水泥改良粉质黏土试验研究

孙芳

（河北省公路事业发展中心养护保通部，河北 石家庄 050000）

0 引言

路基是公路中的重要部分，路基的承载能力直接影响公路质量的好坏，路基修建要求保证其强度、稳定性、耐久性。而路基建设中路基填料的性能是影响路基整体性能的关键因素，路基填料的选取一般是就地取材。在一些不良地质地区修建公路，就地取材的路基填料需考虑其作为路基填料土的可用性，对不良土质进行改良处理使其性能符合标准要求，确保其作为路基填料的稳定性。低液限粉质黏土塑性指数小、水敏感性强、不易压实，力学性能差，不能作为路基填料使用，是公路路基建设中的一大难题。

国内外对于不良土质改良进行了一系列的研究，取得了一些研究成果。国外对于改良土的研究起步很早，对于超软土、泥炭土、淤泥土等进行了水泥改良的研究。我国的专家也对不良土质改良进行了研究探讨，解决实际工程问题。李智彦进行了一系列的水泥土工程性能实验研究，得到了不同掺量水泥土的工程性质。王银梅等为了优化西北地区大量的湿陷性黄土的工程性质，对黄土进行水泥改良研究，提出了水泥黄土的“水硬性”性质，有效防治了水泥湿陷性病害。张洪松研究发现水泥改良有机质淤泥改良后强度不足0.8MPa，但对于砂质土改良后强度为10MPa。董邑宁研究发现有机质含量高、酸碱度低的黏性土改良效果较差，不适宜采用水泥加固法。不同区域的粉质黏土具有较大的区域特征，改良方法要具有一定的针对性，改良方法需要进一步改进。因此，本文以粉质黏土为研究对象，对其进行不同掺量水泥的改良。采用室内试验的方法，对水泥掺量2%、3%、4%、5%的改良粉质黏土进行击实试验、无侧限抗压强度试验、抗压回弹模量试验、承载比试验，分析不同掺量水泥对粉质黏土的力学性能指标的影响。

1 试验研究

1.1 粉质黏土基本物理性质

本研究所用的粉质黏土粉土含量较高、黏土含量较低、矿物活性度小，其基本物理性质经室内试验初步测得，粒径0.075～2mm 占52.6%，塑性指数9.1%，大于2%，小于10%，液限为23.7%，小于50%，属含砂低液限粉土。粉质黏土作为路基填料土，其强度低、易粉碎、不易压实成型，使其在施工碾压中易产生叠瓦状剪切推移和分层现象，后期在水损和车辆荷载的作用下形成软弱层，进一步造成路面的早期破坏[11]。不经改良的粉质黏土是不符合路基填料使用要求的，且路基设计规定粉质土不能直接作为路基填料直接使用，因此需要对粉质黏土进行水泥改良的研究，以满足路基填料的要求。

1.2 试验方案

对单掺不同比例下水泥改良粉质黏土进行室内物理力学实验，通过击实试验、无侧限抗压试验、抗压回弹模量试验、承载比试验，对不同掺量水泥改良土的性质进行分析总结。

掺配水泥含量为2%、3%、4%、5%的改良粉质黏土，经击实试验确定水泥改良粉质黏土的最大干密度和最佳含水量。制备具有最佳含水率的水泥改良粉质黏土，测定不同掺量水泥改良粉质黏土的无侧限抗压强度及回弹模量，并进行水泥改良粉质黏土的CBR 试验。分析实验结果确定改良土的水泥最佳经济用量，使其满足路基填料的工程要求，同时能降低工程成本。

2 数据分析

（1）击实试验

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[12]。对不同水泥掺量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉质黏土进行了重型击实试验，获得了不同水泥掺量水泥改良粉质黏土的最佳含水量和最大干密度，击实曲线见图1～图4。

图1 2%水泥土击实曲线图

图2 3%水泥土击实曲线图

图3 4%水泥土击实曲线图

图4 5%水泥土击实曲线图

由试验结果分析可知，改良土在含水率15%～17%间最大干密度急剧下降，说明粉质黏土掺配水泥后，水泥未发生反应前，改良土仍具有较强的水敏感性。当含水率大于15%，击实试验时试件有明显的水渗出；当含水率大于16%时，水泥改良土表现出类似弹簧特性，不易击实成型。说明当含水率大于16%，土颗粒间的水变为主要受力部分，土颗粒间的空隙被水填满，使得土体不易压实成型。且土的密实度明显下降，最大干密度随之急剧下降。

水泥改良粉质黏土掺配水泥后，其水泥未发生反应前，仍具有很强的水敏感性，当含水率超过16%时，改良土密实度明显下降，最大干密度随之急剧下降。

（2）无侧限抗压强度试验

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）制备了不同龄期不同水泥掺量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉质黏土无侧限抗压强度试件，经过养生测定了其7d、28d、60d 和90d 无侧限抗压强度，试验结果见表1和图5。

图5 不同龄期的水泥土无侧限抗压强度

表1 各掺量不同龄期的水泥土无侧限抗压强度 单位：kPa

分别以不同水泥用量下90d龄期的抗压极限强度为基准，计算各龄期强度所占比例，结果见表2。

表2 不同水泥剂量的不同龄期的抗压极限强度所占比例

由表1 和图5 分析表明：水泥改良粉质黏土，其无侧限抗压强度随水泥的掺量增加而增强，7d 龄期强度与水泥掺量基本呈线性关系。由28d龄期抗压强度分析可知，水泥掺量在2%～3%时抗压强度增幅最大，水泥掺量为3%时28d 抗压强度达到0.5MPa 左右。分析表2可知，水泥改良粉质黏土抗压强度的增长主要集中在前60d，28d 强度达到90d 强度的35%～41%，60d 强度达到83%～92%，60d 以后的强度增长非常缓慢；随着水泥掺配量从2%增长到4%，强度增长明显，从4%～5%，其强度增长幅度放缓。

（3）回弹模量

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）制备了不同龄期不同水泥掺量（2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉质黏土抗压回弹模量试件，通过顶面法测定了其7d、28d、60d 和90d 抗压回弹模量，试验结果见表3和图6。

表3 不同龄期的抗压回弹模量 单位：MPa

图6 不同龄期的抗压回弹模量与水泥掺配量的关系曲线图

由图6 分析可知，水泥改良粉质黏土的回弹随水泥掺量的增加而增大，水泥掺量为2%～4%时回弹模量增幅平缓，由4%～5%时回弹模量增幅较大。由回弹模量随龄期增长变化分析可知，7～28d 回弹模量增量最大，28～60d 回弹模量增量其次，60～90d 回弹模量增量最小，这与水泥的强度形成一致。

（4）承载比试验

依据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[13]制备了不同水泥掺量（0%、2%、3%、4%、5%）的水泥改良粉质黏土作为承载比试件，饱水4昼夜后，通过路面强度测试仪测定了其承载比，测试结果见表4和图7。

表4 不同水泥剂量改良粉质黏土的CBR值

图7 不同水泥剂量改良粉质黏土的CBR值曲线图

由表4可知粉质黏土的CBR值为4.5%，其作为路基填料不符合最小强度CBR 值的要求，经水泥改良后其CBR 值大幅增加。由图7 可知，水泥改良粉质黏土的CBR 值与水泥掺量呈正线性相关关系，加入2%的水泥就可以达到填筑路基的要求，说明水泥对于粉质黏土特性的改良效果明显。路基设计规范规定，高速公路和一级公路上路床的路基填料CBR 值要求达到8%以上，试验表明粉质黏土中只要加入2%的水泥就可以满足要求。

3 结论

本文选取低液限粉土为研究对象，针对其作为路基填料的力学性能指标，掺加水泥进行改良。通过室内物理力学试验的方法，对水泥改良土路用性能参数进行评价分析，得出以下结论：

（1）水泥改良粉质黏土掺配水泥后，其水泥未发生反应前，仍具有很强的水敏感性，当含水率超过16%时，改良土密实度明显下降，最大干密度随之急剧下降。

（2）水泥改良粉质黏土其强度与水泥掺量呈线性关系，掺量为3%时28d 抗压强度达到0.5MPa 左右，28d 龄期强度达到最终强度的40%左右，60d 龄期强度到达最终强度的90%左右。

（3）水泥改良粉质黏土回弹模量随水泥掺量增加而增大，水泥掺量在4%～5%时的强度增长幅度较大，其回弹模量增长特性与水泥强度增长关系一致，7d 到28d龄期回弹模量增长最快。

（4）水泥改良粉质黏土的CBR 值与水泥掺量呈正线性相关关系，经水泥改良后粉质黏土CBR 值由4%左右明显增加到40%，当使用2%的水泥剂量时，粉质黏土CBR值即达到路基填料要求。