水泥加固类路面基层填料的浸水强度

2021-02-24王晟华王小敬崔宏环金成勇

科学技术与工程 2021年1期

王晟华,王小敬,崔宏环,金成勇

(1.北旺建设集团有限公司，承德 067000；2.河北建筑工程学院土木工程学院，张家口 075000)

路面基层是在原始地面线上按照公路的纵断面设计和横断面设计要求挖方或填方而成的岩土结构物[1-3]。对于公路面基层层而言，强度和稳定性是其主要的评价指标。影响路面基层土强度和稳定性的因素有很多，水的作用是主要的因素之一。低液限黏土是华北中部地区常见土质之一，用作路面基层填料，易产生不均匀沉降、塌陷等工程病害。因此要对路面基层土进行加固，水泥加固土是化学加固土中的一种，主要通过在素土中加入水泥固化剂来提高素土的工程性能。在实际工程中降雨和地下水对路面基层的影响尤为显著，因此对水泥加固土作为路面基层填料的水稳定性进行研究是非常重要的。

在重塑土或者结构土中加入一定量的固化剂，均匀混合后得到的混合料在击实与养生后，其强度满足公路路面基层设计规范要求的材料称为水泥加固材料[4]。水泥加固土的物理力学特性主要有应力-应变特性、疲劳特性和干缩温缩特性等。刘占一[5]进行了水泥加固土的抗剪试验研究，指出水泥加固可以很大程度上提高土样的抗剪强度；随着加水量和水泥占比的增加，抗剪强度不断增大；张凯等[6]研究了重塑水泥加固黄土的力学特性，得到了水泥加固土的应力-应变关系曲线，发现加固土表现出明显的脆性破坏；董城等[7]对水泥加固高液限黏土进行了研究，指出水泥加固土的有效应力与周围压力均对动三轴下的弹模有显著性影响，但有效应力的影响更为显著；刘雨等[8]对水泥加固土的静力特性进行了研究，发现水泥加固土和未加固土均具有应变软化性和剪胀性，加固土的应变软化性和剪胀性均比未加固土的显著；阮庆等[9]对水泥土力学性能展开了研究，指出水泥加固土的单轴抗压强度随着水泥占比的增加而增大,随着含水率的增大而减小。

目前，对水泥加固土研究多集中在标准养生条件下，对于地下水位较浅、降水量大的地区，地表水下渗到路面基层极端不利状况，路面基层水泥加固土填料在浸水的条件下强度的变化规律，以及在水中养生的加固土强度特性的研究并不多，相关记录文献也比较少，试验对水泥加固土在水中养生的力学特性进行重点研究，以期为路面基层加固土填料的全面研究提供理论参考。

1 试验概况

1.1 土样的物理性质

试验所用土样取自路面基层土。根据土的工程分类判定土样为低液限黏土，通过筛分试验得到了级配曲线，其中小于0.075 mm粒径的占26.81%，小于0.005 mm粒径的占13.17%，黏粒占比较高，其主要物理性质如表1所示。

表1 素土的物理性质Table 1 Physical properties of plain soil

1.2 试样制备

试验所用固化剂为水泥(PC32.5),初凝时间为4 h。试样制备过程需考虑水泥的初凝时间，所以需先配制一定含水率的土样，装入保鲜袋闷制24 h，保证水分充分扩散，根据水泥占比的不同加入水泥质量：干土质量为1∶50、1∶25、3∶50、2∶25的水泥。采用静压制件法以95%压实度制成直径×高(50 mm×50 mm)圆柱形试件，成件后脱模进行养生，一部分进行标准养生，另一部分先进行标准养生，再进行水中养生，如图1所示；水中养生是将试件浸没于恒温(20±2) ℃养生箱中养生，水面没过试样顶面20 mm，具体养生周期安排如表2所示。试验的制件工艺、试验过程，标准养生方法参考《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2015)[10]。

图1 试件水中养生Fig.1 Specimen curing in water

表2 水中养生周期Table 2 Water curing cycle

2 试验结果分析

2.1 击实试验

击实试验是保证路面基层压实度可以达到规范要求必不可少的试验，对不同水泥占比(素土、1∶50、1∶25、3∶50、2∶25)的加固土进行重型击实试验，测定出每种占比下加固土的最佳含水率和对应的最大的干密度，如表3所示。

表3 不同水泥占比下的击实试验结果Table 3 Compaction tests result under different cement contents

由表3可知，原土样经水泥加固后，加固土的最佳含水率灵敏度比原土样有减小的趋势，且随着水泥含量的增加而下降。从图2所示的击实曲线可以看出，原土样的击实曲线较为陡峭，经水泥加固后较为平缓，随着水泥含量的增加，击实曲线越发平缓。

图2 不同水泥占比下的击实曲线Fig.2 Compaction curves under different cement contents

由于水泥粒径较小，单位质量的水泥与水的接触面积大，即使携带着土颗粒反映仍然剧烈，在短时间内可使土颗粒凝聚成团，大体积的球体影响压实效果，从而导致最大干密度下降，图3是土样的最大干密度随水泥占比增加的趋势，随着水泥掺量的增加，土样的最大干密度减小，但最佳含水率变化没有明显规律。

图3 最大干密度与水泥掺量的关系Fig.3 Relationship between maximum dry density and cement content

2.2 浸水单轴抗压强度

2.2.1 水泥占比

试验的含水率为击实试验得到的不同水泥掺量下的最佳含水率，压实度为95%，水泥掺量为1∶50、1∶25、3∶50、2∶25，养生时间为7、14、28、90 d。为保证试验结果精度，每种情况采取平行试件不少于6 个[11]。水中养生条件下水泥加固土单轴抗压强度如表4所示，拟合曲线如图4所示。

从图4可以看出，在养生时间一定的情况下，加固土的抗压强度随着水泥占比的增加而增加，采用一次函数模型对水泥加固土的单轴抗压强度平均值和水泥占比进行线性拟合，养生时间为7、14、28、90 d的水泥加固土试件的单轴抗压强度与水泥占比函数关系式分别为

y= 10.95x+ 1.536,R2=0.976 1

(1)

y= 14.5x+ 1.6,R2=0.980 4

(2)

y= 19.6x+ 1.628,R2=0.998 6

(3)

y= 29.8x+ 1.679,R2=0.998 9

(4)

由式(1)～式(4)可知，线性拟合相关系数均较高，表明采用一次函数模型能够较好地表征水泥加固土试件的单轴抗压强度与水泥占比的相关关系。随着养生时间的增加，拟合函数的斜率也逐渐增大，28 d和90 d拟合函数的斜率较7 d和14 d的斜率增加1倍，表明水泥占比的增加对水泥加固土后期强度的影响较前期强度更显著。

表4 水中不同养生时间下水泥加固土的抗压强度Table 4 Compressive strength of cement improved soil under different water curing time

图4 浸水单轴抗压强度随水泥占比变化拟合曲线Fig.4 Fitting curve of unconfined compressive strength under immersion with the change of cement content

2.2.2 养生时间

图5所示为浸水单轴抗压强度随养生时间变化曲线图，可以看出：水泥加固土的抗压强度都随着养生时间增加而增加，养生前28 d，水泥加固土抗压强度曲线走势较陡，28 d后，水泥加固土的抗压强度出现转折点，之后抗压强度增长趋于平缓。

图5 浸水单轴抗压强度随养生时间变化曲线Fig.5 Change curve of unconfined compressive strength of immersed water with curing time

单轴抗压强度RC与养生时间T的关系可用复合对数方程表示，即

RC=ln(bT+c)

(5)

式(5)中：RC为水泥加固土单轴抗压强度，MPa；T为养生时间，d；b、c为与加固土物理性质相关的参数。

为了进一步研究水泥加固土的单轴抗压强度和养生时间的关系，引入了单轴抗压强度增长速率的概念，即

V=dRC/dT=b/(bT+c)

(6)

式(6)中：V为单轴抗压强度增长速率，MPa/d。

从水中养生条件下水泥加固土的单轴抗压强度增长速率的曲线中可以看出，随着时间的增加，抗压强度的增长速率逐渐减小，水泥占比为6%的试件7 d的增长速率是28 d的3倍，到28 d时水泥加固土的抗压强度平均增长速率减小到0.101 MPa/d，基本上趋于稳定，同时其抗压强度达到90 d抗压强度的92%，水泥的水化反应基本完成。

由式(6)得到水泥加固土单轴抗压强度增长速率关系曲线如图6所示。