水泥改良黄土物理和力学特性试验研究

瞿海洋

(湖南致力工程科技有限公司，湖南 长沙 410208)

0 引言

黄土是一种特殊土，具有水敏性、大孔性、结构性、湿陷性和地震液化性等特性[1-2]。已有学者对黄土的不良工程特性进行了一系列改良研究。Locat等[3]研究了水泥、石灰对黄土改良的效果，文鎔等[4]研究了水泥剂量和龄期对黄土抗压强度影响关系、土的含水率对土体性质的改变及对土的密实度和土强度影响。周志军等[5]采用4种地基处理方式对湿陷性黄土地区公路地基进行处理，通过试验结果得出了不同处理方法的改良效果和适用条件。杨梅等[6]进行了石灰改良黄土试验，分析了改良黄土性能。房建宏等[7]研究了青海省黄土的颗粒组成、含盐量、湿陷性等基本物理力学性质和工程特性。裴元新等[8]通过研究黄土高填土工程的合理填土含水率范围，为控制压实黄土的含水率提供了参考依据。

在湿陷性黄土地区工程建设中，一般采用其他物理和力学性能较好的填料将其换填，或者采用石灰或化学剂改良的方法对黄土进行改良后用于路基填筑[9]。换填虽然能够解决黄土地区路基问题，但存在环境破坏、土地资源浪费，成本过高等一系列不利因素，所以将改良黄土运用于路基填筑具有重要的价值和意义。本文就湿陷性黄土改良进行研究，以期改良后的湿陷性黄土能作为路基填料使用。

1 试验方案

1.1 试验材料

土样取自某路基挖方段。分别在3个位置进行取土，编号为1#、2#和3#，其物理性质如表1所示。

表1 黄土的物理性质取土编号液限ωL/%塑限ωP/%最优含水率/%最大干密度/(g·cm-3)1#28.218.912.41.862#28.118.712.01.883#26.117.812.01.91

采用32.5硅酸盐水泥，通过室内试验进行检测，水泥初凝时间为230 min，终凝时间为327 min，具体指标如表2所示。

1.2 试验过程

水泥剂量是指水泥掺合料质量与土质量的百分比，本文水泥改良黄土的水泥剂量分别为4%、5%、6%、7%、8%。对改良后的黄土物理特性分别进行液塑限试验、击实试验；对改良后黄土的力学特性分别进行无侧限抗压强度试验、CBR试验、湿陷性试验。

表2 P·C32.5水泥指标试验项目凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d试验数值2303273.46.617.537.3技术要求≥180≤600≥2.5≥5.5≥10.0≥32.5

1.2.1液塑限试验

将3个位置取回的黄土置于阴凉处进行风干，利用筛子剔除粒径大于0.5 mm的组分。每个取土场各取4份200 g代表性土样，分别掺入4%、5%、6%、7%、8%的水泥，然后用纯水将不同水泥掺量改良的黄土试样调制成均匀膏状，采用液塑限联合测定仪测定水泥改良黄土液塑限值。

1.2.2击实特性试验

按上述方法及掺比制备改良黄土样品，每份样品重量约为4.5 kg，选定用重I型击实试验确定各取土场不同水泥掺量改良黄土的最优含水率ωop和最大干密度ρdmax。

1.2.3无侧限抗压强度试验

3个位置随机取一定量的扰动黄土，试样风干后经过0.5 mm筛进行筛分，配制上述5种水泥掺量试样，各取土场的不同水泥掺量试样均制作12个，含水率采用击实试验中各水泥掺量的最优含水率，且要求压实系数K=0.95。试样尺寸为φ50 mm×h100 mm，试样配制完成后进行标准养护，养护时间分别为7、14、28 d。随后正式开展抗压强度试验，采用应变控制法进行匀速加载，控制变形的增长速率约为1.52 mm/min，当试样破坏时停止加载。

1.2.4CBR试验

对上述5种水泥掺量的水泥改良土进行CBR试验，按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[10]进行。

1.2.5湿陷性试验

从1#、2#和3#取土场随机取一定量的扰动黄土，试样风干经过0.5 mm筛进行筛分，配制成4%、5%、6%、7%、8%共5种水泥掺量试样，含水率采用各水泥掺量最优含水率，且要求压实系数K=0.93，养护时间统一为7 d，试样尺寸为φ79.8 mm×h20 mm。每个取土场每种水泥掺量的水泥改良黄土各进行1组4个试样的试验。

2 试验结果分析

2.1 界限含水率

根据上述液塑限试验方案进行试验，由试验结果绘制出各改良土wL、wP、Ip与水泥掺量的关系曲线，如图1所示。

a)液限

b)塑限

c)塑性指数

由图1可知，水泥改良后黄土的液塑限值与原状土相比显著提高，且随水泥掺量增大呈增大趋势，不同取土位置的土样变化值幅度不同；塑性指数在水泥掺量为4%～5%时达到峰值，随后有减小趋势。究其原因是黄土填料加入水泥后，改变了黄土中的颗粒结构，并且与原黄土中颗粒产生化学反应，形成胶结物，从而改变了原黄土的塑液限值。

2.2 击实特性

根据上述击实特性试验方案进行试验，由试验结果绘制各取土场最优含水率、最大干密度与水泥掺量的关系曲线,如图2所示。

a)最优含水率

b)最大干密度

从图2可以看出,在重型击实试验中，改良黄土与原状黄土相比，最优含水率在水泥剂量为5%时达到峰值，但最佳含水率都高于原状土；在不同水泥掺量条件下，改良黄土最大干密度变化幅度不大。其原因为水泥掺入黄土后开始吸收水分，考虑到黄土水稳性较差(产生附加下沉)，需选用最优含水率较大的水泥掺量。综上所述，选用4%、5%和6%水泥掺量进行试验段施工比较经济可靠。

2.3 抗压强度

计划开展各个养护龄期下的改良土饱和无侧限抗压强度(UCS)试验，但14 d和28 d试件在养护过程中有不同程度破损，故取7 d养护试件的无侧限抗压强度试验比较，并将各取土场相同水泥掺量同一龄期4个试样试验结果的平均值作为最终试验结果。由试验结果绘制出不同水泥掺量改良黄土UCS曲线，如图3所示。

a)7 d无侧限抗压强度

b)14 d无侧限抗压强度

c)28 d无侧限抗压强度

从图3可以看出，在不同水泥掺比下，改良后黄土的UCS大于0.35 MPa，适用于高速公路路基填筑。水泥剂量和改良黄土的UCS大致呈线性关系。

2.4 CBR值

根据上述CBR试验方案进行试验，由试验结果绘制出各取土场在30、50、98击下CBR与水泥掺量的关系曲线,如图4所示。

a)30击

b)50击

c)98击

从图4可以看出，水泥改良后CBR值显著提高，说明黄土的承载能力增大，CBR值与水泥剂量和击实次数均成正相关关系。

2.5 湿陷性

黄土的湿陷性采用湿陷系数δs进行判定，湿陷性评价标准如表3所示。

表3 黄土的湿陷性评价标准湿陷性类型评价指标湿陷系数(δs)湿陷性非湿陷性黄土δs<0.015湿陷性黄土δs≥0.015湿陷性轻微0.015≤δs≤0.03湿陷程度湿陷性中等0.03<δs≤0.07湿陷性强烈δs>0.07

根据湿陷性试验结果，绘制出各取土场不同水泥掺量改良黄土和湿陷性系数的关系曲线(见图5)。

图5 不同水泥剂量下的湿陷系数

从图5可以看出水泥可以显著改良湿陷性黄土的湿陷性。1#、2#和3#原状土的δs分别为0.016、0.019和0.024，均大于0.015，为湿陷性轻微黄土，而改良后黄土δs均小于0.015，表明不再具有湿陷性，且随着水泥掺量增加，δs逐渐减小，表明当湿陷性轻微时，进行水泥改良可以较好地消除黄土的湿陷性，为改良湿陷性黄土提供了一种很好的选择方法。

3 水泥改良黄土路基现场应用研究

在路基现场建立了水泥改良黄土路基试验段，并采用路拌法进行施工，水泥掺量选择5%，施工工序如图6所示。

图6 现场水泥改良施工工序(路拌法)

施工结束后，分别利用核子密度仪对改良黄土路基和普通黄土路基开展压实度检测，并且以环刀取样进行UCS试验检测。检测对比结果如表4和表5所示。

表4 不同碾压次数后的压实度检测结果% 填土类型静压2次静压4次振压4次振压6次改良黄土93.295.195.896.3普通黄土91.792.693.193.8

表5 无侧限抗压强度检测结果MPa 填土类型7 d14 d28 d改良黄土1.421.802.02普通黄土0.720.750.76

从路基现场检测对比结果可知，采用合理工序进行路拌水泥改良后，黄土更易于压实，此外，改良黄土的UCS达到普通黄土的2倍以上，而且随着养护天数增加而增长。由此可见，水泥改良后黄土的工程性质得到了显著改善。

4 结论

1)水泥改良后黄土的wL和wP随着水泥掺量增加而上升，IP在水泥掺量为4%～5%时达到峰值；选用最优含水率较大的水泥掺量时，采用4%、5%和6%水泥掺量进行试验段施工比较经济可靠。

2)改良后黄土的UCS全部大于0.35 MPa，并且与水泥剂量、龄期呈现一致性变化关系，即当水泥剂量不断增加时，改良黄土的UCS不断地上升，同时也随养护龄期增加而上升。

3)水泥改良后CBR值显著提高，强度上升，与水泥掺量呈正相关，并且随着击实次数增加，承载比呈上升趋势。

4)水泥可以很好改良黄土湿陷性，随着水泥掺量增加，湿陷系数逐渐减小，黄土不再具有湿陷性。

5)采用合理的工序进行路拌法水泥改良后，黄土更易压实，此外改良黄土的UCS达到普通黄土的2倍以上。从实际工程来看，水泥改良后黄土的工程性质得到了显著改善。