水泥掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响①

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(1. 安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽广播电视大学 开放教育学院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

膨胀土具有明显的吸水膨胀、失水收缩的性质，导致其在工程中可能会出现不均匀沉降持续时间长[1～4]，沉降幅度大等危害，会直接导致路基更容易发生坍塌、滑坡和变形等危害，给公路建设和人身安全造成极大破坏，给社会带来极大损失。

试验通过控制变量的方式，在其他条件一致的情况下，研究膨胀土在不同水泥掺量时抗剪强度的变化趋势，进而通过试验数据分析膨胀土达到最佳抗剪强度时水泥的掺量。膨胀土的抗剪强度的影响因素一直是国内外学者热衷于研究的课题，在试验之前，已经有大量的学者对该课题进行了不同类型、不同角度的研究，给试验提供了充足的理论依据和研究支撑。A.W.Bishop[5]在研究膨胀土的抗剪强度时提出，在影响膨胀土抗剪强度各因素中，水泥掺量对膨胀土抗剪强度的影响最大，且梁勇[6]以湖北省宜昌市某一级公路改建工程为研究对象，对不同石灰掺量的膨胀土进行剪切试验，得出水泥掺量的增加能提高膨胀土抗剪强度，并能提高膨胀土的内摩擦角、粘聚力的结论。韩晶[7]等在研究膨胀土的试验中分析到，水泥对膨胀土抗剪强度的影响程度并不是一直不变的，随着水泥掺量的增大，膨胀土的抗剪强度、内摩擦角以及粘聚力的增长趋势各有各自的特点。

1 试验材料与设备

1.1 实验材料

膨胀土取自合肥市区，呈现黄褐色半坚硬状态，主要成为亲水性矿物质，含有少量钙质结核，采样膨胀土的基本性质如表1。水泥为矿渣硅酸盐水泥，标号为GB175-2007。为使试验达到研究目的，设置5组不同掺灰比，含水率同为16.5%的试样。分别为：作为对比的不掺灰的1号膨胀土试样；掺灰比为1%的2号试样；掺灰比为2%的3号试样；掺灰比为3%的4号试样；掺灰比为4%的5号试样。

表1 膨胀土的基本性质

1.2 实验设备

试验第一阶段需要把原状膨胀土放在磨矿功指数球磨机里进行搅拌打碎，磨矿功指数球磨机如图1所示。将试样进行直剪试验需要用到的是全自动残余强度试验仪，全自动残余强度试验仪如图2所示。

图1 磨矿功指数球磨机

图2 全自动残余强度试验仪

3 实验过程

试验参照《公路土工试验城规》(JTG E40-2007)和《公路工程无机结合稳定材料试验城规》(JTG E51-2009)进行，试验相关数据处理参照《土工试验方法标准》(GBT501231999)。

实验首先将取自合肥市区的原状膨胀土自然晾晒达到一定的干度，利用磨矿功指数球磨机搅拌1h，取出碎土用0.3mm的筛子进行筛分，将筛分后的膨胀土细粒放烘干箱里烘干12h。取出土样冷却后，按照实验要求配制需要的五组不同水泥掺量的膨胀土试样。配制方法为：设计含水率为16.5%，按照相关规定，预留3%的水，量取13.5%质量的水放入膨胀土中进行搅拌，搅拌均匀后分别放入的0%—4%质量的水泥，再次搅拌均匀后，将预留的3%质量的水倒入混合料中，再次搅拌均匀后利用千斤顶进行压样，环刀体积为60cm3。实验需要将每种石灰掺量的膨胀土分别在竖向应力为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的压力下进行剪切试验，以研究膨胀土在不同竖向正应力下的抗剪强度，以及需要一个用以测饱和含水率的试样，即每一石灰掺量的膨胀土需要5个试样，重复上述步骤，分别完成余下4个试样。试验完成后用保鲜膜密封，放入标准养护箱养护7d，养生期间养护箱内温度保持22℃，相对湿度95%。养护完成后取出其中一个试样饱和12h测出其饱和含水率及相关数据，其他4个试样数据近似等于该试样。其余4个试样饱和8h后放入剪切试验仪中分别在竖向应力为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa条件下进行直剪，6h后记录数据并整理结果，对结果进行分析。

4 实验结果

对20组试样进行相应的直剪试验后，将各组试样的抗剪强度进行整理，根据公式τf=σ·tanφ+c计算相应的内摩擦角φ和粘聚力c。

4.1 水泥掺量对内摩擦角的影响

根据实验结果以及对数据的处理分析，绘制如图3的水泥掺量-内摩擦角的关系曲线。表中横坐标为水泥掺量，纵坐标为内摩擦角。

图3 水泥掺量与内摩擦角关系曲线图

图4 粘聚力与水泥掺量关系曲线图

实验结果表明：膨胀土试样在不掺水泥时，内摩擦角为22°，在掺入1%质量的水泥后，内摩擦角增加到了25°，说明水泥掺量能够明显提高膨胀土的内摩擦角。随着水泥掺量的增加，膨胀土的内摩擦角呈现逐渐上升的趋势，当水泥掺量由1%增加到2%时，内摩擦角的增长幅度最大，之后展现为平稳增加，并逐渐趋于稳定。

4.2 水泥掺量对粘聚力的影响

根据实验结果以及对数据的处理分析，绘制如图4的水泥掺量-粘聚力的关系曲线。表中横坐标为水泥掺量，纵坐标为粘聚力。

实验结果表明：掺水泥能够增大膨胀土的粘聚力，且随着水泥掺量的增加，膨胀土的粘聚力也随之逐渐增加。具体表现为，当掺入1%质量的水泥时，膨胀土的内摩擦角为64kPa，作为对比项的不掺水泥膨胀土的粘聚力仅为60kPa，说明水泥掺量能够增加膨胀土的粘聚力；随着水泥掺量的增加，膨胀土的粘聚力呈现较为稳定的增长趋势。

4.3 水泥掺量对抗剪强度的影响

根据实验结果以及对数据的处理分析，绘制如图5的水泥掺量-抗剪强度的关系曲线。表中横坐标为水泥掺量，纵坐标为抗剪强度。

实验结果表明：相同正压力下，水泥掺量越大，膨胀土的抗剪强度越大，水泥掺量由3%增加到4%时，膨胀土的抗剪强度增长幅度最大；在相同水泥掺量下，随着正应力的增大，膨胀土的抗剪强度也越大，正应力由300kPa增加到400kPa时，膨胀土的抗剪强度大幅度增加。

5 结 论

(1)膨胀土的抗剪强度和水泥掺量具有极大的关系。具体表现为：随着水泥掺量的增加，膨胀土的抗剪强度能够得到极大地增强，在一定范围内，水泥掺量和膨胀土的抗剪强度成正比。

(2)水泥掺量对膨胀土的内摩擦角也具有明显的影响。当水泥掺量逐渐增加时，膨胀土的内摩擦角在第一阶段快速增加，之后逐渐变缓，直至趋于稳定不再变化。

(3)水泥掺量的增加会增大膨胀土的粘聚力和内摩擦角，但增加趋势两者相反，随着水泥掺量的增加，粘聚力的增大趋势为先慢后快，当水泥掺量从3%增加到4%时，粘聚力增长幅度最大。