近海沖洪積粉土水泥改良試驗(yàn)研究

韋 麗

Equipment technology 裝備技術(shù)

近海沖洪積粉土水泥改良試驗(yàn)研究

韋 麗

（南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院）

針對(duì)松鐵東岸高速公路合浦境內(nèi)路段近海沖洪積粉土作為路基填料時(shí)，存在強(qiáng)度不足，壓實(shí)控制困難，研究水泥改良粉土機(jī)理，提出水泥摻量設(shè)計(jì)公式，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定改良土膨脹量及CBR。結(jié)果表明：水泥摻量為3%即可滿足強(qiáng)度和變形控制的要求，且經(jīng)濟(jì)性最佳。

沖洪積粉土；水泥改良土；CBR

松鐵高速公路貫穿玉林市博白縣和北海市合浦縣境內(nèi)，該地區(qū)廣泛分布含砂低液限粉土。該地區(qū)粉土由于受到?jīng)_積、洪積以及近海沉積等作用的影響，其組成及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，特別是粉土的結(jié)構(gòu)變異性造成干密度差異大，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)控制困難。因而，此類粉土路基的地基處理及其養(yǎng)護(hù)維修較困難、工程成本較大。如果將此類粉土直接挖除，換填合格土，成本增加2-3倍，故而比較理想的解決方法使對(duì)粉土進(jìn)行改良，使得改良土的路基強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。

此類粉土采用物理改良效果有限，用粗粒土和細(xì)粒土進(jìn)行摻配，粗粒土形成骨架，細(xì)粒土填充，使得改良后的粉土較容易壓實(shí)[1]，但需要摻配較多的粗粒土才能滿足填料強(qiáng)度要求，工程實(shí)際應(yīng)用中難以在附近找到大量的粗粒土，有材料來源不足的問題。本項(xiàng)目采用摻配水泥改良的方法，由于水泥的水化硬化膠結(jié)作用以及硬凝反應(yīng)[2]，使得較低的水泥摻配量就可以顯著提高水泥改良土的強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性。

1 水泥改良粉土方案設(shè)計(jì)

1.1 水泥改良粉土機(jī)理

石灰、水玻璃、粉煤灰等無機(jī)結(jié)合料改良粉土主要利用其膠凝作用，來增加改良土的黏聚力。在選擇無機(jī)結(jié)合料時(shí)，發(fā)現(xiàn)石灰改良土浸水后強(qiáng)度退化較快，且適用于黏性土的改良，而水泥改良土浸水后其強(qiáng)度退化程度不明顯，適合砂土或粉土的改良。本項(xiàng)目是針對(duì)粉土改良，故選用水泥改良較為合適。

水泥改良粉土提高其強(qiáng)度的原理是：水泥水化反映生成的水化產(chǎn)物，將粉土顆粒包裹起來，粉土逐漸喪失塑性，隨著水化產(chǎn)物的增多，混合料越來越堅(jiān)固。同時(shí)還有粉土顆粒與水泥水化產(chǎn)物之間的吸附作用，水泥水化產(chǎn)物微顆粒的凝聚作用，均能夠較大程度提高混合料的強(qiáng)度。

1.2 水泥改良粉土影響因素

水泥改良土強(qiáng)度、水穩(wěn)定性的主要影響因素是水泥摻配量、粉土含水率、顆粒密度及0.075mm通過量。由于水泥水化反應(yīng)的作用，水泥改良土強(qiáng)度隨著水泥摻配量的增加而提高，當(dāng)水泥摻配量達(dá)到臨界值以上時(shí)，這種提高尤為顯著；水泥改良土強(qiáng)度隨著含水率增加而降低。當(dāng)達(dá)到最佳含水率時(shí)的混合料壓實(shí)更容易，強(qiáng)度提高效果更明顯。水泥改良土的CBR值可按下公式估計(jì)：

1.3 水泥改良土填料強(qiáng)度設(shè)計(jì)

由式（1）可知，影響填料強(qiáng)度的主要因素是水泥摻配量、含水率。而含水率的影響要比水泥摻配量的影響更為顯著，故要想增大填料強(qiáng)度，可通過現(xiàn)場(chǎng)施工中土的最佳含水率計(jì)算出水泥摻配量。經(jīng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)粉土天然含水率為22%左右，標(biāo)準(zhǔn)干密度時(shí)最佳含水率為13%左右。若采用16.5%的含水率設(shè)計(jì)水泥改良土摻配量，水泥摻配量分別達(dá)到2.0%，3.0%，4.5%和5.7%時(shí)，能夠滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范中對(duì)下路堤、上路堤和下路床、上路床填料最小強(qiáng)度要求。如果能夠進(jìn)一步降低含水率，則水泥摻配量也會(huì)更少。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，水泥改良土更適合用于下路床以下的部位，該部位以下對(duì)含水率和水泥摻配量要求沒有上路床高，也更為經(jīng)濟(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路摻配3%的水泥改良粉土，壓實(shí)效果改善顯著，強(qiáng)度提高較大。

2 試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 水泥改良粉土試驗(yàn)

試驗(yàn)方案分為三組，水泥摻量分為3%、4%和5%，每組九個(gè)試件，每種擊實(shí)功對(duì)應(yīng)三個(gè)試件，總共27個(gè)試件。水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥PC32.5，土料含水率按最佳含水率配制?？紤]養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，擬采取養(yǎng)護(hù)三天，浸水四天的方法，保證水泥土形成足夠的初期強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)步驟嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40?2007）中的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣制備的過程主要分為：烘干過篩、稱取土樣、配置一定含水率、拌和悶料和摻入水泥外加劑。具體步驟如下：

將取回來的天然土樣進(jìn)行烘干并碾碎過篩，為了保證土料與水泥外加劑混合均勻，要求碾碎后土體顆粒粒徑不大于10mm，靜置備用；土料按最佳含水率進(jìn)行配制，并悶料8小時(shí)，待土料水分分布均勻后，加入水泥外加劑和3%的水分?jǐn)嚢杈鶆?。水泥土攪拌后靜置30min，目的是為了保證水泥浸潤，產(chǎn)生足夠的水化熱，使水泥與土料充分結(jié)合；選用重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，將水泥土試料按三層法擊實(shí)成型，用修土刀削刮套筒表面，擦凈筒外壁，稱量；試件制成后，在試件底面安裝多孔板，在擊實(shí)筒上加4塊荷載板，防止粉土吸濕膨脹，影響實(shí)驗(yàn)效果；在裝有荷載板的試件外套上塑料袋，隔絕水分直接浸泡試樣，并放入養(yǎng)護(hù)室中，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為三天，養(yǎng)護(hù)溫度控制在20℃，養(yǎng)護(hù)濕度大于95%；將養(yǎng)護(hù)完成后的試件放入水槽中，泡水4晝夜，讀取泡水前后百分表的讀數(shù)；進(jìn)行路面材料CBR試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，整理結(jié)果。

2.2 水泥改良土膨脹量試驗(yàn)分析

通過膨脹量試驗(yàn)，對(duì)比素土和不同摻量的水泥土的膨脹量，得到表2的試驗(yàn)結(jié)果，再根據(jù)表中的試驗(yàn)結(jié)果分別繪制素土和水泥土的膨脹量變化曲線（圖1）。

表2 膨脹量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 素土和改良土膨脹量變化曲線

圖1反映的是不同試驗(yàn)土樣膨脹量隨擊實(shí)功的變化曲線，未加水泥的粉土膨脹量受擊實(shí)功影響顯著，隨擊實(shí)功增大呈急劇下降趨勢(shì)。加不同摻量的水泥改良土其膨脹量變幅不大，說明水泥與粉土結(jié)合產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，改變了粉土內(nèi)部礦物質(zhì)成分和晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)膨脹性有良好的的抑制效果。但各摻量的水泥土膨脹量比較接近，差異不大，考慮施工工期和填料強(qiáng)度的要求，水泥改良粉土的最佳摻量還應(yīng)設(shè)置不同齡期的試件進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 CBR試驗(yàn)分析

加州承載比CBR是路基土和路面材料的強(qiáng)度指標(biāo)，也是一種評(píng)定基層材料承載能力的試驗(yàn)方法?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了一級(jí)公路以上路堤的最小強(qiáng)度應(yīng)不小于3%。素土與改良土的CBR試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。繪制素土與改良土的CBR值變化曲線，見圖2。

表3 CBR承載力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 素土、水泥改良土CBR值曲線

由表2可以看出，素土最大CBR值為2.0%，不滿足規(guī)范的強(qiáng)度要求，不可直接用做路基填料。摻加水泥外加劑后，CBR值達(dá)到26.3及以上，強(qiáng)度大大提高，說明摻水泥可以提高粉土的承載能力。從圖2可以看出，水泥摻配量越大，水泥土強(qiáng)度越高。綜上研究表明：水泥能夠有效抑制粉土的變形，并且能大幅提高粉土的強(qiáng)度，是粉土化學(xué)改良的有效添加劑，從安全和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，水泥摻量為3%即可滿足強(qiáng)度和變形控制的要求。

3 水泥改善細(xì)粒土應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)水泥改良粉土按水泥摻量為2%，3%，4%，5%，6%進(jìn)行試驗(yàn)，確定最佳水泥摻量，驗(yàn)證水泥改良土的改善效果。

外摻水泥2%時(shí)，濕密度為2.17g/cm3，最大干密度1.89 g/cm3，最佳含水率14.8%，最大干密度時(shí)孔隙比0.43，飽和度92.9%，CBR試驗(yàn)結(jié)果為41.6%。外摻水泥4%時(shí)，濕密度為2.16g/cm3，最大干密度1.89 g/cm3，最佳含水率14.1%，最大干密度時(shí)孔隙比0.43，飽和度89.0%，CBR試驗(yàn)結(jié)果為95.0%。綜合試驗(yàn)結(jié)果，選用水泥摻量3%作為上路堤加固處理，設(shè)計(jì)CBR不低于40%。

試驗(yàn)路位于K137+370～K137+470左幅，設(shè)計(jì)水泥摻量為3%，實(shí)際水泥摻量為2%～4%，濕密度為2.01g/cm3，干密度1.71 g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.58，飽和度81.0%。壓實(shí)后第二天測(cè)定回彈模量，現(xiàn)場(chǎng)采用承載板試驗(yàn)，回彈模量測(cè)定結(jié)果分別為61MPa，117MPa，74MPa和81MPa，較未改善的粉土有明顯提高。與k137+320粗粒土路床回彈模量測(cè)定值85MPa，70MPa，62MPa和74MPa十分接近。說明水泥改善粉土可達(dá)到提高土基回彈模量的效果，可用于路床處理。

4 結(jié)語

基于室內(nèi)試驗(yàn)和機(jī)理分析，對(duì)松鐵高速公路合同段沖洪積粉土進(jìn)行摻配水泥改良，并將改良土用作路基填料，得出如下結(jié)論：

該地區(qū)沖洪積粉土不能直接作為路基填料，需進(jìn)行改良，摻配一定比例水泥的改良土能滿足填筑要求，且強(qiáng)度隨著摻配比例的升高而提高，但是從經(jīng)濟(jì)合理性角度考慮，3%摻配比例較為合適。

[1]雷雨龍,孟勇軍,王建軍.近海洪沖積低液限粉土路基物理改良試驗(yàn)研究[J].西部交通科技,2019(12):1-4.

[2]黃新,寧建國,郭曄,朱寶林.水泥含量對(duì)固化土結(jié)構(gòu)形成的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006(04):436-441.

[3]李操.崇明地區(qū)潮濕路基水泥改良土填料試驗(yàn)研究[J].建筑施工,2020,42(09):1727-1728+1732.

[4]吳家琦,侯蕊,李幻,孟瑩.水泥改良海相沉積淤泥質(zhì)軟黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].路基工程,2019(06):73-77.

[5]吳剛,辛鵬飛,李軍委,同飛,徐天卓.不同水泥摻量的水泥土壓縮試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2019,49(S2):635-638.

[6]曹亮,潘倩,孫陶苑正.水泥改良土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2019,45(04):89-92.

韋麗（1977- ），女，碩士研究生，高級(jí)工程師，巖土工程，南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院。

南寧學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目“北部灣近海沖洪積粉土改良研究”(2019XJ19)、南寧學(xué)院校級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)“CDIO教學(xué)團(tuán)隊(duì)”（2019XJJXTD13）。

K928

A

1007-6344（2021）01-0047-02