干湿循环作用下改良粉质粘土的路用性能

崔宏环 朱超杰 杨尚礼 胡淑旗

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

随着高速公路路网逐渐完善，道路交通负荷越来越大，极端气候下运行的公路也越来越多，高等级公路暴露出了许多问题，如车辙、开裂、水损等破坏现象。路基是公路的主要承重结构，对于高速公路的使用性能有着很大的影响。高速公路服役过程中经常处于不同的环境中，路基的使用寿命受气候影响较大，干湿循环是导致公路路基填料力学特性及使用性能衰减的一个重要原因。大量研究表明，土体经历干湿循环后会在内部初始孔洞与微裂纹等薄弱处产生裂隙，并逐渐扩展延伸形成复杂的裂隙网。但裂隙并不是持续发展的，它会随着干湿循环次数的增加在试样内部逐渐达到一种平衡，从而使得土体形成新的稳定结构[1]，素土在经历4至5次干湿循环后，内部结构会逐渐达到这种平衡[2- 3]，这种稳定结构土样的各项性能均有所降低，适用性小。有鉴于此，研究者们开始通过掺入水泥、石灰、二灰等固化剂进行一系列的土质改良，以期达到更广泛的应用。例如，文献[4- 6]通过对改良土的干湿循环试验发现，改良土中粘粒团的干缩湿胀是导致水泥改良土强度衰减的主要原因，干湿循环效应加固了改良土的核心结构而外部结构遭到削弱，并且水泥的加入使得改良后的土样发生脆性破坏，应力应变曲线出现应变软化现象[7]。文献[8- 10]分析了不同干湿循环次数对改良土的强度衰减机理，得出了单轴抗压强度及承载强度的变化规律。

对于工程中应用的化学改良土，改良剂的质量分数一般不超过10%，土中虽然形成了石灰或者水泥凝胶网，但固化剂发挥的作用有限，并不能完全隔绝网内包裹的土颗粒团与外界的接触，对于水稳定性差的土样，改良后仍会受干湿循环的影响[11]。而地处温带大陆性季风气候带的冀北地区夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，路基填料在干旱季节失水收缩，雨季吸水饱和膨胀，反复的不均匀应力导致土体结构发生变化，土的强度和使用性能降低。有鉴于此，文中以加州承载比(CBR)与无侧限抗压强度为指标，模拟路基改良土在冀北地区的服役过程，并对其使用性能进行研究，旨在通过研究，提出科学、完善的在役高速公路路基劣化机理、损伤规律，为高速公路设计施工提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验选用河北金隅水泥公司P.O42.5普通硅酸盐水泥为改良剂，试验用水为张家口市自来水，土样取自张家口市某工程现场，通过室内基础试验分析，得出该土样为粉质粘土，物理指标如下：塑限，13%；液限，29%；塑性指数，16；液限指数，0.35；最优含水率，13%；最大干密度，1.81 g/cm3。

1.2 试验方案

文中试验按照GB/T50123—2019《土工试验方法标准》及JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行实施。将现场取回的土样晾晒、碾压、过20 mm筛，筛除大颗粒土样及石子等杂物，放置烘箱中干燥24 h。按照各水泥稳定土的最优含水率制备98击的CBR试样及95%压实度、100 mm×100 mm截面的圆柱体无侧限抗压试样，分别养护7 d和28 d，当试样达到养护龄期后进行干湿循环及其他力学性能试验。干湿循环是一个多因素相互作用的复杂过程，循环次数、循环幅度、含水率、裂隙等各因素对试样的力学性能都有显著影响[12]，为模拟最不利影响，干湿循环采用先湿后干的模式[13]，增湿过程中每隔2 h称量一次试样的质量，当试样质量不再发生变化、达到自然饱和时，即完成了一次增湿过程；脱湿在100±2 ℃的鼓风干燥箱内进行，采用同样的方法，当试样质量不再发生变化时认定完成了一次干燥过程，再次增湿时将试样从干燥箱中取出冷却至室温后重复上述过程。

达到养护龄期后取出CBR试样，将模具与试样一起置于水槽中。零次干湿循环试样直接浸水96 h后进行贯入试验，其他试样达到预定干湿循环次数后浸水96 h再进行室内CBR贯入试验。分析其土质改良后的CBR值变化规律，结合工程实际情况，得到最优的改良配比。

试验发现，无侧限抗压试样由于没有模具的约束，在增湿过程中直接浸水发生崩解，故利用毛细作用进行干湿循环。基于粉质粘土毛细水作用强烈的特征，干湿循环中的毛细作用可使试样充分饱和，该方法可模拟干湿循环中的吸湿过程[14]。具体操作方法如下：在水池内放置透水石，其上铺设滤纸，将称重后的试样置于滤纸上。达到干湿循环次数后再增湿12 h进行室内抗压试验。

2 试验现象及结果分析

2.1 干湿循环作用下CBR值的变化规律

从图1可以看出：未经干湿循环作用的试样的CBR值均大于10%，能够满足公路工程中的使用要求；但是，随着干湿循环次数的增加，CBR值逐渐减小，经历5次干湿循环后，7 d养护龄期试样的CBR值仅为2.84%，已不再满足最低工程要求[15]，经历9次干湿循环后，两种龄期的试样均发生崩解。在正常气候地带，粉质粘土的CBR值可以满足公路工程要求，但在雨水较多的气候区，则有必要考虑土样的改良。

由表1所示素土干湿循环后的质量变化可知：7 d养护龄期中，素土在经历0-5次干湿循环时，试样质量的变化幅度逐渐增大；随着干湿循环次数的增加，试样的吸水量和失水量均增大，说明试样内部微裂隙正在发展；当达到第5次干湿循环时，试样开始出现掉块现象，该现象随干湿循环次数的增多而愈发明显；达到第7次干湿循环时，部分试样出现崩解，因此在第7次循环时吸水质量出现波动。第9次干湿循环时，大多数试样发生掉块、崩解。

图2中所示平均失水率及平均吸水率表征了经历n次干湿循环后试样质量与养护完成后试样质量的变化。由于养护结束后试样内部仍含有水分，因此平均失水率与平均吸水率在数值上不处于同一水平。从图2(a)可以看出，28 d龄期的CBR试样平均失水率先增大后趋于稳定。图2(b)显示试样增湿过程中吸水率呈先增大后减小的趋势，这是因为干湿循环的初始阶段试样具有一定的孔隙率，水分以较小的渗透量渗入试样，并且适宜的水分促进了试样的养生，水泥水化作用得到不断加强，增强了颗粒之间的胶结作用，从而使试样的水稳定性明显提高，平均吸水率和失水率都逐渐增大，承载强度逐渐增强。随着时间的推移(干湿循环次数的增加)，增湿环境下养生作用不再处于主导地位，吸收的水分开始降低，试样受到的不均匀应力以裂隙的发展为主，其原始结构遭受破坏，细微裂纹扩展、加深，最终发展形成大裂隙，破坏了试样的完整性，导致试样吸湿时毛细作用减弱，吸水率降低，失水率也逐渐减小，结构达到新的平衡，试样的吸水率与失水率趋于稳定。

由图3所示CBR值变化规律可以看出：干湿循环作用下，CBR值整体呈指数型变化；2%水泥掺量改良土的CBR值在第3次干湿循环时达到峰值，相对其他水泥掺量的改良土，其峰值出现较早，3次干湿循环后水化能力不能修复试样内部损伤，CBR值开始降低，经历12次湿循环后试样崩解，因此干湿循环15次的CBR值为0；4%水泥掺量改良土的变化趋势与2%水泥掺量改良土类似，但试样未发生崩解；而6%、8%较大水泥掺量的改良土，其CBR值到第9次干湿循环后开始下降，说明在峰值出现之前水泥的水化反应可以抵消干湿循环所造成的试样损伤，第9次干湿循环后水化作用不能抵消试样的损伤，因此CBR值出现下降，这与文献[11]的研究结果较为一致，即28 d养护龄期的水泥改良土仍有较小部分水泥会在干湿循环过程中继续发生水化作用。

图3 28 d养护龄期改良土干湿循环后的CBR值变化

由于水泥改良土与混凝土均掺有水泥，各指标受水泥掺量影响较大，有着极其相似的性质，故引用混凝土研究中的水泥CBR影响因子进行分析[16]。水泥CBR影响因子(水泥用量与CBR值之比)越大说明试样在相同水泥掺量下的承载强度越小，对于工程应用的贡献值越小。当水泥CBR影响因子较小时，水泥对试样整体的性质贡献较大，改良土性质更稳定。从图4中可以看出：水泥CBR影响因子受水泥掺量的影响较大，随着干湿循环次数的增加，水泥CBR影响因子先降低后升高;早期干湿循环时，水泥CBR影响因子下降幅度较大，但试样在经历3-5次干湿循环后，其水泥CBR影响因子急剧增大，其中2%、4%水泥掺量的试样增大尤为明显，直至破坏;6%与8%水泥掺量的试样增大较为缓慢，且6%水泥掺量试样的水泥CBR影响因子最低,这说明6%水泥掺量的改良土抵抗干湿损伤的能力强，在实际工程应用中有较好的使用性。

图4 不同水泥掺量试样的水泥CBR影响因子

为更加直观地体现干湿循环对CBR值的影响，文中采用CBR值损失率进行分析，计算公式如下：

(1)

式中，CBR0为0次干湿循环的CBR值，CBRn为n次干湿循环后的CBR值。由图5可以看出，随干湿循环次数的增加，素土与2%水泥掺量改良土的CBR值损失率的变化值出现逐级递减的现象。当水泥掺量为4%、6%、8%时CBR值损失率出现负增长，且水泥掺量较大时损失率较低，说明水泥掺量较高的改良土出现了强度增长现象。这是因为试样中水泥掺量较多时，水化反应可以持续贡献CBR值。

图5 28 d养护龄期试样的CBR值损失率Fig.5 CBR loss rate of samples at 28 d curing age

从图6可以看出，28 d养护龄期中，2%水泥掺量改良土试样在0次干湿循环时贯入2.5 mm所需的单位压力均大于5次、9次干湿循环的试样，在第3次干湿循环时贯入2.5 mm与5.0 mm所需的单位压力达到最大，说明2%水泥掺量改良土在第3次干湿循环时的水泥水化能力已达到最大，随后出现降低。3次循环后，随着干湿循环次数的增加，试样内部的损伤增大，水泥水化作用不再增强试样的整体性。4%水泥掺量改良土在3至5次干湿循环时出现峰值，随后递减，干湿循环次数达到第9次时，贯入2.5 mm与5.0 mm所需要的单位压力开始小于0次干湿循环的试样，说明水泥水化已经不能修复干湿循环所造成的损伤，而6%与8%水泥掺量改良土在经历第5次干湿循环后出现跳跃式增长，第9次干湿循环时所需的单位压力达到峰值，随后降低，说明大剂量水泥可以持续贡献试样承载强度。

2.2 干湿循环作用下无侧限抗压强度的变化

从图7中应力-应变曲线的走势来看，改良土的应力-应变曲线由应变硬化型转化为应变软化型，由于添加了水泥改良剂，土样通过水泥水化形成比较稳定的链条状联结结构和结晶网状结构[5]，起到了一定的胶结作用，从而丧失了可变形性，因此，应力-应变曲线为明显的应变软化型。应力-应变曲线分为弹性阶段—峰值强度—残余强度3个阶段，其中弹性阶段改良土试样受到竖向应力的作用而产生弹性变形，当外力消失后试样可恢复至初始状态，该阶段试样内部产生微裂隙，但不足以使试样破坏；随着应力的增大，裂隙不断增多，达到峰值应力后试样开始出现明显的裂纹和掉块现象，之后应力变化较小，逐渐稳定，而应变出现大幅度增加，此时的应力为残余应力。从应力-应变曲线中可以看出明显的峰值强度、残余强度以及弹性模量，不同水泥掺量与干湿循环次数条件下的试样均呈现脆性破坏。

图8中28 d养护龄期2%水泥掺量改良土的无侧限抗压强度在0次干湿循环时达到最高(0.42 MPa)，之后随着干湿循环次数的增加逐渐降低，经历第7次干湿循环时试样出现崩解，因此第9次和第15次干湿循环时的无侧限抗压强度均为0 MPa。4%水泥掺量改良土的无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加先升高后降低，在第3次干湿循环时达到峰值(1.38 MPa)，随后递减，在第15次干湿循环时降至最低值0.59 MPa。6%、8%水泥掺量改良土的无侧限抗压强度先升高后降低，在第9次干湿循环时达到峰值，随后降低。这说明：水泥掺量越高，峰值强度出现越迟。这是因为较高水泥掺量改良土的凝结硬化持续时间较长，可以不断地修复试样内部损伤，实现强度的长期增长，而较低水泥掺量改良土在经过一定时间后，水泥水化所需的水泥量已经消耗完毕，不能再进行水化来修复试样内部所产生的损伤。

图8 28 d养护龄期改良土无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系

根据应力-应变曲线可得到水泥改良土的残余强度，当应力逐渐稳定而应变出现大幅度增加时，应力-应变曲线出现近似水平的阶段，此时所对应的强度即为残余强度。由图9所示残余强度曲线可以看出，不同水泥掺量的改良土残余强度均在第3至5次干湿循环时出现最低点，说明此时试样内部破坏较大，孔隙发展呈局部联通。但是这些孔隙只是在局部形成，并不足以影响到试样整体性以及峰值强度。随着干湿循环次数的增加，残余强度先增大后降低，并逐渐达到平衡。这是因为水泥掺量较大时试样随干湿循环的进行继续发生水化反应，修复了局部微裂隙，使得试样在干缩湿胀过程中逐渐达到平衡，形成新的稳定结构，在残余强度上即表现为先增大后逐渐稳定。残余强度与水泥掺量有着较明显的关系，水泥掺量越大，残余强度越高。根据试样破坏后的完整性可以发现：水泥掺量较小时，试样基本发生裂纹破坏；水泥掺量较大时，试样发生掉块，破坏剧烈。

图9 28 d养护龄期改良土的残余强度Fig.9 Residual strength of modified soil at 28 d curing age

为了揭示干湿循环次数与水泥掺量对改良土脆性破坏的影响程度，文中引入脆性指数IB进行分析[17]，其定义如下：

IB=(qf-qr)/qr

(2)

式中：qf为峰值强度，qr为残余强度。

由图10所示脆性指数可以看出，改良土的脆性指数与水泥掺量有着很大的关系，水泥掺量越大脆性指数越大；4%水泥掺量改良土的脆性指数最小，说明水泥的凝结作用不足以将试样凝结硬化成稳定的结晶结构，试样发生破坏时会出现明显裂纹这一预兆；6%水泥掺量改良土与8%水泥掺量改良土的脆性指数较大，说明水泥凝结硬化比较完全，试样脆性较大。随着干湿循环次数的增加，改良土的脆性指数先增大后递减并趋于稳定，与峰值强度的变化规律较为相似。这说明，干湿循环会使试样内部产生裂隙，而水化作用修复了部分裂隙，抑制了干湿循环对试样的影响，破坏后仍保留部分完整性，贡献了残余强度，脆性指数开始降低。

图10 28 d养护龄期改良土的脆性指数Fig.10 Brittleness index of the modified soil at 28 d curing age

2.3 干湿循环作用下弹性模量的变化

弹性模量是衡量材料产生弹性变形的难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。从图11可以看出，改良土的弹性模量随水泥掺量的增大有显著的增幅，说明不同水泥掺量对土体结构的改善程度有差异，水泥掺量越大，改良土的刚度越大。从图11还可以看出，各水泥掺量改良土的弹性模量随干湿循环次数的增加呈先增加后下降的趋势。在干湿循环1次时弹性模量的增幅最大，第5次干湿循环后

图11 28 d养护龄期改良土弹性模量的变化趋势

弹性模量有所降低，但是降幅较小。这是因为试样内部仍有部分水泥进行着水化反应来修复第1次干湿循环所造成的损伤，这种现象一直持续到第9次干湿循环，此时水化修复能力随干湿循环次数的增加有所降低。随后的干湿循环使得试样弹性模量降低，说明此时水化修复能力已不足以修复试样的损伤。

3 结论

文中利用室内力学试验研究干湿循环下水泥改良土的路用性能，得到无侧限抗压强度及CBR指标的变化规律，对改良土的吸水与失水情况进行了对比分析，并提出利用水泥CBR影响因子来评判水泥改良土路用性能的劣化机理，得到以下结论：

1)水泥CBR影响因子受水泥掺量的影响较大，随着干湿循环次数的增加，水泥CBR影响因子先增大后减小；

2)6%与8%水泥掺量的28 d龄期改良土其无侧限抗压强度随干湿循环次数的增加先增大后减小，在第9次干湿循环时出现峰值，而残余强度在第3至5次干湿循环时出现最低点；

3)高水泥掺量的改良土可以有效地提高试样的自修复能力，对抵抗早期不均匀应力造成的损伤具有积极作用，改良土的弹性模量与水泥掺量有着很大的相关性，但是随干湿循环次数的变化较小；

4)综合无侧限抗压强度与CBR值的分析结果可以发现，6%水泥掺量改良土抵抗干湿损伤的能力较强，在实际工程应用中有较好的适用性，因此建议水汽交换频繁地区的路基改良中以6%的水泥掺量作为参考。