振动压实水泥改良千枚岩路基填料的力学性质*

易 勇 卢世杰 蒋应军 宋 彬 杜红军 刘 柱

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1) 西安 710064) (陕西省交通建设集团公司2) 西安 710075)

0 引 言

陕南秦巴山区千枚岩分布广泛，其用作路基填料时，强度和回弹模量难以满足现行路基设计规范的要求[1]，加之现阶段对千枚岩研究较少，千枚岩往往作为弃料处理[2].为了了解千枚岩用作路基填料的可行性，国内外许多学者开展了一些相关研究.毛雪松等[3-4]研究了水泥掺量对水泥改良千枚岩路基填料无侧限抗压强度的影响以及压实度对路基回弹模量的影响.张天红[5]发现了水泥掺量对土无侧限抗压强度的影响规律.傅毅静等[6]进行不同水泥掺量的改良土试验，并提出了水泥改良土最佳方案.施建勇[7]在不同水泥掺量的条件下研究土的无侧限抗压强度变化规律.方鹏等[8]将不同水泥掺量的水泥改良风化千枚岩分路段进行试验，得出了回弹模量随着水泥掺量变化的规律，并提出4%及以上的水泥改良千枚岩强度符合高速公路的路基填筑标准.郑江等[9]就软岩分别进行石灰和水泥改良，并测得软岩改良土无侧限抗压强度，分别分析了软岩改良土的无侧限抗压强度与水泥掺量和石灰掺量的关系.Garzón等[10]对不同水泥掺量的千枚岩-水泥复合材料进行无侧限抗压强度的试验，提出了最适合作为路基填料的水泥掺量.

由以上研究可知，室内压实方法大多采用重型压实方法成型，由于重型击实方法容易造成粗集料破碎，对于大粒径颗粒不适用，并且传统重型击实方法很难保证集料的均匀.随着道路施工碾压机具的不断发展，重型击实试验很难跟实际施工时的压实度相匹配，因此，本次试验拟采用更符合现场压实的振动击实方法，使试验跟现场压实更加吻合.而且对于千枚岩填筑路基的研究主要集中在水泥掺量对改良土的力学性能的影响，压实度对改良土力学性能的影响却鲜有报道 本文就无侧限抗压强度和回弹模量两个方面研究压实度对于水泥改良千枚岩的影响.

1 原材料及压实方案

1.1 原材料

1.1.1千枚岩

千枚岩取自安平高速公路沿线.根据沿线千枚岩的风化程度选取三种代表性千枚岩分别标记为A、B、C，见图1.

图1 千枚岩取样图

由图1可知，千枚岩A的岩体较为完整，主要呈板状结构，岩芯多呈10～15 cm块状或柱状，锤击声不清脆，较易击碎；千枚岩B的岩体相对完整，多呈板状、块状或短柱状，岩芯多为4～10 cm的块状，夹杂有3～4 cm的碎片状，锤击声哑，易击碎；千枚岩C的母岩结构已经破坏，岩体风化强烈，多呈鳞片状，机械破碎后岩芯多呈1～5 mm的碎片状，夹杂少量1～2 cm的碎块，锤击声哑，极易破碎，浸水后，呈泥状.

针对现场取回的三种代表性千枚岩，依次对其物理指标进行测试，试验结果见表1.

表1 千枚岩物理参数

由表1可知，千枚岩A，B，C随风化程度加强，其颗粒密度和块体密度逐渐减小，含水率、吸水率和孔隙率逐渐增加.

1.1.2水泥

水泥选用陕西金龙牌P·O42.5，水泥技术参数见表2.

表2 水泥技术参数

1.2 试验方案

最大干密度和最佳含水率确定方法拟采用振动击实方法，基于振动压实方法对三种不同风化程度的千枚岩进行改良后的力学性能测试，共三组，每组20个试件.

1) 通过试验得到未经改良千枚岩的CBR值，检验其作为路基填料的可行性.

2) 研究水泥掺量对改良千枚岩路基填料力学性能的影响，水泥掺量拟采用2%,3%,4%,5%，分析不同水泥掺量对千枚岩无侧限抗压强度和回弹模量的影响.

3) 研究压实度对改良千枚岩路基填料力学性能的影响，压实度拟采用95%,97%,99%,101%,103%，分析不同压实度对千枚岩无侧限抗压强度和回弹模量的影响.

1.3 振动击实试验参数

影响千枚岩路基填料振动压实效果的因素除了材料自身的性质以外，主要还有振动频率和振动时间.结合课题组研究成果[11]，拟采用表3所示的振动参数.

表3 振动参数

2 千枚岩填料CBR值

CBR值是评定路基填料强度的指标之一，我国将CBR值作为路基填料的选择依据，鉴于此，本文对千枚岩路基填料CBR值进行了相应的试验，结果见表4.

表4三种千枚岩CBR值%

弱风化千枚岩压实度 CBR中风化千枚岩压实度 CBR强风化千枚岩压实度 CBR92.96.392.44.293.11.794.86.994.34.494.72.196.47.595.84.795.72.498.18.497.84.998.43.299.410.199.15.399.33.4

由表4可知，随着压实度的提升，千枚岩路基填料CBR也随之变大，压实度每提升1%，振动压实千枚岩A的CBR值提升10%；振动压实和千枚岩B的CBR值提升31%；振动压实千枚岩C的CBR值提升31%.由于随着压实度的提升，试件内部空隙率减少，提高了承受荷载有效面积，从而表现出力学性能得到了相应的提升.在规范要求的压实度(以重型击实为准)条件下，通过提高压实度标准，千枚岩A的CBR值能够满足填筑路基的规范要求值；千枚岩B通过提高压实度标准，可适用于下路床的填筑，但不适用于上路床的填筑；而千枚岩C通过将压实度提升至97%以上后，可用于下路堤的填筑，但不适用于其他路基结构层.因此有必要对千枚岩路基填料进行改良，拟采用选取水泥作为外掺剂来改善千枚岩路基填料的强度.通过振动压实试验方法成型试件，分别研究水泥掺量和压实度对不同种类千枚岩路基填料改良后的无侧限抗压强度与回弹模量的影响规律.

3 水泥改良千枚岩力学性能

3.1 最大干密度和最佳含水量

经振动击实试验得到不同水泥掺量试件的最佳含水量和最大干密度见表5.

表5 不同水泥掺量的试件最佳含水量和最大干密度

3.2 无侧限抗压强度

在最佳含水量条件下，分别采用振动成型试验方法制备三种改良千枚岩的无侧限抗压强度试件.试件脱模后，立即放入塑料袋内密封好，在标准的湿度和温度条件下养护7 d后，测试其无侧限抗压强度.

3.2.1水泥掺量

水泥掺量对千枚岩路基填料无侧限抗压强度的影响见图2.

图2 水泥掺量对抗压强度的影响

由图2可知，改良千枚岩的7 d无侧限抗压强度随着水泥掺量的增大递增.水泥改良千枚岩A时，水泥每增加1%，无侧限抗压强度增长28%～34%；水泥改良千枚岩B时，水泥每增加1%，无侧限抗压强度增长16%～26%；水泥改良千枚岩C时，水泥每增加1%，无侧限抗压强度增长15%～23%.水泥对千枚岩A抗压强度的影响最为明显，同时也说明水泥改良千枚岩可有效地提高路基强度；其中，水泥改良弱风化千枚岩的抗压强度增长幅度最大，水泥每增加1%，无侧限抗压强度增长0.36 MPa.其原因在于，随着水泥掺量增加，水泥发生水化反应，生成新的胶凝物质也随之增加，有效地增强了千枚岩颗粒间的粘结作用.随着时间的延长，水泥逐渐硬化，试件孔隙中形成较多的水泥石，试件内部孔隙减小，试件强度增加.

3.2.2压实度

压实度对水泥改良千枚岩路基填料无侧限抗压强度的影响见图3.

图3 7 d无侧限抗压强度与压实度的关系

由图3可知，水泥掺量一定时，随压实度增大，改良千枚岩路基填料无侧限抗压强度线性增长.水泥改良千枚岩A时，压实度每增加1%，无侧限抗压强度增加11%～19%；水泥改良千枚岩B时，压实度每增加1%，无侧限抗压强度增加19%～26%；水泥改良千枚岩C时，压实度每增加1%，无侧限抗压强度增加18%～21%.其中，5%水泥改良中风化千枚岩的抗压强度增长幅度最大，压实度每增加1%，无侧限抗压强度增加0.12 MPa.可见，压实度对改良千枚岩路基填料无侧限抗压强度影响十分明显，其增大原因是，压实度增大意味着试件内部孔隙率减小，有效地增大了试件接触面积，从而体现出压实度越大，抗压强度也越大的现象.

3.3 回弹模量

回弹模量可以反映出路基承载能力，直接影响路面设计厚度，是表征路基抗变形能力的主要参数.本文从水泥掺量、压实度两个方面对回弹模量进行相应研究.在最佳含水量条件下，采用振动成型试验方法制备三种改良千枚岩试件.试件脱模后，立即放入塑料袋内密封好，在标准的湿度和温度条件下养护7 d后，测试其回弹模量.

3.3.1水泥掺量

水泥掺量对改良千枚岩路基填料回弹模量的影响关系见图4.

图4 水泥掺量对回弹模量的影响

由图4可知，试件养护7d后，不同压实度下的改良千枚岩回弹模量随水泥掺量的增加直线增长.水泥改良千枚岩A时，水泥每增加1%，回弹模量增长23%～29%；水泥改良千枚岩B时，水泥每增加1%，回弹模量增长18%～26%；水泥改良千枚岩C时，水泥每增加1%，回弹模量增长17%～24%；其中，水泥改良弱风化千枚岩的回弹模量增长幅度最大，水泥掺量每增加1%，回弹模量最大增长幅度约为62 MPa.其原因在于，回弹模量表征试件在垂直荷载作用下抵抗竖向变形的能力，若水泥掺量增加，试件的抗压能力也会提升，与无侧限抗压强度所表现的现象一致.

3.3.2压实度

压实度对水泥改良千枚岩路基填料的回弹模量结果见图5.

图5 7 d回弹模量与压实度的关系

由图5可知，水泥掺量一定时，改良千枚岩的7 d回弹模量随压实度的增大递增.且随压实度增加，改良千枚岩路基填料回弹模量呈直线增长，水泥改良千枚岩时，压实度每增加1%，回弹模量增长6%～11%.其中，5%水泥改良中风化千枚岩的回弹模量增长幅度最大，压实度每增加1%，回弹模量增加19 MPa.可见，压实度不仅对改良千枚岩路基填料无侧限抗压强度影响十分明显，还直接影响改良千枚岩路基填料的回弹模量，其增大的原因与无侧限抗压强度增大的原因一致，压实度的增大提高了试件的强度，试件的回弹变形随之减小，从而体现出压实度增大，回弹模量增大的趋势.

4 结 论

1) 千枚岩A未经改良时能够用作路基填料，千枚岩B未经改良时提高压实度能用作下路床填料，而千枚岩C未经改良时不能满足作为路基填料的要求.

2) 水泥改良后千枚岩的力学性能得到大幅度增强，因为水泥的主要作用是使松散的千枚岩颗粒进行固结，增加其黏结性来提高强度.改良千枚岩的力学性能随水泥掺量和压实度的增大而提高.

3) 水泥掺量每增加1%，回弹模量增加17%以上，回弹模量最大增长幅度约为62 MPa；无侧限抗压强度增加15%以上.其中，水泥改良弱风化千枚岩的抗压强度增长幅度最大，水泥每增加1%，无侧限抗压强度增长0.36 MPa.

4)压实度每增加1%，回弹模量增长6%～11%，其中5%水泥改良中风化千枚岩的回弹模量增长幅度最大，压实度每增加1%，回弹模量增加19 MPa；无侧限抗压强度增加18%以上，其中5%水泥改良中风化千枚岩的抗压强度增长幅度最大，压实度每增加1%，无侧限抗压强度增加0.12 MPa.