基于水泥和粉煤灰改良固化路基土的力学性能研究

摘要：文章结合具体工程背景，对水泥和粉煤灰改良路基土的强度和变形情况进行室内试验研究。结果表明：（1）早期粉煤灰对路基土的强度提升不明显，但随龄期增长，路基土破坏特性由塑性向脆性转变，加入粉煤灰加速了这一转变，且随龄期增长趋势增强；（2）水泥比例越高，固化土抗压强度越大；（3）强度随龄期增长不均，初期快中后期放缓；（4）随粉煤灰掺量增加，无侧限抗压和弯拉强度先增后减，最佳掺量为14%～18%，合理的掺量可提高承载力，有效弥补常规土的不足。研究成果可为路基的设计、施工和维护提供理论依据和实践指导。

关键词：水泥；粉煤灰；改良固化；路基土；室内试验

中图分类号：U416.1文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.004

文章编号：1673-4874（2024）11-0011-04

引言

路基作为公路及铁路的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到线路和行车的安全。然而在实际建设中，尤其是在一些地质条件复杂、土质较差的地区，路基土常存在承载能力不足、变形大等问题。在众多路基土改良方法中，基于水泥和粉煤灰的改良固化技术受到了广泛关注。水泥作为一种传统的土木工程材料，其粘结性和硬化性能能够有效提升土体的强度；而粉煤灰作为一种工业废弃物，经过适当处理后可作为一种优质掺合料，不仅能够改善土的流动性和硬化性能，还能增强土体的耐久性和稳定性。掺入一定比例粉煤灰的水泥不仅能够增加路基土的强度，还能提高路基土的稳定性。因此，探究水泥和粉煤灰对路基土力学性能的影响规律，揭示其固化机理和效果尤为关键。

近年来，各学者对水泥和粉煤灰在路基土改良中的应用进行了广泛研究。张文豪、崔宏环和肖东旭等［1-3］研究发现水泥和粉煤灰混合使用对泥炭质土、粗粒土以及水泥土的力学性能的改良效果。研究普遍认为，适量的水泥和粉煤灰混合可以显著提高土的抗压强度、抗剪强度等力学性能。邵俐等［4］探讨了不同因素对改良效果的影响，包括水泥和粉煤灰的掺量、混合比例、养护条件、龄期等。杨有海和陈峰等［5-6］对水泥和粉煤灰改良路基土的机理进行了分析，研究认为，水泥和粉煤灰中的活性成分与水发生水化反应，形成胶凝物质，填充土的孔隙，增强了土的密实性和内聚力，从而提高了土的力学性能。随着研究的深入，一些研究开始关注如何评估改良后路基土的性能，并制定相应的技术标准。例如，丁鹏飞和崔琦［7-8］研究了如何评估水泥稳定路基土的力学特性，并提出了相应的性能指标和评估方法。

综上所述，水泥和粉煤灰在路基土改良中的应用已得到了广泛关注和研究。然而，由于地质条件、环境因素及施工水平的差异，不同地区和工程对路基土改良的需求和效果可能存在差异。因此，本研究将结合具体工程背景，对水泥和粉煤灰改良路基土的强度和变形情况进行大量的室内试验研究，以期为实际工程提供更为准确和有效的理论指导。

1材料及试验方案

试验用土取自成昆铁路复线（新成昆铁路）越西段的路基土。该路段地质条件复杂，在荷载的长期作用下，易影响行车的安全。通过进行无侧限抗压强度与弯拉强度试验，在路基填料中添加改良剂进行改良固化，探究水泥粉煤灰对试验土的力学性能影响。无侧限抗压强度试验可直接反映路基土的强度及变形等性能，而弯拉强度则能评估路基在外界环境作用下底部是否易出现弯拉应力进而产生拉应变，这对路基的正常使用至关重要。

1.1试验材料

本试验用土的物理性质参数见表1。将试验土、改良固化剂和水进行配比，试验用水采用自来水，选用水泥与粉煤灰作为改良固化剂。其中，水泥为普通硅酸盐42.5级别水泥，其基本物理性质参数见下页表2，粉煤灰选用当地某燃煤电厂生产的普通工业废弃物粉煤灰，其基本性质见下页表3。填料的改良固化方案参考《铁路路基设计规范》（TB10001-2016）［9］B.4中关于采用水泥和粉煤灰掺入量的指导原则，试验掺入比设置见下页表4。

1.2无侧限抗压强度试验方案

在试验中，采用了JJ-5水泥胶砂搅拌机、ZT-96型水泥胶砂振实台、泰斯特万能试验机、微机控制压力试验机、恒温恒湿养护箱、称量器、试验模具等仪器。

按照预定的配合比，将水泥、粉煤灰、试验土和水混合，使用水泥胶砂搅拌机搅拌均匀；将混合好的浆料倒入制件模具中，使用水泥胶砂振实台进行振实，确保试件内部无空隙；等试件制备完成后，用湿布覆盖，避免直接阳光照射和干燥过快；随后将制备好的试件放入恒温恒湿养护箱中，设定温度为20±3 ℃，湿度为95%。在养护期间，定期检查试件的状态，确保无异常。根据试验设计，在不同龄期（如7 d、14 d、28 d、60 d）取出试件进行无侧限抗压试验。将试件从养护箱中取出，用湿布擦拭表面，去除多余的水分；将试件放置在微机控制压力机的加压平台上，调整试件与压力机的对中，确保受力均匀；以恒定的速率1 mm/min施加压力，记录试件破坏时的最大压力值；根据试件尺寸和最大压力值；计算无侧限抗压强度；记录每个试件在不同龄期下的无侧限抗压强度值，分析整理无侧限抗压强度随龄期的变化规律。

RW=PA=4PπD2（1）

式中：RW——无侧限抗压强度（MPa）；

P——试件破坏时记录的最大荷载（N）；

A——试验试件的底面积（mm2）；

D——试件的直径（mm）。

基于水泥和粉煤灰改良固化路基土的力学性能研究/文仲泽

1.3弯拉强度试验方案

在制备试件前，在装入模具前的10 min内将水泥粉煤灰改良剂添加到浆料中，并进行充分搅拌以确保均匀混合。随后，将混合好的材料倒入试件模具中，并用工具捣实以确保试件的密实度。待试件成型后及时拆除模具，并进行标准养护，养护期长达90 d，并在最后一天进行浸水处理。完成养护后，使用万能试验机对试件进行加载，加载的速率控制在50 mm/min。同时，实时记录荷载数据，在试件发生弯拉破坏时，获取最大荷载值。最后，根据式（2）计算试件的弯拉强度以评估其性能。

Rs=PsLb2h（2）

式中：Rs——弯拉强度（MPa）；

Ps——破坏时的最大荷载（N）；

b——试件的宽（mm2）；

h——梁试件的高（mm）；

L——加载模具两支点的距离（mm）。

2试验结果

2.1无侧限抗压强度试验结果

图1所示为水泥掺入比αw=14%时试样土的应力应变关系曲线。由图1可知，在开始受力的早期阶段，应力应变呈现出近似线性的增长关系。然而，当荷载超过某个阈值荷载后，增长变得缓慢。此外，还可以观察到，无论是否掺加粉煤灰，随着龄期的增长，改良固化土破坏应变先增长后减小，破坏特性由塑性破坏逐渐转变为脆性破坏，且60 d的试样土更加明显。

水泥和粉煤灰掺量对试样土强度的影响见图2。粉煤灰的掺入量对早期的试样强度影响不大，试样强度主要受到水泥掺入量的影响，这说明早期改良剂的化学反应还不完全。此外，当水泥掺量较低时，过量的粉煤灰反而可能导致强度下降，造成这一现象的原因是过高的粉煤灰掺量会使水泥与土颗粒间的粘结反应产生的土团结构减少，从而降低强度。这说明粉煤灰在一定程度上属于惰性材料。随着水泥掺量的增加，试样抗压强度也随之增加。

龄期对试样土强度的影响见后页图3。由图3可得，在试验龄期内，在不同粉煤灰掺量下，土的强度均随着养护龄期的增长而增长，最终趋于稳定，且增长速度为前期迅速，而后期相对缓慢。在试验过程中，试样内部的水泥持续进行水化反应，同时粉煤灰也发生聚合反应，这些反应产生的物质逐渐填充了试样土的内部孔隙，有效地提高了试样土的密实度。随着密实度的增加，试样土的整体结构得到了显著增强，进而提升了其抵抗变形和破坏的能力。

2.2弯拉强度试验结果

弯拉强度试验结果见后页图4。由图4可得，经过粉煤灰水泥的改良加固后，在早期（7 d）的养护龄期内，化学反应并未完全进行，在整体压实度一致的前提下，随着粉煤灰掺量的增加，混合料中颗粒之间的比例发生了变化，导致了试件整体强度的相应调整。此外，随着水泥粉煤灰掺量的逐步增加，弯拉强度呈现出先上升后下降的趋势。这意味着水泥和粉煤灰的掺量存在一个最佳的组合比例，使得填料的弯拉强度达到最优状态。这一发现对于优化粉煤灰水泥的掺配比例，提高改良加固效果具有重要意义。

3结语

本文全面探究了不同掺量水泥和粉煤灰作为改良剂对路基土力学性能的影响规律，分析养护龄期对固化路基土力学性能的影响机制，并提出适用于实际工程的水泥和粉煤灰改良固化路基土的优化方案。经过详细的试验及数据分析，得出以下结论：

（1）在早期阶段，粉煤灰对路基土强度的提升作用并不显著。然而，随着龄期的增长，无论是否掺加粉煤灰，路基土的破坏特性都会逐渐由塑性破坏向脆性破坏转变。此外，在同龄期条件下，除了早期（7 d）外，粉煤灰的加入加速了水泥土从塑性向脆性的转变，且这种趋势随着龄期的延长而愈发明显。

（2）固化剂中水泥的比例越高，改良固化土的无侧限抗压强度也相应增大。

（3）随着养护龄期的增长，改良固化土的强度不断提升，但增长过程并非均匀。在所有配合比和养护条件下，强度通常在养护初期迅速增加，而在中后期则增长放缓。

（4）在不同龄期，随着粉煤灰掺量的增加，无侧限抗压强度、弯拉强度等均呈现出先增后减的趋势。当粉煤灰掺量为14%～18%时，其抵抗破坏和变形的能力较优。同时，随着龄期的增长，强度和变形模量均显著提升，从而有效弥补了常规水泥土后期承载力不足的缺陷。

参考文献：

［1］张文豪，谢建斌，刘道炎，等.水泥-高钙粉煤灰改良泥炭质土力学性能研究［J］.河南理工大学学报（自然科学版），2020，39（5）：41-50.

［2］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.

［3］肖东旭，马芹永.粉煤灰水泥土力学特性试验研究［J］.安徽理工大学学报（自然科学版），2022，42（3）：23-28.

［4］邵俐，刘松玉，杜广印，等.水泥粉煤灰加固有机质土的试验研究［J］.工程地质学报，2008（3）：121-127.

［5］杨有海，梁波，丁立.粉煤灰与石灰、水泥拌合料的强度特性试验研究［J］.岩土工程学报，2001（2）：227-230.

［6］陈峰，赖锦华.粉煤灰水泥土变形特性实验研究［J］.工程地质学报，2016，24（1）：96-101.

［7］丁鹏飞，张振寰.水泥稳定路基土力学特性研究［J］.河北水利电力学院学报，2021，31（3）：58-61.

［8］崔琦.粉煤灰水泥土抗压强度影响因素试验研究［J］.土工基础，2022，36（1）：82-84，101.

［9］TB 10001-2016，铁路路基设计规范［S］.

作者简介：文仲泽（1983—），工程师，主要从事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16