水泥-沥青粉复合稳定粉土的强度及渗透特性

路本升， 李雪和， 韦金城， 张保硕， 吴文娟， 孙兆云， 刘海峰

(1.山东高速济南绕城西线公路有限公司， 济南 250108； 2.武汉科技大学城市建设学院， 武汉 430065；3.山东省交通科学研究院高速公路养护技术交通行业重点实验室， 济南 250102； 4.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉 430071; 5.中国科学院大学工程科学学院， 北京 100049)

在黄河冲积平原地区，粉土常被用作路基填筑材料。但由于黄泛区天然粉土存在颗粒级配不良、毛细管发育等特征，当直接用于路基填筑时，容易引起路面结构早期破坏、路堤浸水冻胀翻浆[1-3]。针对粉土的路基适用性能，国内外学者开展了大量的粉土改良固化研究工作。崔伟等[4]、Pu等[5]利用水泥稳定粉土，发现水泥对粉土力学性能和水稳定性提高显著，但单掺时的水泥使用量较高。张艳美等[6]采用纳米二氧化硅和石灰改良粉土发现，纳米SiO2与石灰反应生成水化硅酸钙，能够大幅提高土体的强度和水稳定性。Zhang等[7]利用木质素改良粉土发现，木质素能够提高粉土的强度和耐久性，且改良土的水稳定系数高于石灰改良土。孙仁娟等[8]采用矿渣等固废物固化粉土发现，水泥的水化反应和固废物的火山灰反应分别提供了固化土的前期及后期强度。上述研究在粉土改良固化方面取得了良好的试验效果，但在实际工程应用中仍存在改良效果单一、应用难度较高等问题。因此，粉土改良固化研究应结合工程需求，充分发挥无机材料和有机材料的性能，提高稳定粉土的强度和耐久性能。

在工程实践中，由于乳化沥青具有良好的黏结能力、抗腐蚀性和憎水性，被广泛应用于建筑防水、道路及桥梁工程[9-10]。目前，国外已有学者利用乳化沥青稳定粉砂土[11]。相比之下，国内关于沥青材料柔性固化粉土的研究较少，目前相关研究多集中在山东省交通科学研究院。樊亮等[12-13]利用乳化沥青复合改良粉土，结果表明乳化沥青的复合胶凝效应可提高粉土的早期强度和水稳定性。

但乳化沥青稳定粉土常受现场拌合能力限制，施工难度较大。而基质沥青粉保留了乳化沥青的材料性质，同时基质沥青粉稳定粉土简化了现场混合工序，便于材料的运输和储存。孙兆云等[14]采用烧结法赤泥和基质沥青粉稳定粉土发现，稳定粉土的抗压强度、水稳定性和抗冻性能提升显著。同时沥青分子在高温下所具有的损伤修复和结构补强等性能，可显著提升粉土柔性固化效果。

在综合考虑现有研究成果的基础上，现将沥青粉和水泥作为掺加剂，探究该种复合固化剂对黄河冲积粉土的稳定固化效果。着重探究稳定粉土的压实及强度特性，并基于核磁共振和渗透试验获得稳定粉土的孔隙结构及渗透特性的演化规律，揭示稳定粉土强度及渗透特性演化的微观机理。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验粉土取自山东省齐河县，基本物性指标如表1所示。采用密度计法测定粉土的颗粒级配，颗粒分析结果如图1所示。结果表明粉土中粉粒(0.005 mm

试验水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。沥青粉是由70号基质沥青加热冷却破碎形成，沥青粉的粒径均小于0.075 mm。

在该配合比条件下，稳定粉土的最优含水率及最大干密度依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[15]的相关规定，基于重型击实试验确定。稳定粉土的击实曲线如图2所示，在该配和比条件下稳定粉土的最大干密度为1.79 g/cm3，最优含水率为12.9%。

表1 天然粉土的基本物性指标Table 1 Basic physical properties of silt

图1 粉土粒径分布曲线Fig.1 Granulometric analysis curve of silt

图2 击实试验结果Fig.2 Compaction test results

1.2 试验方案

试验采用水泥和沥青粉复合稳定黄河冲积粉土，其中沥青粉的掺量为粉土干重的4%，水泥掺量为粉土干重的6%。根据室内重型击实试验结果，按96%压实度静压成型圆柱形试件。试样制备借助厦门智研新创SA-ECM-01型多功能电动液压制样机，制样仪器和圆柱体试样如图3所示。将试件在温度(20±2) ℃、湿度≥95%的标准养护条件下养护至相应的试验龄期，并按表2开展试验。

图3 制样设备和试样Fig.3 Sample preparation equipment and test samples

表2 稳定粉土试验方案Table 2 Test scheme for stabilized silt

2 无侧限抗压强度试验

2.1 试验安排

无侧限抗压强度试验借助深圳科比试验设备有限公司生产的CMT5105电子万能试验机，采用位移控制法进行加载。轴向加载速率依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[15]的规定，设置为1 mm/min。稳定粉土在自然含水状态的龄期强度均开展2次平行试验，分别为试样1、试样2。同时为探究含水率对稳定粉土抗压强度的影响规律，针对3、7、28 d养护龄期的稳定粉土试样，开展了饱和含水状态下的无侧限抗压强度试验。

2.2 试验结果

标准养护后不同龄期自然含水状态的稳定粉土试样的无侧限抗压强度试验曲线如图4所示。

图4 不同龄期稳定粉土试样的应力-应变关系曲线Fig.4 Stress-strain curve of stabilized silt at different ages

轴向荷载施加后，各龄期试样的轴向应力随应变的增加而增加，并在峰值应力前出现明显的屈服现象。达到峰值应力后，应力缓慢过渡、跌落，试样破坏。试样的破坏类型主要由加载压头与土样端部的约束决定，可分为劈裂破坏、圆锥形破坏两类。不同龄期稳定粉土的破坏应变介于2%～3%。

相同龄期下稳定粉土的应力-应变关系曲线形态基本一致，均表现为应变软化型，轴向应力在达到峰值后跌落。同时，相同龄期稳定粉土的峰值强度较为接近。

2.3 结果分析

2.3.1 无侧限抗压强度

图5为稳定粉土在不同龄期、标准养护后自然含水状态的无侧限抗压强度柱状图。由图5可知，稳定粉土的早期强度增长较快，7 d龄期强度较高，而后强度增长放缓。1、3、7、14和28 d龄期的无侧限抗压强度分别为636、855、976、1 063和1 161 kPa。与1 d龄期强度相比，其3、7、14和28 d的抗压强度分别提高34%、53%、67%和83%。在28 d养护时间内，稳定粉土的强度呈现随龄期增长而增加的趋势。

与其他粉土改良方案相比，水泥-沥青粉稳定粉土的早期强度良好。徐东升[1]、樊亮等[12]的研究结果表明，二灰稳定粉土的7 d无侧限抗压强度为715 kPa；乳化沥青和水泥复合稳定粉土的7 d无侧限抗压强度为789～897 kPa。两者的7 d强度均低于水泥-沥青粉稳定粉土。

图5 不同龄期稳定粉土的无侧限抗压强度Fig.5 Unconfined compressive strength of stabilized silt at different ages

2.3.2 弹性模量

路基土的弹性模量反映其抵抗压缩变形的能力。在稳定粉土压缩试验的应力-应变关系曲线中，选取峰前阶段0.4frk～0.6frk(frk为无侧限抗压强度)强度点之间的曲线，进行拟合分析，确定各试样的弹性模量。

不同龄期稳定粉土，在自然含水状态下的弹性模量如图6所示。由试验结果可知，在28 d养护龄期内，稳定粉土的弹性模量随养护龄期的变化趋势与无侧限抗压强度的增长规律基本相似。1 d和3 d标养试样的弹性模量较为接近，而后随着养护龄期的增加，试样的弹性模量增长迅速，稳定粉土在7 d标准养护后的弹性模量已经达到123 MPa，随后较为稳定。

图6 不同龄期稳定粉土的弹性模量Fig.6 Elastic modulus of stabilized silt at different ages

2.3.3 强度及弹性模量对含水状态的响应规律

为比较含水状态对稳定粉土强度及变形的影响规律，试验针对3、7、28 d养护龄期的稳定粉土，开展饱和含水状态的无侧限抗压强度试验。

压缩强度试验前，采用土样饱和器将稳定粉土的圆柱体试样固定，将其置于真空饱和容器中，进行抽真空饱和。在100 kPa的负压下饱和8 h，并在原容器中静置4 h。取出试样，拭去表面水分后，置于万能试验机中，开展抗压强度试验。上述3个养护龄期的稳定粉土试样各开展两次饱和状态的无侧限抗压强度平行试验。

表3为不同含水状态下(自然含水、饱和含水)稳定粉土的抗压强度、弹性模量对比。由于饱和粉土试样中的水分浸入，削弱了颗粒间黏结力，使得同龄期饱和状态下的稳定粉土与自然含水状态相比，其抗压强度和弹性模量均有所减弱。

表3 不同含水状态下稳定粉土的强度及弹性模量对比Table 3 Comparison of strength and elastic modulus of stabilized silt under different water content

3、7、28 d养护龄期的稳定粉土的饱和强度为同期自然含水状态的85%、87%、93%。可见，随着养护时间的增加，稳定粉土的强度对含水状态的敏感性减弱。这是由于稳定粉土在养护过程中，沥青粉、水泥与土颗粒发生胶结，形成稳固的凝聚结构，保证了土样的早期强度。随着养护龄期增长，水泥的水化产物(水化硅酸钙)不断增加，填充粒间孔隙，增加了颗粒间的黏结强度，提高了土样的抗压强度，降低了稳定粉土抗压强度对含水状态的敏感性。

3 核磁共振试验

核磁共振仪能够探测饱水土样孔隙中水的横向弛豫时间T2。由核磁共振理论可知，当多孔介质完全饱和后，单一孔隙的横向弛豫时间T2值与孔隙的表面积S和体积V的比值成正比。因此，根据土样测试得到的T2分布可换算得到土样的孔径分布特征。

稳定粉土的核磁共振试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所与苏州纽迈公司联合研制的PQ-001型Mini NMR核磁共振分析仪进行。试验选用2件直径为50 mm、高度为100 mm的圆柱体稳定粉土试样，逐次在1、3、7 d养护龄期后开展饱和土样的横向弛豫时间T2测试，以期得到稳定粉土试样随养护龄期增加时的孔隙分布特征演化规律。试样在每次核磁共振试验前均抽真空饱和12 h，两件试样的编号分别为HC-1、HC-2。

不同龄期稳定粉土的T2时间分布曲线如图7所示。为辨别T2时间分布曲线对应的孔隙大小，参考谭龙等[16]的研究成果，将横向弛豫时间T2为0.1～10 ms的孔隙归为小孔隙分布，10～100 ms的孔隙归为大孔隙分布。

由图7可以看出，稳定粉土中大小孔隙的数量均随龄期的增加而减小，稳定粉土T2曲线的峰值发生偏移，小孔隙的峰值(小孔隙优势孔径)向右偏移，大孔隙的峰值(大孔隙优势孔径)向左偏移。

由核磁共振的弛豫机制可知，多孔介质中流体存在3种弛豫，即横向体积(自由)弛豫、横向表面弛豫和扩散弛豫[17]。针对土体介质中孔隙水的研究表明，自由弛豫与扩散弛豫对弛豫时间T2的影响基本忽略不计，土样中孔隙水的T2值只与土体内部结构孔隙相关[18-19]，即

(1)

式(1)中：r为孔径，μm；Fs为孔隙形状因子，球形孔隙为3，柱状孔隙为2；p2为横向弛豫率，粉土的横向弛豫率取值为325 μm/s。

图7 不同龄期稳定粉土的T2分布曲线Fig.7 T2 distribution curves of stabilized silt at different ages

为准确评价稳定粉土在养护早期大小孔隙孔径的变化规律，将T2分布曲线中峰值对应的T2表征为土样中的优势孔径大小[19]。并将式(1)中的Fs简化取值为2，则式(1)可转化为

r=2p2T2

(2)

据此，对不同龄期稳定粉土的优势孔径进行计算，结果如表4和图8所示。

由表4和图8可知，大孔隙的优势孔径随龄期的增加呈下降趋势，小孔隙的优势孔径随龄期的增长不断增加。呈现这种变化的原因为稳定粉土随龄期的增长，水泥的水化产物逐渐填充土体孔隙，导致大孔隙孔径逐渐缩小，整体孔隙数量呈下降趋势。

表4 不同龄期稳定粉土的优势孔径Table 4 Dominant pore size of stabilized silt at different ages

图8 稳定粉土优势孔径随龄期的变化规律Fig.8 The evolution of the dominant pore size of stabilized silt with age

4 渗透试验

在公路工程中，路基边坡在降水作用下易发生失稳和渗透破坏。渗透系数是反映路基土抗渗性能的重要指标。

稳定粉土的渗透试验依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[15]的相关规定开展，用于探究改性粉土的渗透系数随养护龄期的变化规律。试验采用变水头法进行。主要针对1、7、14和28 d养护龄期的稳定粉土试样开展，每个龄期的土样开展2次平行渗透试验。

试样为直径61.8 mm、高度40 mm的环刀土样，按照水泥、沥青粉复合稳定粉土的材料配比、最大干密度、最优含水率压制成型，而后在温度为22 ℃、湿度为95%的条件下标准养护。

图9是不同龄期稳定粉土的渗透系数测试结果。可以看出，稳定粉土的渗透系数随龄期的增加呈减小趋势。在7 d养护龄期内渗透系数的减小幅度较大，而后渗透系数的减小速率逐渐减小。稳定粉土渗透系数的变化趋势与焦德才等[20]针对水泥稳定土的渗透试验结果一致。

图9 稳定粉土渗透系数随龄期的变化规律Fig.9 The evolution of permeability coefficient of stabilized silt with age

渗透系数的大小反映土样中孔隙的数量和孔隙的连通性。随着养护龄期的增加，稳定粉土中水泥的水化产物逐渐增加，不断填充试样的内部孔隙，减少贯通孔隙的产生，降低了稳定粉土的渗透性能。

5 结论

利用水泥-沥青粉对齐河地区的黄泛区粉土开展路用基层改性研究。基于室内试验探究了水泥-沥青粉复合稳定粉土的强度及渗透特性。得到如下结论。

(1)水泥-沥青粉复合稳定粉土的早期无侧限抗压强度增长较快，7 d龄期自然含水状态的抗压强度的平均值为976 kPa，而后强度增长缓慢，较为稳定，28 d龄期抗压强度的平均值为1 161 kPa。

(2)稳定粉土的孔隙特征是其力学强度及渗透性能的重要影响因素。饱和稳定粉土的核磁共振试验结果表明，随着养护龄期的增加，稳定粉土中大孔隙及小孔隙的数量均呈减小趋势，大孔隙优势孔径减小，土样的渗透系数逐渐减小，稳定粉土的无侧限抗压强度对含水状态的敏感性降低。

(3)室内综合试验结果表明，在该配合比条件下复合稳定粉土的工程特性提高显著，能够保证稳定粉土较高的早期强度、长期强度和水稳性能。