水泥加纤维改良路基细颗粒土的物理力学性质研究

摘要：为了探究水泥加纤维对路基细颗粒土的改良效果，文章基于界限含水率试验、击实试验、无侧限抗压强度试验，研究水泥及纤维对路基细颗粒土物理力学性质的改良效果。结果表明：（1）液限、塑限、最优含水率与纤维掺量呈负相关，与水泥掺量呈正相关；（2）最大干密度与纤维掺量呈正相关，与水泥掺量呈负相关；（3）当水泥掺量＜4%时，试样的无侧限抗压强度曲线呈“∧”型，即先增大后减小的趋势，水泥-纤维综合改良效果远优于二者单独改良；（4）水泥掺量越大，改良土试样的水稳性越高，纤维掺量越大，试样水稳性越低。

关键词：水泥；纤维；改良效果；水稳性

中图分类号：U414.1" " " "文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.002

文章编号：1673-4874（2024）11-0004-03

引言

细颗粒土路基易沉降，易滑坡，易发生路基病害［1］。近年来，随着我国全面实现小康目标的临近，高速公路建设进入飞速发展阶段，越来越多的工程项目穿越细颗粒土地区，对施工质量和效率提出了更高的要求。因此，采用合理的措施对细颗粒土进行改良尤为重要。

目前，国内外学者对路基土的改良开展了一系列研究，并取得了丰富的研究成果。王泽成等［2］通过室内冻融试验，研究了聚丙烯纤维对土体冻胀融沉特性、含水率等的影响。崔宏环等［3］以粗粒土为研究对象，研究了其力学特性与收缩特性随水泥、粉煤灰掺量的变化规律，并提出了填料工程适用性的评价指标。王传福［4］基于室内及现场试验，研究了水泥的掺量对粉细砂的物理力学性质及路用效果的影响。冯卡等［5］研究了液性指数与改良土的强度之间的关系，并通过室内试验，探究了水泥对不同液性指数素土的改良效果。综上所述，土颗粒液性指数与改良土的强度之间存在一定关系，并可通过纤维、水泥、粉煤灰等材料对路基土进行改良，但目前针对水泥加纤维对细颗粒土的改良效果的研究较少。

鉴于此，本文以东部某省高速公路路基细颗粒土为研究对象，基于界限含水率试验、击实试验、无侧限抗压强度试验，研究水泥及纤维对其物理力学性质的改良效果。该研究可为路基土的改良提供相应参考。

1原材料

试验所需材料主要为素土、水泥、纤维。素土材料取自东部某省高速公路路基，水泥为石井牌PO42.5R普通硅酸盐水泥，纤维选用聚丙烯。

1.1素土材料

素土材料经筛分试验、界限含水率试验、击实试验等，得到其基本物理指标参数如表1所示。

由表1试验结果可知，试验所用素土材料为低液限细粒土。

1.2水泥

试验所用水泥的主要化学成分如表2所示。

水泥对土的改良主要发生以下反应：（1）水化反应：水泥中的含钙矿物与水反应生成胶体物质；（2）离子交换：由于水化反应生成的胶体物质含有大量游离Ca2+，与土颗粒表面的离子发生置换，使静电吸引力、范德华力等变大，吸附周围土颗粒；（3）碳化反应：Ca（OH）2与空气中的CO2反应生成CaCO3沉淀。

1.3纤维

本次试验选用的聚丙烯纤维具有无毒、不易腐蚀等优点，其纤维长度为13 mm；密度为0.93 g/cm3；直径为0.2～0.45 mm。

2改良土的物理性质研究

选用水泥、纤维和水泥-纤维对素土进行改良，控制水泥掺量为0、1%、2%、3%、4%；纤维掺量为0、4%、6%、8%、10%、12%。由于塑性指数在一定程度上可以反映土的组成特性，且在实际工程中为保证施工质量及路基稳定性，需对土体进行压实，故通过界限含水率试验和室内击实试验，研究改良土的物理性质变化。

2.1界限含水率试验

通过界限含水率试验，测得改良土的液限随改良剂掺量的变化如图1所示。

由图1可知，纤维对土颗粒的液限有减小效果，水泥对土颗粒的液限有增大效果。当水泥掺量由0增加到4%时，试样液限减小效果变化趋势（纤维掺量0到12%）如图2所示。当纤维掺量由0增加到12%时，试样液限增大效果变化趋势（水泥掺量从0到4%）如图3所示。

由图2可知，纤维对试样液限的减小效果按大小排序为：47.1%（水泥掺量0）＞37.1%（水泥掺量1%）＞24.3%（水泥掺量4%）＞23.2%（水泥掺量2%）＞13.5%（水泥掺量3%）。说明随着水泥掺量的增加，纤维对土颗粒液限的减小效果整体上在变弱。

由图3可知，水泥对试样液限的增大效果按大小排序为：106%（纤维掺量8%）＞104.4%（纤维掺量10%）＞102.1%（纤维掺量12%）＞85.9%（纤维掺量6%）＞40.7%（纤维掺量0）＞39.6%（纤维掺量4%）。说明随着纤维掺量的增加，水泥对试样液限的增大效果呈上升趋势。

通过界限含水率试验，测得改良土的塑限随改良剂掺量的变化如图4所示。

由图4可知，纤维对试样的塑限有减小效果，水泥对试样的塑限有增大效果。水泥掺量由0增加到4%时，试样塑限减小效果变化趋势（纤维掺量0～12%）如图5所示。纤维掺量由0增加到12%时，试样塑限增大效果变化趋势（水泥掺量0～4%）如图6所示。由图5和图6可知，纤维对试样塑限的减小效果按大小排序为：69.2%（水泥掺量0）＞65.1%（水泥掺量1%）＞38.8%（水泥掺量2%）＞28%（水泥掺量4%）＞22.2%（水泥掺量3%），说明随着水泥掺量的增加，纤维对试样塑限的减小效果整体上在变弱。同时对液限的减小效果一致，当水泥掺量增加到4%时，对塑限减小效果突然变大。水泥对试样塑限的增大效果按大小排序为：348.3%（纤维掺量6%）＞341%（纤维掺量10%）＞340.3%（纤维掺量8%）＞317.8%（纤维掺量12%）＞227.7%（纤维掺量4%）＞79.4%（纤维掺量0），说明随着纤维掺量的增加，水泥对试样液限的增大效果呈上升趋势。水泥、纤维对试样的液限、塑限效果基本一致，不过试样塑限对两种改良剂的敏感性更高。

根据图1～4水泥、纤维和水泥-纤维不同掺量下的液限及塑限数据，计算可得对应的改良土塑性指数，如下页图7所示。

由图7可知，塑性指数随水泥、纤维掺量的增加不断减小，且下降幅度在逐渐降低。水泥改良土的塑性指数均小于素土的塑性指数8.5，纤维改良土的塑性指数均大于素土的塑性指数8.5，这说明水泥对土颗粒的塑性指数有减小效果，纤维对土颗粒的塑性指数有增大效果。水泥-纤维改良条件下，塑性指数变化趋势不单一。当水泥掺量为1%、2%时，塑性指数随纤维掺量的增加前期在增大；水泥掺量为3%、4%时，塑性指数随纤维掺量的增加前期在降低。这说明水泥与纤维掺量存在一个比值，使塑性指数的变化趋势发生改变。

2.2击实试验

通过击实试验，测得改良土的最大干密度、最优含水率随改良剂掺量的变化趋势分别如图8、图9所示。

由图8可知，土颗粒的最大干密度随纤维掺量的增加逐渐变大，随水泥掺量的增加逐渐变小，说明纤维对土颗粒最大干密度有增大效果，水泥对土颗粒最大干密度有减小效果。

由图9可知，土颗粒的最优含水率随纤维掺量的增加逐渐变小，随水泥掺量的增加逐渐变小，说明纤维对土颗粒的最优含水率有减小效果，水泥对土颗粒最优含水率有增大效果。

3改良土的力学性质研究

按照击实试验所得最大干密度、最优含水率数据，配置压实度为96%的不同掺量改良土试样，试样直径为50 mm，高度为100 mm。每种掺量改良剂制备4个，其中2个试样标准养护7 d（非饱和试样）；剩余2个试样先标准养护6 d，再浸水养护1 d（饱和试样）。而后开展无侧限抗压强度试验，得到两种养护条件下的无侧限抗压强度与改良剂掺量关系曲线，如图10所示。

由图10（a）可知，非饱和素土试样的无侧限抗压强度为37.7kPa。素土试样无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加逐渐增大，增大效果（水泥掺量每增加1%时，试样无侧限抗压强度较素土试样增大率）由大到小排序为：80.1%（水泥掺量为1%）＞70.1%（水泥掺量为4%）＞66.8%（水泥掺量为3%）＞55.6%（水泥掺量为2%）。素土试样无侧限抗压强度随纤维掺量的增加先增大后降低，当纤维掺量为10%时，无侧限抗压强度为34kPa，当纤维掺量为12%时，无侧限抗压强度为22.6kPa，均小于原素土试样无侧限抗压强度。当水泥掺量＞2%时，水泥-纤维综合改良效果显著。当水泥掺量2%时，纤维掺量为6%的试样无侧限抗压强度最大，为381.1kPa，较素土试样增大了910.9%，较2%水泥改良土试样（79.2kPa）增大了381.2%，较6%纤维改良土试样（56.6kPa）增大了574.6%。当水泥掺量3%时，纤维掺量为6%的试样无侧限抗压强度最大，为535.9kPa，较素土试样增大了910.9%，较3%水泥改良土试样（113.2kPa）增大了373.4%，较6%纤维改良土试样（56.6kPa）增大了846.8%，较2%水泥+6%纤维改良土试样增大了154.8kPa。当水泥掺量＜4%时，试样的无侧限抗压强度曲线呈“∧”，先增大后减小。

由图8（b）可知，水泥掺量为0时的饱和试样无侧限抗压强度为0kPa，说明纤维改良土的水稳性较差，且饱和试样的无侧限抗压强度较非饱和试样均有所减小。不同掺量试样的折减率如图9所示。

由图9可知，水泥掺量越大，饱和后试样无侧限抗压强度折减率越小，遇水越稳定，这与前文水泥对土的改良主要发生的反应相呼应。试样无侧限抗压强度折减率随纤维掺量的增加逐渐增大，说明纤维会降低试样的水稳性。

4结语

本文以东部某省高速公路路基细颗粒土为研究对象，基于界限含水率试验、击实试验、无侧限抗压强度试验，研究水泥及纤维对其物理力学性质的改良效果。得到如下主要结论：

（1）纤维对土颗粒的液限、塑限均有减小效果，水泥对土颗粒的液限、塑限均有增大效果；纤维、水泥单独改良时，其掺量与塑性指数呈负相关，但纤维改良土对塑性指数有增大效果，水泥对塑性指数有减小效果。

（2）土颗粒最大干密度与纤维掺量呈正相关，与水泥掺量呈负相关；最优含水率与纤维掺量呈负相关，与水泥掺量呈正相关。

（3）当水泥掺量＜4%时，试样的无侧限抗压强度曲线呈“∧”，先增大后减小；水泥+纤维综合改良效果远优于二者单独改良。

（4）试样遇水不稳定，易崩解，导致饱和试样的无侧限抗压强度较非饱和试样小，水泥掺量越大，改良土试样的水稳性越高，纤维掺量越大，试样水稳性越低。

参考文献：

［1］王博.高速公路路基石灰改良土试验研究［J］.西部交通科技，2016（3）：38-40，79.

［2］王泽成，李栋伟，秦子鹏，等.季节冻土区纤维改良路基土冻胀融沉特性研究［J］.森林工程，2023，39（4）：145-154.

［3］崔宏环，赵嘉，胡峻晖，等.水泥粉煤灰改良粗粒土路基填料力学与收缩特性［J］.铁道建筑，2023，63（3）：137-142.

［4］王传福.基于水泥改良沉积粉细砂路床的力学性能研究［J］.公路，2023，68（1）：75-79.

［5］冯卡，赵民.公路路基水泥改良土强度与液性指数的关系研究［J］.中外公路，2020，40（6）：248-252.

作者简介：潘立鹏（1990—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16