近海冲洪积粉土水泥改良试验研究

2021-01-18韦丽

四川水泥 2021年1期

关键词：粉土水化填料

韦丽

Equipment technology 装备技术

近海冲洪积粉土水泥改良试验研究

韦丽

（南宁学院土木与建筑工程学院）

针对松铁东岸高速公路合浦境内路段近海冲洪积粉土作为路基填料时，存在强度不足，压实控制困难，研究水泥改良粉土机理，提出水泥掺量设计公式，结合室内试验测定改良土膨胀量及CBR。结果表明：水泥掺量为3%即可满足强度和变形控制的要求，且经济性最佳。

冲洪积粉土；水泥改良土；CBR

松铁高速公路贯穿玉林市博白县和北海市合浦县境内，该地区广泛分布含砂低液限粉土。该地区粉土由于受到冲积、洪积以及近海沉积等作用的影响，其组成及结构较为复杂，特别是粉土的结构变异性造成干密度差异大，现场压实控制困难。因而，此类粉土路基的地基处理及其养护维修较困难、工程成本较大。如果将此类粉土直接挖除，换填合格土，成本增加2-3倍，故而比较理想的解决方法使对粉土进行改良，使得改良土的路基强度、变形和稳定性均符合规范要求。

此类粉土采用物理改良效果有限，用粗粒土和细粒土进行掺配，粗粒土形成骨架，细粒土填充，使得改良后的粉土较容易压实[1]，但需要掺配较多的粗粒土才能满足填料强度要求，工程实际应用中难以在附近找到大量的粗粒土，有材料来源不足的问题。本项目采用掺配水泥改良的方法，由于水泥的水化硬化胶结作用以及硬凝反应[2]，使得较低的水泥掺配量就可以显著提高水泥改良土的强度以及水稳定性。

1 水泥改良粉土方案设计

1.1 水泥改良粉土机理

石灰、水玻璃、粉煤灰等无机结合料改良粉土主要利用其胶凝作用，来增加改良土的黏聚力。在选择无机结合料时，发现石灰改良土浸水后强度退化较快，且适用于黏性土的改良，而水泥改良土浸水后其强度退化程度不明显，适合砂土或粉土的改良。本项目是针对粉土改良，故选用水泥改良较为合适。

水泥改良粉土提高其强度的原理是：水泥水化反映生成的水化产物，将粉土颗粒包裹起来，粉土逐渐丧失塑性，随着水化产物的增多，混合料越来越坚固。同时还有粉土颗粒与水泥水化产物之间的吸附作用，水泥水化产物微颗粒的凝聚作用，均能够较大程度提高混合料的强度。

1.2 水泥改良粉土影响因素

水泥改良土强度、水稳定性的主要影响因素是水泥掺配量、粉土含水率、颗粒密度及0.075mm通过量。由于水泥水化反应的作用，水泥改良土强度随着水泥掺配量的增加而提高，当水泥掺配量达到临界值以上时，这种提高尤为显著；水泥改良土强度随着含水率增加而降低。当达到最佳含水率时的混合料压实更容易，强度提高效果更明显。水泥改良土的CBR值可按下公式估计：

1.3 水泥改良土填料强度设计

由式（1）可知，影响填料强度的主要因素是水泥掺配量、含水率。而含水率的影响要比水泥掺配量的影响更为显著，故要想增大填料强度，可通过现场施工中土的最佳含水率计算出水泥掺配量。经检测现场粉土天然含水率为22%左右，标准干密度时最佳含水率为13%左右。若采用16.5%的含水率设计水泥改良土掺配量，水泥掺配量分别达到2.0%，3.0%，4.5%和5.7%时，能够满足相关技术规范中对下路堤、上路堤和下路床、上路床填料最小强度要求。如果能够进一步降低含水率，则水泥掺配量也会更少。

经现场试验可知，水泥改良土更适合用于下路床以下的部位，该部位以下对含水率和水泥掺配量要求没有上路床高，也更为经济。现场试验路掺配3%的水泥改良粉土，压实效果改善显著，强度提高较大。

2 试验及现场应用

2.1 水泥改良粉土试验

试验方案分为三组，水泥掺量分为3%、4%和5%，每组九个试件，每种击实功对应三个试件，总共27个试件。水泥采用复合硅酸盐水泥PC32.5，土料含水率按最佳含水率配制。考虑养护龄期对水泥强度的影响，拟采取养护三天，浸水四天的方法，保证水泥土形成足够的初期强度。

本次试验步骤严格按照《公路土工试验规程》（JTG E40¾2007）中的标准执行。试样制备的过程主要分为：烘干过筛、称取土样、配置一定含水率、拌和闷料和掺入水泥外加剂。具体步骤如下：

将取回来的天然土样进行烘干并碾碎过筛，为了保证土料与水泥外加剂混合均匀，要求碾碎后土体颗粒粒径不大于10mm，静置备用；土料按最佳含水率进行配制，并闷料8小时，待土料水分分布均匀后，加入水泥外加剂和3%的水分搅拌均匀。水泥土搅拌后静置30min，目的是为了保证水泥浸润，产生足够的水化热，使水泥与土料充分结合；选用重型击实标准，将水泥土试料按三层法击实成型，用修土刀削刮套筒表面，擦净筒外壁，称量；试件制成后，在试件底面安装多孔板，在击实筒上加4块荷载板，防止粉土吸湿膨胀，影响实验效果；在装有荷载板的试件外套上塑料袋，隔绝水分直接浸泡试样，并放入养护室中，养护时间为三天，养护温度控制在20℃，养护湿度大于95%；将养护完成后的试件放入水槽中，泡水4昼夜，读取泡水前后百分表的读数；进行路面材料CBR试验，记录数据，整理结果。

2.2 水泥改良土膨胀量试验分析

通过膨胀量试验，对比素土和不同掺量的水泥土的膨胀量，得到表2的试验结果，再根据表中的试验结果分别绘制素土和水泥土的膨胀量变化曲线（图1）。

表2 膨胀量实验结果

图1 素土和改良土膨胀量变化曲线

图1反映的是不同试验土样膨胀量随击实功的变化曲线，未加水泥的粉土膨胀量受击实功影响显著，随击实功增大呈急剧下降趋势。加不同掺量的水泥改良土其膨胀量变幅不大，说明水泥与粉土结合产生一系列物理化学反应，改变了粉土内部矿物质成分和晶体结构，对膨胀性有良好的的抑制效果。但各掺量的水泥土膨胀量比较接近，差异不大，考虑施工工期和填料强度的要求，水泥改良粉土的最佳掺量还应设置不同龄期的试件进行对比分析。

2.3 CBR试验分析

加州承载比CBR是路基土和路面材料的强度指标，也是一种评定基层材料承载能力的试验方法。《公路工程技术标准》中明确规定了一级公路以上路堤的最小强度应不小于3%。素土与改良土的CBR试验结果汇总如表3所示。绘制素土与改良土的CBR值变化曲线，见图2。

表3 CBR承载力实验结果

图2 素土、水泥改良土CBR值曲线

由表2可以看出，素土最大CBR值为2.0%，不满足规范的强度要求，不可直接用做路基填料。掺加水泥外加剂后，CBR值达到26.3及以上，强度大大提高，说明掺水泥可以提高粉土的承载能力。从图2可以看出，水泥掺配量越大，水泥土强度越高。综上研究表明：水泥能够有效抑制粉土的变形，并且能大幅提高粉土的强度，是粉土化学改良的有效添加剂，从安全和经济性的角度出发，水泥掺量为3%即可满足强度和变形控制的要求。

3 水泥改善细粒土应用

现场水泥改良粉土按水泥掺量为2%，3%，4%，5%，6%进行试验，确定最佳水泥掺量，验证水泥改良土的改善效果。

外掺水泥2%时，湿密度为2.17g/cm3，最大干密度1.89 g/cm3，最佳含水率14.8%，最大干密度时孔隙比0.43，饱和度92.9%，CBR试验结果为41.6%。外掺水泥4%时，湿密度为2.16g/cm3，最大干密度1.89 g/cm3，最佳含水率14.1%，最大干密度时孔隙比0.43，饱和度89.0%，CBR试验结果为95.0%。综合试验结果，选用水泥掺量3%作为上路堤加固处理，设计CBR不低于40%。

试验路位于K137+370～K137+470左幅，设计水泥掺量为3%，实际水泥掺量为2%～4%，湿密度为2.01g/cm3，干密度1.71 g/cm3，含水率17.5%，孔隙比0.58，饱和度81.0%。压实后第二天测定回弹模量，现场采用承载板试验，回弹模量测定结果分别为61MPa，117MPa，74MPa和81MPa，较未改善的粉土有明显提高。与k137+320粗粒土路床回弹模量测定值85MPa，70MPa，62MPa和74MPa十分接近。说明水泥改善粉土可达到提高土基回弹模量的效果，可用于路床处理。