水泥改良紅砂巖填料水穩(wěn)定性試驗研究

羅元煉

(湖南交通國際經(jīng)濟工程合作有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

紅砂巖是基礎(chǔ)工程建設(shè)中常見的一種巖土材料，其抗壓強度低、抗風(fēng)化能力弱、遇水易膨脹崩解，用作路基填料將影響路基穩(wěn)定性和耐久性[1-2]。因此，紅砂巖填料在鐵路、道路路基工程中應(yīng)用受到限制[3-4]。通常摻加一定劑量的水泥、石灰等改良劑對其進(jìn)行處治，以提高填料的強度和穩(wěn)定性。目前，學(xué)者對紅砂巖改良應(yīng)用進(jìn)行了一定研究。馬滔[5]研究發(fā)現(xiàn)蘭州地區(qū)紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)與經(jīng)驗值相差較大，并分析了水泥、石灰、粉煤灰等改良劑對紅砂巖抗剪強度參數(shù)的影響。王帥等[6]研究表明直接采用紅砂巖填料填筑路基，路基產(chǎn)生不均勻沉降；選用水泥改良紅砂巖填料，當(dāng)水泥劑量≥4%時滿足路基強度要求。朱彥鵬等[7]基于正交試驗方法研究了水泥摻量、黃土摻量和含水率對改良紅砂巖抗剪強度的影響規(guī)律。雷潤杰[8]、高慧芳等[9]研究表明水泥改良紅砂巖效果優(yōu)于石灰。

我國各地氣候與地質(zhì)不同，紅砂巖成分相差較大、物理力學(xué)性質(zhì)不一。目前關(guān)于水泥改良紅砂巖填料水穩(wěn)定性研究較少。因此本文選用水泥對紅砂巖進(jìn)行改良，通過水穩(wěn)定性試驗、CBR試驗和干濕循環(huán)試驗研究水泥改良紅砂巖填料水穩(wěn)定性，可為實際工程提供參考。

1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

1.1.1紅砂巖

紅砂巖取自安徽某在建路取土場，其干燥與飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度分別為18.9、11.8MPa。紅砂巖礦物成分組成見表1，風(fēng)化碎屑物顆粒組成和物理力學(xué)性質(zhì)分別見表2和表3。紅砂巖中長石和蒙脫石含量較高，在外界環(huán)境因素影響下易發(fā)生風(fēng)化崩解[10]，風(fēng)化碎屑物以0.072～2mm的砂粒為主，不均勻系數(shù)Cu=4.0，曲率系數(shù)Cc=0.9，根據(jù)規(guī)范[11]可判斷紅砂巖碎屑物屬于低液限級配不良中砂。

表1 紅砂巖礦物成分組成%石英云母長石蒙脫石76.542.9613.886.62

表2 紅砂巖風(fēng)化碎屑物篩分試驗結(jié)果篩孔/mm質(zhì)量百分率/%篩孔/mm質(zhì)量百分率/%60100.02.00080.740100.01.00078.12095.40.50069.91091.40.25041.4586.70.0754.1

表3 紅砂巖風(fēng)化碎屑物物理力學(xué)性質(zhì)液限/%塑限/%塑性數(shù)最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)23.113.29.99.382.0716.228.1

1.1.2水泥

水泥選用安徽海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P·O42.5，技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 水泥技術(shù)性質(zhì)細(xì)度/%凝結(jié)時間/min初凝終凝安定性燒失量/%抗壓強度/MPa抗折強度/MPa3 d28 d3 d28 d1.1138301合格1.0524.548.75.07.4

1.2 試驗設(shè)計

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)拌和水泥改良紅砂巖風(fēng)化碎屑物，按最佳含水率成型試件并養(yǎng)生，通過水穩(wěn)定性試驗、CBR試驗和干濕循環(huán)試驗研究其水穩(wěn)定性，分析水泥劑量、壓實度、養(yǎng)生齡期及外界環(huán)境因素對水泥改良紅砂巖無側(cè)限抗壓強度影響規(guī)律。試驗中，紅砂巖風(fēng)化碎屑物最大粒徑不超過40mm，擬摻加水泥劑量為3%、4%、5%、6%，壓實度為93%、95%、98%，養(yǎng)生齡期為7、28 、90d，每組試驗采用6個試件。水穩(wěn)定性試驗和干濕循環(huán)試驗中采用靜壓法成型試件，尺寸為φ100mm×100 mm(直徑×高)，選用萬能試驗機測定試件無側(cè)限抗壓強度，加載速率為1mm/min；CBR試驗采用擊實法成型試件，尺寸φ102mm×116mm(直徑×高)。

1.2.1水穩(wěn)定性試驗

將試件分為兩組，一組達(dá)到養(yǎng)生齡期時，直接測定試件無側(cè)限抗壓強度；另一組達(dá)到養(yǎng)生齡期前1 d，將試件從養(yǎng)生室取出，浸泡于(20±2)℃水槽中，測定試件飽水1 d無側(cè)限抗壓強度。采用水穩(wěn)系數(shù)評價水泥改良紅砂巖填料水穩(wěn)定性，計算公式見式(1)。

(1)

式中：δcT為養(yǎng)生齡期T(d)下試件水穩(wěn)系數(shù)，%；RcBT、RcT為養(yǎng)生齡期T(d)下試件飽水無側(cè)限抗壓強度和不飽水無側(cè)限抗壓強度，MPa。

1.2.2CBR試驗

參照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)進(jìn)行CBR試驗，擬試件浸水時間分別為1、4、7 d。

1.2.3干濕循環(huán)試驗

在養(yǎng)生齡期前1 d，將試件從養(yǎng)生室中取出，浸泡于(20±2)℃水槽中一晝夜后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。干燥階段采用自然風(fēng)干方式，當(dāng)試件質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件質(zhì)量相差±2 g內(nèi)，認(rèn)為試件達(dá)到干燥狀態(tài)；加濕階段直接將干燥后的試件置于(20±2)℃水槽中，浸泡12 h。試件干濕循環(huán)完畢后測定無側(cè)限抗壓強度，擬干濕循環(huán)次數(shù)分別為1、3、5、7、9、12次。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 水穩(wěn)定性試驗

2.1.1無側(cè)限抗壓強度

水泥改良紅砂巖無側(cè)限抗壓強度增長規(guī)律見圖1。

由圖1可知：

1)壓實度和養(yǎng)生齡期一致條件下，不同水泥劑量的改良紅砂巖無側(cè)限抗壓強度增長曲線一致，抗壓強度隨水泥劑量增加逐漸提高，而提高速率不斷減小。其中，養(yǎng)生齡期7d時，增加水泥劑量對改良紅砂巖抗壓強度增長效果最好，水泥劑量由3%增加至4%，改良紅砂巖抗壓強度提高20%以上；由4%增加至5%，抗壓強度提高約為14.5%；由5%增加至6%，抗壓強度提高約為8.0%。

2)養(yǎng)生齡期或壓實系數(shù)增加，水泥改良紅砂巖抗壓強度增加。這是因為隨齡期增長，水泥水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，生成的水化硅酸鈣、水泥鋁酸鈣等凝膠物質(zhì)與紅砂巖材料發(fā)生膠結(jié)作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強，抗壓強度提高；而隨著壓實系數(shù)增加，水泥改良紅砂巖結(jié)構(gòu)密實性加大，孔隙率減小，從而抗壓強度提高。水泥改良紅砂巖7、28 d抗壓強度分別約為90 d抗壓強度的59%、85%，說明養(yǎng)生齡期超過28 d后，抗壓強度增長變緩。以養(yǎng)生齡期7 d為例：當(dāng)壓實系數(shù)由93%增加至95%，改良紅砂巖抗壓強度提高12.5%以上；壓實系數(shù)由95%增加至98%，抗壓強度提高約11.5%，可見隨壓實度增加，水泥改良紅砂巖提高效果減弱。

a)K=93%

2.1.2水穩(wěn)系數(shù)

水泥改良紅砂巖水穩(wěn)系數(shù)變化規(guī)律見圖2。

a)K=93%

由圖2可知：

1)浸水養(yǎng)生1 d后，改良紅砂巖抗壓強度大幅下降，水穩(wěn)系數(shù)在49.9%～73.6%之間。不同水泥劑量、不同壓實度下改良紅砂巖抗壓強度下降程度不一。

2)隨水泥劑量增加，水泥改良紅砂巖水穩(wěn)系數(shù)逐漸提高，說明摻入水泥后，其水穩(wěn)定性提高。當(dāng)水泥劑量由3%增加至4%，改良紅砂巖水穩(wěn)系數(shù)提高8.0%以上；水泥劑量≥4%時，水穩(wěn)系數(shù)平均提高3.6%。另外，水泥改良紅砂巖水穩(wěn)系數(shù)隨養(yǎng)生齡期增加逐漸提高，其7、28 d水穩(wěn)系數(shù)約分別是90 d水穩(wěn)系數(shù)的86%、97%，這是因為水泥前期水化反應(yīng)速度大于后期，當(dāng)養(yǎng)生齡期超過28 d，水化反應(yīng)速度減緩，生成的凝膠水化產(chǎn)物含量緩慢增長，從而水穩(wěn)系數(shù)提高幅度較小。

2.2 CBR試驗

水泥改良紅砂巖CBR試驗結(jié)果見圖3。試件養(yǎng)生7 d，壓實度為95%。

圖3 水泥改良紅砂巖CBR試驗

由圖3可知，隨浸水時間增加，不同水泥劑量的改良紅砂巖CBR值變化規(guī)律不一致。當(dāng)水泥劑量為3%時， CBR值隨浸水時間增加而減小，浸水時間每增加1 d，CBR值平均降低2.5%；當(dāng)水泥劑量≥4%，水泥改良紅砂巖CBR值隨浸水時間先增大后減小。這是因為紅砂巖中摻入較高劑量的水泥，水泥水化產(chǎn)物與材料的膠結(jié)作用增強，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性加大，在浸水前期時CBR值增長幅度高于因浸水引起的損失；而隨著浸水時間增加，過量的水改變了水化反應(yīng)環(huán)境，從而水泥改良紅砂巖CBR降低。

2.3 干濕循環(huán)試驗

水泥改良紅砂巖干濕循環(huán)試驗結(jié)果見圖4，試件壓實度為95%。

由圖4可知：

1)干濕循環(huán)條件下，不同水泥劑量和養(yǎng)生齡期的水泥改良紅砂巖抗壓強度變化趨勢相近，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，改良紅砂巖抗壓強度逐漸減小，即水穩(wěn)定性下降。在養(yǎng)生齡期28 d時，水泥改良紅砂巖干濕循環(huán)1、7、12次的抗壓強度較無干濕循環(huán)的抗壓強度分別降低了13.2%～23.9%、26.3%～58.1%、28.3%～64.1%；而養(yǎng)生齡期90 d時，則分別降低了6.8%～13.8%、16.3%～31.9%、17.0～36.2%。另外，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，水泥改良紅砂巖28 d抗壓強度與90 d抗壓強度的比值逐漸減小，干濕循環(huán)12次時比值不超過74%，說明隨養(yǎng)生齡期增加，水泥改良紅砂巖水穩(wěn)性得到提高。

a)28 d

2)同一干濕循環(huán)次數(shù)下，水泥劑量增加對抗壓強度提高效果增強。干濕循環(huán)7次時，水泥劑量每增加1%，改良紅砂巖28、90 d抗壓強度分別提高16.5%、9.5%以上；干濕循環(huán)12次時，水泥劑量每增加1%，改良紅砂巖28 、90 d抗壓強度分別提高19.7%、11.1%以上。這是因為水泥劑量增加，生成的水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)含量增多，通過與紅砂巖材料發(fā)生膠結(jié)作用有效地阻礙了外界水分的進(jìn)入，抑制了干濕循環(huán)作用對改良紅砂巖結(jié)構(gòu)的破壞。另外，同一壓實度下，6%水泥改良紅砂巖干濕循環(huán)12次的28、90 d抗壓強度分別與無干濕循環(huán)的7、28 d的抗壓強度相當(dāng)。

3 結(jié)論

1)隨水泥劑量、壓實系數(shù)或養(yǎng)生齡期的增加，水泥改良紅砂巖無側(cè)限抗壓強度逐漸提高；水泥改良紅砂巖浸水養(yǎng)生1 d后抗壓強度降低顯著，水穩(wěn)系數(shù)在49.9%～73.6%之間。

2)水泥劑量對改良紅砂巖CBR值影響規(guī)律不一致，3%水泥劑量的改良紅砂巖浸水時間每增加1 d，CBR平均降低2.5%；水泥劑量≥4%的改良紅砂巖CBR先增大后減小，浸水10 d后CBR降低在9.0%左右。

3)隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，水泥改良紅砂巖水穩(wěn)定性變差，干濕循環(huán)12次的28、90 d抗壓強度分別降低了28.3%～64.1%、17.0%～36.2%；隨水泥劑量或養(yǎng)生齡期增加，干濕循環(huán)條件下改良紅砂巖抗壓強度提高，水泥劑量增加1%，改良紅砂巖干濕循環(huán)12次的28、90 d抗壓強度分別提高19.7%、11.1%以上。