水泥改良自重湿陷性黄土耐久性研究

张伯扬 夏 彬 刘小军 刘晶磊*

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点试验室,河北 张家口 075000;3.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心,河北 张家口 075000)

0 引 言

现今我国为建成西部陆海新通道,西北地区的公路交通建设方兴未艾.然而我国西北部分地区存在一种特殊的黄土,具有遇到水浸湿后会因上盖覆土自重而发生发生显著沉降变形不良工程特性,即自重湿陷性.为解决湿陷性黄土在作为路基填料的时带来的危害,国内外许多专家学者进行了许多相关研究.王建良等[1]通过直剪试验和CBR试验分析了掺入水泥量对自重湿陷性良黄土的影响,试验结果表明改良黄土随水泥掺量的增加抗剪强度和承载比都会增大;尚思伯等[2]通过击实试验和压缩试验研究了水泥和石灰改良黄土的物理特性,试验结果表明随水泥或石灰掺量增大,改良黄土的弹性模量、最佳含水量和最大干密度都呈增大趋势;刘霜等[3]在侧向无约束的条件下对比分析水泥及TX型固化剂对改良黄土抗压强度的影响,结果表明改良土试样抗压强度随水泥含量及养护龄期的增大而增大.张鸿迪等[4]通过三轴压缩试验研究了复合材料改良湿陷性黄土抗剪强度的影响,试验结果表明不同掺量的改良黄土抗剪强度破坏符合摩尔—库伦破坏原则,且其内粘聚力c和内摩擦角φ随掺量增大而增大;王飞等[5]通过压缩实验研究了压实度与干湿循环对黄土湿陷特性的影响,试验结果表明未经干湿循环的黄土湿陷性系数随压实度的增大而减小,而经过干湿循环后黄土湿陷性系数随压实度的增大而变大,且增加干湿循环次数后黄土湿陷性系数会进一步增大.刘晶磊等[6]对土凝岩改良的盐渍土进行击实试验和无侧限抗压试验,发现随着土凝岩掺量的增加,改良盐渍土的抗压强度和最优含水率对应的干密度不断减小.袁志辉等[7]通过单轴抗拉实验和在不固结不排水条件下进行的三轴实验,并分析了干湿循环次数对湿陷黄土强度的影响,试验结果表明随干湿循环次数增加湿陷性黄土抗拉强度和抗剪强度都呈减小趋势.

上述研究成果主要是从湿陷性黄土改良后力学特性方面进行研究,但是对改良土的水稳定性及耐干湿性研究尚有不足.为探究水泥改良湿陷性黄土做路基材料而受雨雪天气影响后的耐久性,本文通过无侧限抗压试验对压实度、水泥掺量、养护时长等变量因素进行分析,以水稳系数评价衡量改良黄土水稳定性;并通过干湿循环试验研究掺入水泥量的大小对改良黄土在无侧限约束条件下的抗压强度影响,从而为水泥改良湿陷性黄土的耐久性工程应用提供相应依据.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验用土取自青海地区公路路基,为自重湿陷性黄土.试验水泥为P.C.32.5水泥,具体的参数性能如表1所示.

表1 试验水泥性能参数

1.2 试验方案

为探究影响水泥改良湿陷性黄土耐久性的因素,依据相关公路规范[8,9]以压实度、水泥掺量、养护时长为变量设定1、2、3号试验方案进行水稳定性研究;并进一步以水泥掺量、干湿循环次数为变量设定4号试验方案进行耐干湿性研究.试验方案如表2所示.

表2 水泥改良自重湿陷性黄土耐久性试验方案

1.3 试验方法

由试验方案中设计的不同水泥掺量和不同压实度进行配土,通过静压法将配置好的改良土压成直径和高度都是50mm圆柱状.试件在压制步骤完成后要进行为时7d的标准养护,温度控制在18℃～22℃之间,湿度等于或大于95%.依据试验方案中的目的,将试验分两部分完成.

第一部分,将1、2、3号方案的试件分为浸水组和不浸水组,不浸水组则依据试验方案,持续标准养护至要求时间;而需要浸水的试件则要放入高于试件顶部20mm的水中、且温度恒为18℃～22℃水中,持续养护至要求时间.其次应将改良土试样切削成无侧限抗压试件的标准尺寸,同时为了防止试件含水率发生改变,应将其表面均匀地被涂上一层凡士林.接着不宜过快地转动仪器手轮以使被安放好试件的仪器底座缓慢上升,当试样碰到上方的加压板刚时而完成转动步骤.为避免因试件太硬而超出测力计量程或因试件太软而测力计量程过大导致分辨率过低,应选择量程适宜的测力计并校零.然后转动手柄,使升降设备上升进行试验.转动速度应通过轴向应变速度控制,为1～3%/min;并且读数频率也应根据轴向应变控制,比如当轴向应变小于3%时,读数频率为每0.5%应变而读数一次,当轴向应变大于3%时,读数频率为每隔1%应变而读数一次.在10min以内停止转动手轮.最后绘制应力-应变曲线已得到相应试件的无侧限抗压强度,并以水稳系数(即浸水组无侧限抗压强度与不浸水组无侧限抗压强度之比)评价衡量改良土水稳性变化.

第二部分,在温度为60℃的条件下,将4号方案的试件进行12小时的烘干,之后以浸水组同样的养护方式将试件浸湿12h,即完成一次干湿循环.重复干湿循环直到预设的循环次数后,将试件放置室内晾干30分钟后,重复无侧限抗压试验步骤得到相应干湿循环后试件的抗压强度.

2 试验结果分析

2.1 水稳定性试验分析

根据1号试验方案探究压实度与改良土的水稳定性的相互关系,结果如图1所示.

图1 水稳系数随压实度变化规律图

由图1知,当压实度增大后水稳系数亦随之增大,当压实度在95%～97%时,水稳系数增长速度较快;当压实度达到97%后,水稳系数增长趋势趋于平缓.这说明土体压实效果越好,土体中孔隙越小,土体渗透性越低,当土体遇水浸湿后其抗压强度损失越小,故水稳定性越好.

根据2号试验方案探究水泥掺量对改良土水稳定性的影响进行试验,试验结果详见图2.

图2 水稳系数随水泥掺量变化规律图

从图2可知,当水泥掺量变量增大时,水稳系数曲线呈上升趋势.当水泥掺量在6%～8%时,水稳系数增长幅度较小;当水泥掺量在8%～10%时,水稳系数增长速率变大.这说明土体水泥掺量增大后,改良土体内将发生更多的水化反应,从而生成更紧密的网状结构和水稳定板体凝结改良土体,遇水后崩解软化影响越小,其水稳定性越好.

根据3号试验方案探究养护时长对改良土水稳定性的影响进行试验,试验结果详见图3.

图3 水稳系数随养护时长期变化规律图

从图3可知,当养护时长在14～21d时,土体水稳性随养护时长增大而减小;当养护时长达到21d时,水稳定系数降至最小值为0.54.在养护时间达到21d之后水稳定系数变化趋势发生转折,土体水稳性随养护时长增大而增大.当养护时间在21～28d之间,水稳定系数增长速度较快;而在28～35d之间,水稳定系数增长趋势趋于平缓.这表明水泥颗粒在改良土中发生水硬化发应,并在21d之后逐渐凝固形成致密的网状结构,使改良土形成稳定的凝结板体,故水稳定系数随养护时间增大而增大.

在养护时间为21～28d的条件下,水泥改良湿陷性黄土水稳定系数随压实度、水泥掺量和养护时间的增大而增大.但随着压实度和养护时间的增加,水稳系数增长幅度变小.综合考虑经济性与工期,水泥改良湿陷性黄土的压实度宜控制在97%～98%之间,水泥掺量宜控制在8%～10%之间,养护时间宜在28～35d之间.

2.2 干湿循环试验分析

由4号试验方案探究干湿循环数对不同掺入水泥量的改良土在7d后无侧向约束条件下的抗压强度影响,试验结果详见表3和图4.

表3 不同掺入水泥量试件在干湿循环条件下无侧限抗压强度试验结果

图4 干湿循环次数与7d后无侧限抗压强度规律图

从图4可知,伴随着干湿循环次数的增大,改良黄土的7d无侧限抗压强度将不断衰减.这是因为改良后的湿陷性黄土遇到雨水就会发生湿陷变形,土体内固体颗粒间相对位置也会发生改变,致使内部相对稳定的土体结构受到破坏.当干湿循环次数增加,土体结构破坏越严重,从而其无侧限抗压强度衰减就越多.其中当干湿循环次数达到15次后,水泥掺量为3.5%、6%、8%的改良土抗压强度衰减幅度依次为12.3%、17.2%、17.7%,表明当掺入水泥量越大则改良土抗压强度衰减越快,而随着水泥掺量的增大改良土的耐干湿性增强.

3 结 论

本文通过水稳定性试验与干湿循环试验探究掺入水泥量、压实度、养护龄期、干湿循环次数等因素对水泥改良自重湿陷性黄土的耐久度影响,基于试验得到以下结论:

(1)水泥改良自重湿陷性黄土水稳定性随压实度、掺入水泥量增大而增大;随养护时长增大呈先增大后减小的趋势,并在35d之后水稳系数曲线缓慢上升趋向平稳.

(2)水稳系数增长幅度随着压实度和养护时间的增加而变小.综合考虑经济性与工期,水泥改良湿陷性黄土的压实度宜控制在97%～98%之间,水泥掺量宜控制在8%～10%之间,养护时间宜在28～35d之间.

(3)改良土的无侧限抗压强度随干湿循环次数增加而降低;在干湿循环次数相同的条件下,其耐干湿性随掺入水泥量增大而增大,且掺入水泥量大的改良土在侧向无约束条件下的抗压强度衰减速度较快.