水泥改良路基细颗粒弃土的抗压强度与特性分析

摘要：将工程建设中产生的细颗粒弃土采用水泥改良后将其资源化利用，可以有效减少工程投资，但水泥对细颗粒土抗压强度的影响规律尚不清楚，强度提高的微观机理还没有揭示。为此，采用无侧限抗压试验研究了水泥掺量，养护龄期对无侧限抗压特性的影响，并采用扫描电镜试验揭示水泥的改良机理。研究结果表明：细颗粒土中掺入水泥可以显著提供无侧限抗压强度及弹性模量E50，水泥改良细颗粒土具有早强性能；随着水泥掺量的增加和养护时间的增加，试样单位体积内的总能量在逐渐增加，水泥改良可以显著提高细颗粒土的无侧限抗压强度。

关键词：细颗粒土；水泥；无侧限抗压；微观结构

中图分类号：TQ172.7文献标志码：A文章编号：1001-5922（2025）01-0059-04

Analysie of compressive strength and characteristics of fine-grained soils for cement-improved roadbeds

ZHANG Bin1，ZHAO Chengwei2

（1.China Construction Infrastructure Co.，Ltd.，Beijing 100089，China；

2.Guangxi Transportation Science Engineering Construction Co.，Ltd.，Nanning 530012，China）

Abstract：The fine-grained spoil generated in the construction of the project can be effectively reduced by using ce⁃ment to improve its resource utilization，but the influence of cement on the compressive strength of fine-grained soil is not clear，and the microscopic mechanism of strength improvement has not been revealed.Therefore，the effects of cement content and curing age on the unconfined compressive characteristics were studied by unconfined com⁃pressive test，and the improvement mechanism of cement was revealed by scanning electron microscope test.There⁃sults showed that cement doping in fine-grained soil significantly provided the unconfined compressive strength and modulus of elasticity E50，and the cement-improved fine-grained soil had the property of early-strengthening.The total energy per unit volume of the specimen increased gradually with the increase of cement doping and the in⁃crease of the maintenance time，the cement improvement can significantly improve the unconfined compressive strength of fine-grained soils.

Key words：fine-grained soil；cement；unconfined compressive strength；microstructure

我国幅员辽阔，地形地貌复杂多变，地质条件变化多样，线路交通基础设施建设中，多用到线路沿线工程建设产生的弃土和弃渣，一方面可以减少从其他地域运输填料产生的工程建设投资，另一方面还可以减轻弃土弃渣带来的环境污染问题，拓展弃土弃渣资源化利用的应用场景。

细颗粒土在我国广泛分布，具有抗剪强度低、抗渗性能差、抗压刚度不足以及遇水后强度及刚度显著下降的力学特性。为能更好的利用细颗粒土，做到资源化利用，需要对其进行改良。

常用的细颗粒土改良方法主要有水泥、石灰、粉煤灰改良，此外还有在细颗粒土中掺入化学高分子材料来进行改良，但因水泥改良土应用范围广、改良效果好，目前已广泛应用在土体改良领域。刘万乐、李霞等[1-8]研究了水泥改良土的抗剪及抗压力学性能，研究表明，随着水泥掺量的增加，改良试样无侧限抗压强度随着水泥掺量先增大后减小，存在一个最优水泥掺量，但最优水泥掺量并不是一个定值，水泥最优掺量的范围在4～10%之间。陈雪峰、魏唐中等[9-11]通过扫描电镜试验、矿物成分检测试验得出，水泥在长时间的养护过程中，会生成胶凝物质，胶结相邻土颗粒，此种胶凝物质主要的成分为水化硅酸钙、水化硅铝酸钙等，与混凝土中的水化产物种类相同。赵丽君、成次次等[12-13]还研究了水泥改良土体的膨胀性能，研究表明在土中掺入一定比例的水泥后，土体中的膨胀性矿物会被溶蚀，水泥可以显著改善土体的膨胀性。但目前对水泥改良细颗粒土的研究还鲜有报道，很有必要对其进行深入研究。

基于此，本研究拟采用无侧限抗压试验，研究水泥改良土中水泥掺量及养护时间对无侧限抗压性能的影响，采用扫描电镜试验从微观角度揭示水泥对细颗粒土的改良机理。研究结果可为水泥改良细颗粒土的工程应用提供参考。

1试验材料与试验方法

1.1试验材料

本研究所用试验用土取自某在建高速公路路基，将试验用土取回后晾晒风干，而后测定其基本物理性质。因颗粒粒径较小，采用马尔文试验测定试验用土的颗粒级配，经测试知试验用土颗粒粒径全部小于2 mm，不均匀系数为6.2，曲率系数为1.7，表明土颗粒粒径分布均匀且级配良好。采用击实试验确定试验用土的最大干密度及最优含水率。

经测试所用细颗粒土最大干密度为1.86 g/cm3，最优含水率为13.3%，且通过饱和曲线可知，试验用土的最优饱和度为80%。

试验所用水泥为普通硅酸盐水泥，型号P.C42.5。

1.2试验方案与试样制备

为研究养护龄期对细颗粒土强度的影响，对养护时间为3、7、14、28 d的细颗粒水泥改良土（以下简称水泥改良土）进行无侧限抗压试验，以明确养护时间对水泥改良土无侧限抗压强度的影响规律[14]。为研究水泥掺量对无侧限抗压强度的影响，对水泥掺量为2%、4%、6%、8%的改良试样进行研究，为从微观角度揭示水泥对细颗粒土的改良机理，对部分水泥改良土进行SEM试验[15]。

式中：cc为水泥掺量，单位%；mc为干水泥质量，单位g；ms为干土质量，单位g。

将试验所用细颗粒土与水泥放入105℃烘箱烘干后，按照式（1）计算水泥掺量，采用手动拌合均匀后，按照目标含水率喷洒一定质量的水配置为试验用土，装入塑料袋中密封保存24 h后进行制样。制样方案采用静压成型制样方法，分五层静压为高度100 mm，直径50 mm的圆柱样，而后进行标准养护。

2试验结果与分析

2.1无侧限抗压特性分析

水泥改良土应力-应变曲线如图1所示。

由图1可知：不同水泥掺量改良土的无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加逐渐增大，相较于未改良细颗粒土，水泥改良土应力-应变曲线更陡，掺入水泥显著提高了细颗粒土的弹性模量，但无侧限抗压强度随着水泥掺量增加而增大并非是由于不同掺量下改良土的弹性模量有较大差异，因为图1（a）中，掺入水泥试样的应力-应变曲线在初始阶段聚在一起，并没有随着水泥掺量的增加应力-应变曲线变得更陡，故无侧限抗压强度提高的原因是由于掺入水泥后弹性阶段延长，峰值应变增大。养护龄期对应力-应变曲线的影响如图1（b）所示，随着养护龄期的增加，试样应力-应变曲线逐渐变得更陡，峰值强度变得更大，但试样的峰值应变在逐渐减小，反映出水泥改良试样随着养护时间的增加，脆性逐渐增强，故无侧限抗压强度随养护龄期增加的原因并非是由于峰值应变增加导致的，而是由于养护时间越长的试样具有更高的弹性模量。

水泥改良土割线模量的变化如图2所示。

由图2可知，随着应变的增加，割线模量首先保持不变，反映出该阶段试样的变形处于弹性阶段，随后割线模量随着应变增加缓慢减小，反映出该阶段试样的变形为弹塑性变形，而后割线模量显著降低，表明试样应变超过峰值应变后强度急剧下降，此后进入残余强度阶段，从不同水泥掺量割线模量演化图可以发现，水泥改良试样在较小的应变就达到了峰值强度，而未改良的细颗粒土在达到了较大的应变后才达到了峰值应力，养护龄期对割线模量的影响如图2（b）所示，随着养护龄期的增加，初始割线模量在显著增大，养护时间在7～14 d阶段，水泥改良土割线模量增加最为显著。

水泥改良土弹性模量的变化如图3所示。

由图3可知，掺入水泥后可以显著提高细颗粒土的弹性模量，但水泥掺量对弹性模量的影响较小，将水泥改良土弹性模量与未改良细颗粒土的弹性模量之比定义为E50增大系数，掺入水泥养护7d以后，E50增大系数就达到了2.23以上，掺入水泥可以显著提高细颗粒土的弹性性能。养护时间对弹性模量的影响如图3（b）所示，随着养护时间的增加，弹性模量逐渐增加，即便只养护3 d，E50增大系数就达到了1.73，说明水泥改良细颗粒土具有显著的早强性能。

在试样达到峰值应力前，试样变形经过了弹性阶段和弹塑性阶段，在达到峰值应力之前，试样的总能量可以分为两部分，一部分是由弹性变形引起的弹性能，另一部分是由颗粒间的摩擦、滚动导致的耗散能，能量计算如图4所示。

由图4可知，试样在达到峰值应力时的总能量由①和②两部分组成，总能量对应力-应变曲线积分即可以得到，弹性能通过三角形的面积计算，三角形斜边的斜率为应力-应变曲线的初始模量，由于本试验中初始割线模量与弹性模量E50相等，故三角形斜边的斜率为弹性模量E50，耗散能则通过总能量减去弹性能获得。

水泥改良土在达到峰值应力时的单位体积总能量变化如图5所示。

由图5可知，随着水泥掺量的增加，试样单位体积内的总能量在逐渐增加，表明随着水泥掺量的增加，试样内部的结构更加致密，能抵抗更多的外部荷载，同样随着养护龄期的增加，试样单位体积内的总能量在增加，养护时间在7～14 d范围内，试样能量增加最为显著。将单位体积试样在受压过程中的耗散能和总能量之比定义为损伤因子，水泥掺量对损伤因子的影响如图5（a）所示，说明掺入水泥改良以后，不仅增大了改良土的总能量，也增大了改良土的耗散能，掺入水泥改良细颗粒土增大耗散能的原因主要是由于水泥掺入以后生成胶凝物质将细颗粒土相互胶结，土颗粒之间通过胶凝物质联结，相比于未改良的细颗粒土，土颗粒之间可以滑移更大的距离而不会形成贯通裂缝，故水泥改良土的耗散能更大。

2.2微观机理

未改良细颗粒土和水泥改良细颗粒土的微观结构如图6所示。

由图6可知，未改良细颗粒土呈扁平片状，颗粒与颗粒之间咬合紧密，主要接触形式为面面接触和面边接触，水泥改良土中土颗粒表面附着有水泥水化形成的针状水化产物，主要为水化硅酸钙及水化硅铝酸钙，生成的水化产物填充在填充在土颗粒孔隙之间，胶结了相邻土颗粒，相比于未改良的细颗粒土，水泥改良土的土颗粒之间不仅有土颗粒之间的相互咬合和摩擦这种机械力作用，还由于水泥水化形成胶结物胶结土颗粒，增加了土颗粒之间的胶结力，所以水泥改良土的强度更高，弹性模量更高。

3结语

本文通过研究水泥改良土的无侧限抗压性能，明确了水泥掺量及养护时间对水泥改良土无侧限抗压强度、弹性模量E50、能量演化等力学特性，并通过SEM试验揭示了水泥改良细颗粒土的改良机理，主要得到了以下结论：

（1）水泥改良细颗粒土无侧限抗压强度随养护龄期增加的原因并非是由于峰值应变增加导致的，而是由于养护时间越长的试样具有更高的弹性模量，但无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加而增加的原因主要是由于峰值应变增加导致的；

（2）掺入水泥养护7d以后，E50增大系数就达到了2.23以上，即便只养护3 d，E50增大系数就达到了1.73，掺入水泥不但可以显著提高细颗粒土的弹性模量，还具有显著的早强性能；

（3）随着水泥掺量的增加和养护时间的增加，试样单位体积内的总能量在逐渐增加，养护时间在7～14 d范围内，试样能量增加最为显著，且未改良细颗粒土的损伤影子为0.18，掺入水泥改良以后损伤因子增大至0.24以上，掺入水泥改良以后，不仅增大了改良土的总能量，也增大了改良土的耗散能；

（4）水泥改良土中土颗粒表面附着有水泥水化形成的针状水化产物，主要为水化硅酸钙及水化硅铝酸钙，生成的水化产物填充在土颗粒孔隙之间，胶结了相邻土颗粒，增强了土颗粒之间的胶结作用，故水泥改良可以显著提高细颗粒土的无侧限抗压强度。

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（责任编辑：张玉平）