水泥改良红砂岩填料水稳定性试验研究

罗元炼

(湖南交通国际经济工程合作有限公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

红砂岩是基础工程建设中常见的一种岩土材料，其抗压强度低、抗风化能力弱、遇水易膨胀崩解，用作路基填料将影响路基稳定性和耐久性[1-2]。因此，红砂岩填料在铁路、道路路基工程中应用受到限制[3-4]。通常掺加一定剂量的水泥、石灰等改良剂对其进行处治，以提高填料的强度和稳定性。目前，学者对红砂岩改良应用进行了一定研究。马滔[5]研究发现兰州地区红砂岩物理力学性质与经验值相差较大，并分析了水泥、石灰、粉煤灰等改良剂对红砂岩抗剪强度参数的影响。王帅等[6]研究表明直接采用红砂岩填料填筑路基，路基产生不均匀沉降；选用水泥改良红砂岩填料，当水泥剂量≥4%时满足路基强度要求。朱彦鹏等[7]基于正交试验方法研究了水泥掺量、黄土掺量和含水率对改良红砂岩抗剪强度的影响规律。雷润杰[8]、高慧芳等[9]研究表明水泥改良红砂岩效果优于石灰。

我国各地气候与地质不同，红砂岩成分相差较大、物理力学性质不一。目前关于水泥改良红砂岩填料水稳定性研究较少。因此本文选用水泥对红砂岩进行改良，通过水稳定性试验、CBR试验和干湿循环试验研究水泥改良红砂岩填料水稳定性，可为实际工程提供参考。

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

1.1.1红砂岩

红砂岩取自安徽某在建路取土场，其干燥与饱和状态下单轴抗压强度分别为18.9、11.8MPa。红砂岩矿物成分组成见表1，风化碎屑物颗粒组成和物理力学性质分别见表2和表3。红砂岩中长石和蒙脱石含量较高，在外界环境因素影响下易发生风化崩解[10]，风化碎屑物以0.072～2mm的砂粒为主，不均匀系数Cu=4.0，曲率系数Cc=0.9，根据规范[11]可判断红砂岩碎屑物属于低液限级配不良中砂。

表1 红砂岩矿物成分组成%石英云母长石蒙脱石76.542.9613.886.62

表2 红砂岩风化碎屑物筛分试验结果筛孔/mm质量百分率/%筛孔/mm质量百分率/%60100.02.00080.740100.01.00078.12095.40.50069.91091.40.25041.4586.70.0754.1

表3 红砂岩风化碎屑物物理力学性质液限/%塑限/%塑性数最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)23.113.29.99.382.0716.228.1

1.1.2水泥

水泥选用安徽海螺水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥P·O42.5，技术性质见表4。

表4 水泥技术性质细度/%凝结时间/min初凝终凝安定性烧失量/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa3 d28 d3 d28 d1.1138301合格1.0524.548.75.07.4

1.2 试验设计

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)拌和水泥改良红砂岩风化碎屑物，按最佳含水率成型试件并养生，通过水稳定性试验、CBR试验和干湿循环试验研究其水稳定性，分析水泥剂量、压实度、养生龄期及外界环境因素对水泥改良红砂岩无侧限抗压强度影响规律。试验中，红砂岩风化碎屑物最大粒径不超过40mm，拟掺加水泥剂量为3%、4%、5%、6%，压实度为93%、95%、98%，养生龄期为7、28 、90d，每组试验采用6个试件。水稳定性试验和干湿循环试验中采用静压法成型试件，尺寸为φ100mm×100 mm(直径×高)，选用万能试验机测定试件无侧限抗压强度，加载速率为1mm/min；CBR试验采用击实法成型试件，尺寸φ102mm×116mm(直径×高)。

1.2.1水稳定性试验

将试件分为两组，一组达到养生龄期时，直接测定试件无侧限抗压强度；另一组达到养生龄期前1 d，将试件从养生室取出，浸泡于(20±2)℃水槽中，测定试件饱水1 d无侧限抗压强度。采用水稳系数评价水泥改良红砂岩填料水稳定性，计算公式见式(1)。

(1)

式中：δcT为养生龄期T(d)下试件水稳系数，%；RcBT、RcT为养生龄期T(d)下试件饱水无侧限抗压强度和不饱水无侧限抗压强度，MPa。

1.2.2CBR试验

参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)进行CBR试验，拟试件浸水时间分别为1、4、7 d。

1.2.3干湿循环试验

在养生龄期前1 d，将试件从养生室中取出，浸泡于(20±2)℃水槽中一昼夜后进行干湿循环试验。干燥阶段采用自然风干方式，当试件质量与标准养生试件质量相差±2 g内，认为试件达到干燥状态；加湿阶段直接将干燥后的试件置于(20±2)℃水槽中，浸泡12 h。试件干湿循环完毕后测定无侧限抗压强度，拟干湿循环次数分别为1、3、5、7、9、12次。

2 试验结果及分析

2.1 水稳定性试验

2.1.1无侧限抗压强度

水泥改良红砂岩无侧限抗压强度增长规律见图1。

由图1可知：

1)压实度和养生龄期一致条件下，不同水泥剂量的改良红砂岩无侧限抗压强度增长曲线一致，抗压强度随水泥剂量增加逐渐提高，而提高速率不断减小。其中，养生龄期7d时，增加水泥剂量对改良红砂岩抗压强度增长效果最好，水泥剂量由3%增加至4%，改良红砂岩抗压强度提高20%以上；由4%增加至5%，抗压强度提高约为14.5%；由5%增加至6%，抗压强度提高约为8.0%。

2)养生龄期或压实系数增加，水泥改良红砂岩抗压强度增加。这是因为随龄期增长，水泥水化反应持续进行，生成的水化硅酸钙、水泥铝酸钙等凝胶物质与红砂岩材料发生胶结作用，结构稳定性增强，抗压强度提高；而随着压实系数增加，水泥改良红砂岩结构密实性加大，孔隙率减小，从而抗压强度提高。水泥改良红砂岩7、28 d抗压强度分别约为90 d抗压强度的59%、85%，说明养生龄期超过28 d后，抗压强度增长变缓。以养生龄期7 d为例：当压实系数由93%增加至95%，改良红砂岩抗压强度提高12.5%以上；压实系数由95%增加至98%，抗压强度提高约11.5%，可见随压实度增加，水泥改良红砂岩提高效果减弱。

a)K=93%

2.1.2水稳系数

水泥改良红砂岩水稳系数变化规律见图2。

a)K=93%

由图2可知：

1)浸水养生1 d后，改良红砂岩抗压强度大幅下降，水稳系数在49.9%～73.6%之间。不同水泥剂量、不同压实度下改良红砂岩抗压强度下降程度不一。

2)随水泥剂量增加，水泥改良红砂岩水稳系数逐渐提高，说明掺入水泥后，其水稳定性提高。当水泥剂量由3%增加至4%，改良红砂岩水稳系数提高8.0%以上；水泥剂量≥4%时，水稳系数平均提高3.6%。另外，水泥改良红砂岩水稳系数随养生龄期增加逐渐提高，其7、28 d水稳系数约分别是90 d水稳系数的86%、97%，这是因为水泥前期水化反应速度大于后期，当养生龄期超过28 d，水化反应速度减缓，生成的凝胶水化产物含量缓慢增长，从而水稳系数提高幅度较小。

2.2 CBR试验

水泥改良红砂岩CBR试验结果见图3。试件养生7 d，压实度为95%。

图3 水泥改良红砂岩CBR试验

由图3可知，随浸水时间增加，不同水泥剂量的改良红砂岩CBR值变化规律不一致。当水泥剂量为3%时， CBR值随浸水时间增加而减小，浸水时间每增加1 d，CBR值平均降低2.5%；当水泥剂量≥4%，水泥改良红砂岩CBR值随浸水时间先增大后减小。这是因为红砂岩中掺入较高剂量的水泥，水泥水化产物与材料的胶结作用增强，结构整体稳定性加大，在浸水前期时CBR值增长幅度高于因浸水引起的损失；而随着浸水时间增加，过量的水改变了水化反应环境，从而水泥改良红砂岩CBR降低。

2.3 干湿循环试验

水泥改良红砂岩干湿循环试验结果见图4，试件压实度为95%。

由图4可知：

1)干湿循环条件下，不同水泥剂量和养生龄期的水泥改良红砂岩抗压强度变化趋势相近，随干湿循环次数增加，改良红砂岩抗压强度逐渐减小，即水稳定性下降。在养生龄期28 d时，水泥改良红砂岩干湿循环1、7、12次的抗压强度较无干湿循环的抗压强度分别降低了13.2%～23.9%、26.3%～58.1%、28.3%～64.1%；而养生龄期90 d时，则分别降低了6.8%～13.8%、16.3%～31.9%、17.0～36.2%。另外，随干湿循环次数增加，水泥改良红砂岩28 d抗压强度与90 d抗压强度的比值逐渐减小，干湿循环12次时比值不超过74%，说明随养生龄期增加，水泥改良红砂岩水稳性得到提高。

a)28 d

2)同一干湿循环次数下，水泥剂量增加对抗压强度提高效果增强。干湿循环7次时，水泥剂量每增加1%，改良红砂岩28、90 d抗压强度分别提高16.5%、9.5%以上；干湿循环12次时，水泥剂量每增加1%，改良红砂岩28 、90 d抗压强度分别提高19.7%、11.1%以上。这是因为水泥剂量增加，生成的水化硅酸钙等凝胶物质含量增多，通过与红砂岩材料发生胶结作用有效地阻碍了外界水分的进入，抑制了干湿循环作用对改良红砂岩结构的破坏。另外，同一压实度下，6%水泥改良红砂岩干湿循环12次的28、90 d抗压强度分别与无干湿循环的7、28 d的抗压强度相当。

3 结论

1)随水泥剂量、压实系数或养生龄期的增加，水泥改良红砂岩无侧限抗压强度逐渐提高；水泥改良红砂岩浸水养生1 d后抗压强度降低显著，水稳系数在49.9%～73.6%之间。

2)水泥剂量对改良红砂岩CBR值影响规律不一致，3%水泥剂量的改良红砂岩浸水时间每增加1 d，CBR平均降低2.5%；水泥剂量≥4%的改良红砂岩CBR先增大后减小，浸水10 d后CBR降低在9.0%左右。

3)随干湿循环次数增加，水泥改良红砂岩水稳定性变差，干湿循环12次的28、90 d抗压强度分别降低了28.3%～64.1%、17.0%～36.2%；随水泥剂量或养生龄期增加，干湿循环条件下改良红砂岩抗压强度提高，水泥剂量增加1%，改良红砂岩干湿循环12次的28、90 d抗压强度分别提高19.7%、11.1%以上。