水泥改良张家口坝上风积沙的力学性能研究

张 海 岛

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；2.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

1 引 言

习近平总书记在中国共产党第十九次全国代表大会上提到的全面建设小康社会的基础上，小康社会的到来，也预示着人们对技术的要求越来越高，解决人们对公路的需求是目前要解决的问题.2015年7月31日，我国申请举办2022年冬奥会成功，而河北省张家口市作为冬奥会雪上项目的比赛地，交通问题更应得到解决，而张家口的坝上地区存在很多的风积沙，故需要对张家口坝上地区的风积沙进行改良.过去很多学者都研究了风积沙，像国外的一些学者最初研究风积沙的目的是在沙漠地区选择出合理的路线并防风固沙.比如尼罗河以西的利比亚沙漠，是世界上最大的沙漠-撒哈拉沙漠的一部分，约占埃及面积的2/3，埃及在此沙漠中修筑了一条道路，主要研究了风积沙的运动规律，选择合理的路线，并采用绿色植物进行道路防护；比如日本西南地区修建的一条道路，此条道路穿越海岸和沙丘，遇到沙丘时就修高架桥，并采用了绿色植物和防沙栅栏进行防护[1];土耳其在修建某条公路时绕开了大的沙丘，道路两旁也采用了绿色植物和防沙栅栏进行防护.但是随着许多学者研究风积沙的深入，人们发现用固化剂改良风积沙可以作为路基材料.比如Santoni R L等使用新的纤维稳定技术对沙土进行了室内试验和现场试验，研究表明，使用51 mm长的单丝聚丙烯纤维来稳定级配不良的沙土的最佳纤维含量为1%[2].我国对固化剂改良风积沙的研究比较晚，但也取得了很多的结果.魏杰通过研究水泥改良风积沙得出随着混合料的压实度的增大，改良风积沙的无侧限抗压强度值增大，且随着水泥等级的提高，无侧限抗压强度也增大的结论[3]；阮波等通过研究低温养护条件下水泥改良风积沙无侧限抗压强度的试验得出了对比标注养护，低温养护的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度下降了32.5%的结论[4];崔强等通过研究水泥固化作用对风积沙地基抗拔基础承载性能的影响试验中得出了水泥含量对基础抗拔承载力的影响与含水率有关，含水率越大，提高抗拔承载力越明显的结论[5].

基于上述学者的研究，再结合张家口坝上地区风积沙的性质，特通过室内试验来研究水泥改良风积沙的力学性能.

2 试验简介

根据击实试验得出的最大干密度和最佳含水率入表1所示，再结合张家口坝上地区实际工程中的压实度，通过控制变量法制出不同掺量下，不同压实度下，不同养护龄期的试件，此试件是直径为50 mm，高度为50 mm的圆柱状试件，最后通过图2所示路强仪对试件进行无侧限抗压强度试验.

图1 电热鼓风干燥箱 图2 路强仪

图3 养护中的试件

2.1 试验过程

(1)制件.

将原土料经图1所示的电热鼓风干燥箱内烘干，其中电热鼓风干燥箱的型号为x101-4，电源380 v，电热功率是6 kw，大小尺寸是800×800×1000 mm，然后经过5 mm的圆孔筛.根据击实试验得出的最大干密度和最佳含水率进行焖土配料，然后焖十二个小时，和击实试验一样，待焖土结束后，加入水泥固化剂，搅拌均匀.根据公式1计算出每一个试件所需要的混合料的质量，然后将称好的混合料灌入高50 mm，直径为50 mm试模内，每次加入试模内的质量为总质量的1/3，每次往试模内加入混合料后，用夯棒均匀插实，然后将插实好的试模放在压力机上，以1 mm/min的加载速率加压至上下压柱都压入试模为止，维持压力2 min.

(2)养护.

将上述的试件进行脱模，称好其质量，高度和直径，精确到0.01 mm，然后快速将其用保鲜膜包起来并做好标记放入养护室中，养护七天如图3所示.

(3)压件.

从养护室中取出已经达到养护天数的试，重新记录一下试件的质量和高度以及直径，然后用图2所示的路强仪将养护后试件压碎，由公式2算试件的无侧限抗压强度.

表1 各水泥掺量下改良风积沙的最大干密度与最有含水率

M=V×ρmax×(1+ω)×γ

(1)

设M为混合料的总重量(g)，V为试模的体积(cm3)，ρmax混合料的最大干密度(g/cm3)，ω为混合料的最佳含水率(%)，γ为混合料的压实度(%)

(2)

表2 水泥掺量对无侧限抗压强度的影响的试验工况

2.2 试验工况

通过控制变量法表述水泥掺量的试验方案，如表2所示.为了保证数据的数据的精确度，每种情况采取平行试验方法，每种工况的试件不少于3个.

(1)水泥掺量对无侧限抗压强度的影响.

表3 压实度对无侧限抗压强度的影响的试验工况

采用控制变量法研究水泥掺量对改良风积沙的无侧限抗压强度的影响，即控制混合料的压实度不变，养护龄期不变，只改变水泥掺量，对应的试验工况如表2所示.

(2)压实度对无侧限抗压强度的影响.

表4 养护龄期对无侧限抗压强度的影响的试验工况

采用控制变量法研究压实度对改良风积沙的无侧限抗压强度的影响，即控制混合料的水泥掺量不变，养护龄期不变，只改变混合料的压实度，对应的试验工况如表3所示.

(3)养护龄期对无侧限抗压强度的影响.

采用控制变量法研究养护龄期对改良风积沙的无侧限抗压强度的影响，即控制混合料的水泥掺量不变，压实度不变，只改变试件的养护龄期，对应的试验工况如表4所示.

3 试验结果分析

(1)水泥掺量对水泥改良风积沙的无侧限抗压强度的影响.

图4 水泥掺量与无侧限抗压强度的关系曲线

通过表1的试验工况进行室内试验，为了保证试验的准确性，每种工况做三个试件，最后结果取三个试件的平均值作为每个掺量的无侧限抗压强度值.如图4所示.

如图4所示，横坐标的意思是水泥掺量，纵坐标的意思是7天无侧限抗压强度.从图4上可以看出，不论是改良风积沙的压实度为多少，随着水泥掺量的增加，改良风积沙的无侧限抗压强度均呈现出增加的趋势.其中当压实度为95%时，固化剂掺量为4%时，水泥固化剂的压实度为1.42 MPa，随着固化剂掺量的不断增加，当掺量增加到8%时，其无侧限抗压强度增加到了2.35 MPa，故提高水泥掺量可以提高改良风积沙的力学性能，使其达到公路路基的要求.

(2)混合料的压实度对水泥改良风积沙的无侧限抗压强度的影响.

图5 压实度与无侧限抗压强度的关系曲线

通过表2的试验工况进行室内试验，为了保证试验的准确性，每种工况做三个试件，最后结果取三个试件的平均值作为每个掺量的无侧限抗压强度值.如图5所示.

如图5所示，横坐标的意思是混合料的压实度，纵坐标的意思是7天无侧限抗压强度.从图5上可以看出，随着混合料的压实度的增大，7天无侧限抗压强度值也随之增大.当混合料的压实度从89%增加到91%，无侧限抗压强度值从1.814 MPa提高到2.288 MPa，提高了26.13%，压实度从91%增加到93%，无侧限抗压强度值从2.288 MPa提高到2.402 MPa，提高了4.98%，可以看出7天无侧限抗压强度值提升的速率减小，但无侧限抗压强度值再提高，力学性能变好，故提高混合料的压实度可以提高改良风积沙的力学性能，使其达到公路路基的要求.

(3)养护龄期对水泥改良风积沙的无侧限抗压强度的影响.

图6 养护龄期与无侧限抗压强度的关系曲线

通过表3的试验工况进行室内试验，为了保证试验的准确性，每种工况做三个试件，最后结果取三个试件的平均值作为每个掺量的无侧限抗压强度值.如图6所示.

如图6所示，横坐标的意思是试件的养护龄期，纵坐标的意思是无侧限抗压强度.从图6上可以看出，随着试件的养护龄期的增大，7天无侧限抗压强度值也随之增大.试件的养护龄期从14天增加到21天，无侧限抗压强度值从4.92 MPa提高到5.69 MPa，提高了13.53%，试件的养护龄期从21天增加到28天，无侧限抗压强度值从5.69 MPa提高到6.13 MPa，提高了7.73%，可以看出无侧限抗压强度值提升的速率在减小，但无侧限抗压强度值再提高，力学性能变好，故提高试件的养护龄期可以提高改良风积沙的力学性能，使其达到公路路基的要求.

4 实验结论

根据本次室内试验的数据，本文分析了水泥掺量、压实度和养护龄期对改良风积沙的无侧限抗压强度的影响，在本试验下得出以下结论.

(1)改良风积沙的强度性能随着固化剂的掺量的增加而增大，但是增长的速率逐渐减慢.

(2)改良风积沙的强度性能随着混合料的压实度的增加而增大，但是其增长的速率减慢，混合料的压实度达到95%，力学性能基本稳定.

(3)改良风积沙的强度性能随着养护时间的增加而增大，但是强度增长的速率减慢，养护21天，试件的强度基本稳定.