-0.77

(5)

第3批(对比水泥稳定土)：

P=0.34N+0.55

(6)

式中：P为试件无侧限抗压强度的自然对数，N为试件养生龄期的自然对数。

采用无侧限抗压强度与龄期双对数函数关系式计算第2批试件28 d的无侧限抗压强度，计算各批试件7 d、14 d强度达28 d强度的百分比，以探究水泥稳定土试件强度随龄期的发展规律，结果见表7。

表7 7d、14d强度达28d强度的百分比试件有无稳定剂压实度/%R7/R28/%R14/R28/%第1批有88829902无590949第2批有737867无98623830第3批有623830无510725

2.6 稳定剂对UCS的影响

由图4知: 3批试件中对比水泥稳定土试件抗压强度折线均在基准水泥稳定土上方；表明稳定剂的添加能够提高水泥稳定土的无侧限抗压强度。由表7知，对比水泥稳定土试件R7/R28和R14/R28均较基准水泥稳定土试件大，对比水泥稳定土试件的7 d、14 d抗压强度更接近28 d最终强度，表明稳定剂的添加能够有效提高水泥稳定土的早期强度。

为进一步探究稳定剂对水泥稳定土试件无侧限抗压强度的影响，计算添加稳定剂与基准试件无侧限抗压强度比值，见表8。

表8 添加稳定剂与基准试件无侧限抗压强度比值试件不同龄期(d)的抗压强度比值71428第1批148100105第2批100135187第3批127119104

表8知:添加稳定剂与基准试件无侧限抗压强度比值均大于或等于1.00。第2批试件采用养生方式2，在养生期间持续处于高湿度环境(湿度不小于95%，且养生期间每天洒水3～4次)，使得试件在强度未形成前吸水软化，延缓了试件的强度发展，双对数坐标拟合函数关系式计算表明，基准水泥稳定土试件28 d强度仅有2.31 MPa，添加稳定剂的试件28 d强度仍能恢复正常值4.32 MPa。表明在处于高湿度环境条件下时，抗压强度虽然发展较为缓慢，基准水泥稳定土强度不能发展至正常强度水平(适宜养生条件达到的强度)，但稳定剂的加入仍能保证试件强度逐渐恢复至正常值。在湿度较大的不良地质条件下，向水泥稳定土中加入本稳定剂效果显著。第1批和第3批试件7 d时比值最大，28 d时比值接近1.00，表明在适宜养生条件下，稳定剂能够有效提高水泥稳定土试件的的早期强度，对水泥稳定土最终强度也有所提高，但提高幅度不大，约提高4%～5%。

3 结论

1) 对比水泥稳定土7 d无侧限抗压强度代表值为3.3 MPa，符合《公路路面基层施工技术规范》各等级公路底基层和基层混合料强度要求；《公路路面基层施工技术细则》各等级公路底基层强度要求、二级及以下公路等级各交通等级以及高速和一级公路中、轻交通等级要求。

2) 在处于高湿度环境条件下时，抗压强度虽然发展较为缓慢，基准水泥稳定土强度不能发展至正常强度水平(适宜养生条件达到的强度)，但稳定剂的加入仍能保证试件强度逐渐恢复至正常值。在湿度较大的不良地质条件下，向水泥稳定土中加入本稳定剂效果显著。

3) 分别采用养生方法1、方法2和方法3对基准水泥稳定土和对比水泥稳定土的第1批、第2批和第3批试件进行养生，进行7 d、14 d和28 d无侧限抗压强度，考虑我国水泥稳定类材料的试验规程，确定养生方法3是水泥稳定土最适宜的养生方法。

4) 浸水24 h条件对水泥稳定土的抗压强度具有削弱作用，基准水泥稳定土、对比水泥稳定土抗压强度分别降低约15%～19%、22%～26%。

5) 压实度的提高能够有效提高水泥稳定土试件的无侧限抗压强度，压实度由87.7%提高至98.0%，无侧限抗压强度值至少提高20%以上。

6) 在适宜养生条件下，稳定剂能够有效提高水泥稳定土试件的的早期强度，对水泥稳定土最终强度也有所提高，但提高幅度不大，约提高4%～5%。

[1] Xiao-Dong, Gong Xiao-Nan, Jiang Yong-Sheng. Elastic-plastic damage model of cement-stabilized soil[J], Engineering Mechanics,2002,19(6):33-38.

[2] 谭敏. 半刚性基层材料的收缩性能研究综述[J]. 江苏科技大学学报(自然科学版)，2011，25(5)：58-61.

[3] 蔡智.半刚性基层收缩开裂机理与模型研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2009.

[4] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[5] JTJ034-2000，公路路面基层施工技术规范[S].

[6] Mohammad L.N., Raghavandra A., Huang B. Laboratory performance evaluation of cement-stabilized soil base mixtures[J]. Transportation Research Record, 2000, 1721: 19-28.

[7] 贾侃. 半刚性基层材料的疲劳特性研究[D]. 西安：长安大学，2008.

[8] 邓有左. 半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施[J]. 公路，2001(6)：54-66.

[9] 张起森，郑健龙，刘益河. 半刚性基层沥青路面的开裂机理[J]. 土木工程学报，1992(2)：13-22.

[10] JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

[11] JTG E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

1008-844X(2017)03-0075-05

U 416.1

A

2016-11-17

刘 勇(1978-)，男，工程师，主要从事公路桥梁工作。