水泥改良公路路基土体的温度收缩性能研究

董立强

摘要：在公路路基土体中添加2%～10%的水泥作为固化剂，采用高、低温交变试验箱对不同水泥掺量改良土的温缩性能进行试验研究。结果表明，固化剂水泥改良试件的温缩应变会随着温度循环次数的增加而逐渐趋于平稳;固化剂水泥掺量为6%时改良土的温缩系数在温度10～40 ℃、温度循环次数达到第3次时的温缩系数较大，且温度为30 ℃时温缩系数达到峰值;冰点温度区间及低温区间的温缩系数要低于高温和常温区间的温缩系数，且温缩系数呈现随着温度降低而减小的趋势。固化剂水泥掺量为6%时，改良土的温度收缩性能较好，可以有效抑制公路路基土体在温差较大区域发生收缩裂缝的可能性，并提高公路路基土体的整体的稳定性和安全性。

关键词：固化剂;水泥;改良土;温度;收缩性能

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0156-06

Study on temperature shrinkage property of highway

subgrade soil improved with cement

DONG Liqiang

（Hebei Xiong'an Jingde Expressway Co.， Ltd.， Xiong'an 071700， Hebei China）

Abstract：By adding 2%～10% cement as solidifying agent in the soil of highway subgrade， the temperature shrinkage properties of the improved soil with different cement content were studied by using high-low temperature alternating test box. The results show that the temperature shrinkage strain of the improved samples tends to be stable with the increase of temperature cycle times， and the coefficient of temperature shrinkage of the improved soils is larger when the content of curing agent cement is 6%， the temperature shrinkage coefficient of the improved soils reaches the peak value at the temperature of 10～40 ℃ and the number of times of temperature reaches the third time， and the temperature reaches the peak value at 30 ℃. The temperature shrinkage coefficients in the degree and low temperature ranges are lower than those in the high and normal temperature ranges， and the temperature shrinkage coefficients tend to decrease with the decrease of temperature. Generally speaking， the temperature shrinkage performance of the improved soil is better when the cement content is 6%， which can effectively restrain the possibility of shrinkage cracks in the region with large temperature difference and improve the overall stability and safety of the road subgrade soil.

Key words：curing agent; cement; improved soil; temperature; shrinkage property

路基是軌道或者路面的基础，是经过开挖或填筑而形成的土工构筑物，它承受着本身土体的自重和路面结构的质量，还承受由路面传递下来的行车荷载;同时，将荷载向地基深处传递与扩散，所以路基是公路的承重主体[1]。在公路建设施工过程中，路基土体在铺设过程中会遇到由于改良土中的固相、液相和气相在升降温过程中的相互作用使改良土产生的体积胀缩的现象，即温度收缩。这种现象的产生不仅会对整体公路施工工程的结构产生不利影响，还会降低整体路基的承载能力，严重影响公路的使用性能[2]。尤其是在昼夜温差较大的区域，如奥运城市张家口地区，这个地区位于河北省西北部，昼夜温差大且路基土体多使用粉质黏土，传统固化剂（水泥、石灰等）在这个地段应用存在干缩系数大和容易开裂等问题，路基土体的温度收缩现象较为显著，有必要在现场施工的土体中添加固化剂以增强公路路基土体的收缩性能[3-4]。本文从现场施工便利性和成本低等角度出发，考虑在现场土体中添加适量固化剂水泥的方法，并考察不同水泥掺量作用下改良土的温度收缩性能，这将有助于新型高温度收缩性能的改良土的开发并推广其在公路路基施工中的应用。

1材料与方法

1.1工程背景

奥运城市张家口地区为典型季节性冻土区，昼夜温差较大，在该地区进行公路施工存在一定困难，如采用传统固化剂水泥改良土作为路基容易出现水稳定性较差，收缩率较大等缺点。工程施工要求水泥改良公路路基土体具有较好的温缩抗裂性能。

1.2设计方案

用于温度收缩性能测试的梁式试件的尺寸为（50×50×200）mm，将试件进行养护7 d后置于烘箱中进行110 ℃保温11 h的烘干处理，然后在高低温交变试验箱中进行-20～40 ℃的温度收缩试验，其中-20 ℃和40 ℃分别为当地年平均地表最低和最高温度。

1.3材料与测试方法

分别选取传统水泥固化剂和新型土凝岩固化剂为固化剂对公路路基粉质黏土进行改良，固化剂掺量在2%～10%，试验过程中所用到的试验装置包括FR-1204型高低温交变试验箱和HAD3862型静态应变仪。采用应变片法对统水泥固化剂和新型土凝岩固化剂改良的公路路基土体进行温度收缩性试验[5]。其中，高低温交变试验箱中的试件的宏观形貌如图1（a）所示，即试件整体呈横卧式放置;试件上的应变片与各自单独引线连接与接入静态应变仪结果如图1（b）所示。

2结果及讨论

2.1固化剂水泥掺量对改良土温缩收缩特性的影响

固化剂水泥掺量对改良土温缩收缩特性的影响曲线，如图2所示。

由图2（a）可以看出，在相同温度下，随着水泥掺量的增加，改良土试件的温缩应变呈现逐渐先增加而后减小的趋势，在水泥掺量为8%时，取得温缩应变最大值;而继续增加水泥掺量至10%时，改良土试件的温缩应变反而会有所减小，第1个温度循环下的温度-温缩应变曲线呈倒置“塔”型。

从图2（b）可见，改良土试件的温缩应变会随着固化剂水泥掺量的增加而逐渐增大，第3个温度循环下的温度-温缩应变曲线可见降温“凹谷”和升温“波峰”现象[6]，这主要与温度变化过程中改良土试件的内部致密度有关，即在升温过程中改良土时间的内部孔隙会减少;而在降温过程中会出现孔隙增大现象[7]。整体而言，固化剂水泥改良试件的温缩应变会随着温度循环次数的增加而逐渐趋于平稳。

2.2固化剂水泥掺量对改良土温缩收缩特性的影响

温度循环次数对固化剂水泥改良土试件温缩应变的影响曲线，如图3所示。

由图3（a）可以看出，当温度循环次数达到3次时，改良土试件的温缩应变趋于稳定，且在相同温度循环次数下，改良土试件的温缩应变会随着水泥掺量增加而呈现先增加后减小特征;在水泥掺量为8%时，取得温缩应变的最小值。

從图3（b）升降温次数与温缩应变的对应关系可知（1～4次为降温;5～8次为升温阶段），固化剂水泥改良土在降温阶段的温缩应变要小于升温阶段的温缩应变，这主要是因为降温阶段的改良土会发生孔隙增大现象;而这孔隙变化在升温阶段并不会像降温阶段那么显著[8]。

2.3温度到达次数与温缩系数的对应关系

温度与改良土温缩系数的对应关系，如图4所示。

由图4（a）第1个温度循环升温阶段的温缩系数变化可知，改良土在-20、40 ℃时的温缩系数较大;而中间范围内的温缩系数相对较小且平稳，且高温（40 ℃）时温缩系数要大于低温（-20 ℃）时温缩系数。此外，从对比分析还可以发现，固化剂水泥掺量为10%时改良土的温缩系数要低于水泥掺量为8%的改良土。

由图4（b）第3个温度循环降温阶段的温缩系数变化可知，改良土在-20、40 ℃时的温缩系数同样高于中间范围内的温宿系数，其变化机理同样与高温和低温作用下改良土内部的水化反应与孔隙变化有关。结合第1个温度循环升温阶段和第3个温度循环降温阶段的温缩系数变化，以及水泥掺量越大则改良土力学性能越高的规律[9]可知，当水泥掺量为6%时，水泥固化剂改良土可获得较好的温缩性能。

2.4不同温度下水泥改良土的温度循环次数与温缩系数的对应关系

由图5可以看出，30、40 ℃为高温区间;10、20 ℃为常温区间;0 ℃为冰点区间;-10、-20 ℃为低温区间。循环次数中奇数次、偶数次分别对应于降温和升温时的温缩系数。从高温区间的温度循环次数-温缩系数曲线图5（a）、（b）可知，水泥改良土整体在开始达到该温度时的温缩系数最大，在第3次达到该温度时的温缩系数趋于稳定;水泥掺量为6%时的温缩系数在温度循环次数达到3次及以上时保持最低。从常温区间的温度循环次数-温缩系数曲线图5（c）、（d）可知，与高温区间相同的是，水泥改良土整体在开始达到该温度时的温缩系数最大，在第3次达到该温度时的温缩系数趋于平稳;由对比可知，常温区间的温缩系数整体低于高温区域的温缩系数，这主要是与高温阶段会造成水泥改良土中水分的流失，在多次高低温交变循环下内部孔隙增大，局部还会出现微裂纹等有关。在冰点温度图5（e）可知，由于改良土中微裂缝的萌生和扩展，改良土中的水和冰的转化会造成内部孔隙以及原有改良土的内部结构发生变化，造成温缩系数会低于高温和常温阶段，且当水泥掺量为6%时的改良土的温缩系数会从升温时的减小转变为降温时的降低。

从低温区间的温度循环次数-温缩系数曲线图5（f）、（g）可知，当固化剂水泥掺量为2%时，-10 ℃时改良土的温缩系数与高温、常温和冰点区间相同;而水泥土掺量为4%、6%、8%和10%时改良土的温缩系数随着温度减小而降低，且由于低温下水分得不到补充而使得温缩系数趋于稳定;-20 ℃时改良土的温缩系数稍高于常温区间和冰点区间，且固化剂水泥掺量为6%时的改良土具有较优的低温温缩性能。

2.5固化剂水泥掺量为6%时改良土的温缩系数与温度次数和温度变化关系

固化剂水泥掺量为6%时改良土的温缩系数、温度次数与温度变化关系，具体如图6所示。

从图6（a）温度次数-温度变化三维图中可知，固化剂水泥掺量为6%时改良土的温缩系数在温度10～40 ℃、温度次数达到第3次时的温缩系数较大，且温度为30 ℃时温缩系数达到峰值;冰点温度区间及低温区间的温缩系数要低于高温和常温区间的温缩系数，且温缩系数呈现随着温度降低而减小的趋势。究其原因，这主要与较低温度下固化剂水泥改良土中的水冰之间会发生转化而造成内部结构变化，局部会产生疏松并形成微裂纹有关。

从图6（b）温度次数-温度变化云图中清晰可见，固化剂水泥改良土的温缩系数最大区域出现在温度30 ℃、温度次数3次附近，且温度在0～40 ℃、温度次数1～2次时的温缩系数较大;而-10 ℃及以下温度时的温縮系数较小。这主要是由于高低温交变试验在封闭环境下进行，固化剂水泥改良土的水分得不到补充，水泥改良土在初始阶段的温缩应变和温缩系数变化较大，而在多次到温后，改良土中的孔隙率和裂纹等数量变化幅度减小，温缩性能会逐渐趋于稳定。

3结语

（1）固化剂水泥改良试件的温缩应变会随着温度循环次数的增加而逐渐趋于平稳;

（2）当水泥掺量为6%时，水泥固化剂改良土可获得较好的温缩性能。高温区间，水泥改良土整体在开始达到该温度时的温缩系数最大，在第3次达到该温度时的温缩系数趋于稳定;水泥掺量为6%时的温缩系数在温度循环次数达到3次及以上时保持最低。当固化剂水泥掺量为2%时，-10 ℃时改良土的温缩系数与高温、常温和冰点区间相同;而水

泥土掺量为4%、6%、8%和10%时改良土的温缩系数随着温度减小而降低，且由于低温下水分得不到补充而使得温缩系数趋于稳定;-20 ℃时改良土的温缩系数稍高于常温区间和冰点区间，且固化剂水泥掺量为6%时的改良土具有较优的低温温缩性能;

（3）固化剂水泥掺量为6%时改良土的温缩系数在温度10～40 ℃、温度次数达到第3次时的温缩系数较大，且温度为30 ℃时温缩系数达到峰值;冰点温度区间及低温区间的温缩系数要低于高温和常温区间的温缩系数，且温缩系数呈现随着温度降低而减小的趋势。

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