水泥改良张家口坝上风积沙的击实试验和耐久性研究

张海岛 李桂英

(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 0750003.张家口市产品质量监督所，河北 张家口 075000)

1 引 言

随着社会的进步，人们的生活水平日益提高，人们对交通的依赖性越来越强，从古代的愚公移山到19世纪50年代的土路再到现在的高速公路，说明人们对公路的需求越来越高，尤其1998年的经济危机对我国的冲击，使我国要意识到转换经济发展模式，提高基础设施的建设，故我国在公路上开展了大规模的经济建设.到21世纪以来，我国高速公路的建设并使用达到两万五千多公里，仅次于美国.在2004年底，我国高速公路的使用量已经达到了3万公里.然而路基填土需要很大的土方量，但是优质的填土很缺乏，国内外很多国家在修路的时候都遇到了这个问题，这时就需要在原有的土体上进行改良使原土体达到优质填土的要求.风积沙在我国广泛分布，尤其在张家口的坝上地区分布着大量的风积沙，若这些风加沙能得到充分利用，会充分的解决路基填土的问题.张家口坝上地区比较寒冷，改良的风积沙会面临耐久性能的问题，为了改良风积沙使其达到公路路基的使用要求，诸多学者做了大量的研究.李万鹏通过研究风积沙击实效果的影响因素得到含水量是影响击实结果的重要因素，水泥改良风积沙的最优含水率会随着击实功的增大而变小，最大干密度随着击实功的增大而增加，但随着击实功的增大，对最优含水率和最大干密度的影响也会越来越小的结论[1]；朱学坤等通过研究新疆内陆风积沙击实特性得到风积沙的击实曲线和粘性土由很大的区别，击实风积沙的曲线会出现两个峰值，一个是干燥状态下，一个是饱和状态下[2];余利宾通过研究冲击振动压路机模型对风积沙压实的试验，得出重型击实法和马歇尔击实法两种方法下风积沙的击实结果不变，击实曲线都是倒s形，即随着含水率的增大，干密度先增大后减小的结论[3];杨志清通过研究风积沙的击实特性得出了在最不利含水量时的击实干密度较干燥状态下的最大干密度相差不大的结论[4]；加拿大铁矿公司联合政府及社会各界在尾矿污染区种植了不同的植物[5]；K M Lee等研究土工合成材料对沙土边坡基础承载特性的影响得出了在沙土边坡的基础中加入土工格栅，可以明显改善基础的沉降和承载能力的结论[6];

基于上述学者的研究，通过室内试验研究张家口坝上地区风积沙的击实特性和耐久性能.

2 试验概况

2.1 试验材料

(1)风积沙.

本次试验的风积沙取自张家口坝上地区，属于粉质粘土，通过筛分法和密度计法联合试验得到该试验配土的颗粒级配如表1所示，试验时将试验土样和水泥按照一定比例配制成水泥改良风积沙.

表1 试验土样颗粒组成

(2)水泥.

本试验采用标号32.5的普通硅酸盐水泥，其各项物理力学指标见表2.

表2 水泥物理力学指标

2.2 击实试验

(1)试验步骤.

将原样风积沙放入图1所示为x101-4的电热鼓风干燥箱内进行烘干，然后将干燥好的风积沙经过5mm的圆孔筛后，每个击实筒放2500g混合料，混合料包括风积沙，水泥和水，不同掺量和不同含水率对应的土体质量不同.试验前将风积沙和水搅合均匀放在塑料袋中密封焖12h，12h后将水泥按算好的质量加入焖好的土料中，搅拌均匀后分五次装入内壁涂抹凡士林击实筒内，每次放入质量500g左右，然后用如图2所示的数控多功能电动击实仪进行击实，数控多功能电动击实仪的型号是SKDJ-1型，每层击实27次，然后进行下一次填料，击实，直至击实五次结束，用刮土刀将击实筒表面多余的土体移除，直至土体表面与击实筒上表面平行，然后用图3所示的电动液压脱模机进行脱模，称重.按公式1换算出混合料的最大干密度，由此得出最大干密度和最佳含水率.

图1 电热鼓风干燥箱 图2 数控多功能电动击实仪

图3 电动液压脱模机

(1)

式中：ρd—混合料的干密度(g/cm3)；ρ—混合料的湿密度(g/cm3)；ω—混合料的含水率(%).

(2)试验工况.

“我是个黑白照片迷，我经常观察生活中的一些物体来构想它们的形状是否能组成一张黑白画面。这张建筑照片非常清晰，让我们仿佛置身于画面中，并朝向最前面的出口走去。”

根据张家口坝上地区的施工情况，水泥掺量的为4%、6%、8%三个，含水率均选择6%、8%、10%、12%、14%五种，故一共对应25组击实试验.详情见表3，每个固化剂掺量对应五个含水率.

表3 击实试验数据情况

(3)实验结果及分析.

水泥掺量为3.5%的改良风积沙的击实试验结果如图4所示.

图4 水泥4%掺量的风积沙干密度与含水率关系曲线

如图4所示，横坐标代表水泥改良风积沙的含水率，纵坐标代表水泥改良风积沙的干密度.由图4可知，水泥改良风积沙的击实曲线呈倒S型，即水泥改良风积沙的干密度与含水率呈先减小后增大再减小的趋势，说明水泥改良风积沙在含水率为8.89%，13.77%左右时均可达到较高的压实度.且通过图4可知，水泥4%掺量改良风积沙的最大干密度为1.88g/cm3，且最优含水率为13.77%.其他水泥掺量的结果见表4，表5.

表4 水泥掺量6%改良风积沙击实试验的结果

表5 水泥掺量8%改良风积沙击实试验的结果

为了进一步研究最大干密度和最优含水率与水泥掺量的关系，见图5，图6.

图5 最大干密度与水泥掺量的关系曲线

图6 最优含水率与水泥掺量关系曲线

如图5所示，横坐标为水泥掺量，纵坐标为最大干密度.由图5可知，最大干密度与水泥掺量呈正相关，即随着水泥掺量的增大，最大干密度也随之增大.表明水泥在拌和风积沙的过程中，水泥填充了风积沙的空隙，然后水泥经过水化作用在风积沙中形成了骨架结构，提高了风积沙的密实性，从而导致干密度越来越大，进而提高了风积沙的压实度.

如图6所示，横坐标为水泥掺量，纵坐标为最优含水率.由图6可知，最优含水率与水泥掺量呈负相关，即随着水泥掺量的增大，最优含水率随之增小，从图6可以看出减小的速率越来越小，分析可知，水泥在碳酸化反应中会生成一部分水，降低了对风积沙中水的需求.

2.3 干湿循环实验

(1)试验工况.

改变水泥掺量，进行循环.干湿循环不同水泥掺量试验试件配比如表6.

表6 干湿循环不同水泥掺量试件配比

通过(1)的试验试件，干湿循环不同水泥掺量试验无侧限抗压强度试验结果如表7，图7.

表7 干湿循环不同水泥掺量试件的无侧限抗压强度

图7 干湿循环次数与无侧限抗压强度关系图

图7为干湿循环次数与无侧限抗压强度关系曲线，如图7所示，一次干湿循环后，当水泥掺量从6%增大到8%时，强度从1.97MPa增长到2.51MPa，而水泥掺量增加到10%时，强度增加到2.63MPa，对比发现水泥掺量从6%增加8%时强度增长较快.从第一次干湿循环到第二次干湿循环，水泥掺量14%时，水泥改良风积沙强度从3.06MPa降低至2.71MPa，下降较为快速，第二次到第三次降低至2.65MPa，对比发现，水泥改良风积沙破坏发生在第二次干湿循环.

2.4 冻融循环实验

(1)试验工况.

通过改变水泥掺量，进行冻融循环，得出水泥掺量、冻融循环次数与无侧限抗压强度的关系，试件数据如表8所示.

表8 冻融循环不同水泥掺量试件配比

(2)试验分析.

通过(1)的试验试件，冻融循环不同水泥掺量试验无侧限抗压强度试验结果如表9，图8.

表9 冻融循环不同水泥掺量试件的无侧限抗压强度

图8 冻融循环次数与无侧限抗压强度关系图

由图8可知，9次冻融循环后，水泥掺量从6%增加到14%，强度从1.24MPa增加到2.57MPa,当水泥掺量大于等于10%时，强度均大于2MPa,说明10%水泥掺量改良风积沙具有成效.5次冻融循环，水泥改良风积沙强度损失率在30%-48%之间，10%水泥掺量强度损失最小.强度下降是五次循环下降最快的，这也说明水泥改良风积沙此时破坏最快.

3 实验结论

根据本次室内试验的数据，本文分析了击实试验的各种因素下干密度与含水率的关系，也分析了水泥掺量对最大干密度和最优含水率的影响，在本试验下得出以下结论：

(1)水泥改良风积沙的击实曲线呈倒S型，即随着含水率的增加，改良风积沙的干密度呈先减小后增大再减小的趋势，从而曲线会出现一个峰值，此峰值对应的干密度为最大干密度，对应的含水率为最优含水率.

(2)水泥改良风积沙的最大干密度与水泥掺量呈正相关，也就是说水泥掺量增大，最大干密度也会随之增大，因为水泥在拌和风积沙的过程中，水泥填充了风积沙的空隙，然后水泥经过水化作用在风积沙中形成了骨架结构，从而提高了风积沙的密实性，进而导致干密度越来越大；最优含水率与水泥掺量呈负相关，即水泥掺量增大，最优含水率减小，因为水泥在碳酸化反应中会生成一部分水，降低了对风积沙中水的需求.

(3)随着干湿循环次数的增加，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度变小，在相同干湿循环次数下，水泥掺量越大，无侧限抗压强度越大.故提高水泥掺量，减小干湿循环次数可以提高改良风积沙的耐久性能.

(4)随着冻融循环次数的增加，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度变小，在相同冻融循环次数下，水泥掺量越大，无侧限抗压强度越大.故提高水泥掺量，减小冻融循环次数可以提高改良风积沙的耐久性能.