适应干湿环境的路基改良土水泥掺量设计

李霞

（张家口市公路施工管理处，张家口 河北 075000）

路基作为公路工程的重要基础部分，需要保证自身具备良好的整体稳定性、较高的强度、稳固的耐久性，才能保证道路的正常使用。如果路基土体的力学性能得不到有效保证，在使用过程中车辆反复施加荷载，如遇上恶劣的环境变化，必然会对路基结构造成破坏，在公路路面形成裂缝、拥包等问题，严重影响公路的正常使用[1]。干湿循环是公路服役过程中频繁经历的恶劣环境之一。在干湿循环过程中，土体重复经历水分浸入和渗出，使水流在土体内部遗留孔洞，造成土体内部裂缝发展，经过多次循环后土体会形成稳定的结构，此时其各项性能指标均受到损伤，力学性能变差[2，4]，无法满足公路对基层材料的要求。为此，公路工程建设中产生了利用化学试剂改良不良土体的方法，以达到改善不良土体力学性质的目的，其中相对经济且改良效果突出的添加剂是在素土中掺入水泥，形成水泥土[5]。但作为化学改良土，水泥土的物理力学特性受环境因素影响较大，存在着较多不稳定因素，要用作高速公路路基填料，就需要全面的掌握其物理力学特性。

以往路基土的改良中，已有学者对水泥改良进行了研究。孙芳[6]使用水泥对粉质黏土进行了改良，测试了多种养护龄期及水泥掺量条件下改良土的无侧限抗压强度和CBR值，认为无侧限抗压强度随水泥掺量的增加呈线性增长，CBR值亦与水泥掺量呈正相关，具体养护28d的水泥土已经能发挥出近一半的强度，2%水泥掺量改良土的CBR值已经满足用于路基填料的要求。唐龙全[7]对具体施工路段的粉质黏土路基填料进行改良，从无侧限抗压强度和CBR承载比等角度进行了改良后路基土的路用性能测试，认为实际工程中，可选择3%水泥掺量对粉质黏土路基填料进行改良，满足强度要求的同时达到了经济环保的效果。李秉宜[8]测试了高液限黏土利用水泥改良后无侧限抗压强度和CBR值，评价其经历干湿循环后的耐久性，发现水泥可有效地提高黏土的水稳定性。

因此，本文通过无侧限抗压强度试验和CBR值试验就强度和变相两个方面对不同掺量水泥土的力学性质进行分析评价，设计适应干湿循环环境的路基改良最优水泥掺量。

一、试验设计

(一)原材料

1.素土

素土采用粉质黏土，其基本物质性质指标如表1所示。

表1 素土物理性质指标

2.水泥土

采用4种掺量水泥与素土混合，在水泥完成初凝前对其物理性质测试，水泥土的物理性质指标如表2所示。

表2 水泥土物理性质指标

(二)干湿循环试验方法

采用上述2%、4%、6%、8%4种水泥掺量对路基粉质黏土进行改良，依据规范要求制作标准试件，如图1所示，其中无侧限抗压强度试件：高100mm、直径100mm；CBR值试验试件：高170mm±0.5mm，直径152mm±0.5mm。

图1 无侧限抗压强度试件、CBR值试验试件

干湿循环具体步骤如下：

1.按照每种掺量水泥土各自的最优含水率和压实度分别制备无侧限抗压试件和CBR值试验试件，标准养护28d；

2.试件干燥：将试件置于鼓风干燥箱（±45℃）风干8h，之后每间隔1h称量试样的质量，直至试件完全干燥，即试件质量不再变化；

3.试件饱和：将试件放入水池中浸泡一天，之后每间隔1h称量试样的质量，直至饱和，即试件质量不再变化；

4.步骤2、3即为一次干湿循环过程，重复步骤2、3完成试验所需循环次数。

(三)力学试验

干湿循环完成后，进行强度和变形测试试验，无侧限抗压试验试件浸水一昼夜后进行抗压试验，得到无侧限抗压强度。CBR值试验试件浸水四昼夜后进行贯入试验，得到贯入2.5mm所需要的压力，与标准碎石贯入相同尺寸时的标准荷载（7MPa）之比即为CBR值。

二、试验结果分析

(一)干湿循环条件下水泥掺量对无侧限抗压强度的影响

试验依次得到0、1、3、5、9、15次干湿循环条件下，各水泥掺量改良土的无侧限抗压强度，在较低的水泥掺量2%时，随着干湿循环的进行，改良土并不能抵抗干湿循环对强度的劣化，抗压强度逐渐降低。水泥掺量增加至4%、6%、8%时，前期一定的干湿循环次数下可为水泥水化作用补充水分，促进了水泥固化，无侧限抗压强度出现上升段，但后期有限的水泥发挥完作用后，固化作用不再继续，此时干湿循环次数继续增加，干湿循环的劣化作用开始占优，无侧限抗压强度进入下降段。水泥掺量越多，无侧限抗压强度上升越明显，定量分析水泥掺量对无侧限抗压强度的提升幅度，引用水泥影响因子[6]，定义水泥无侧限影响因子（水泥用量与无侧限抗压强度之比），其值越大则表示试样水泥掺量一定的情况下，强度相对较小，即水泥在承载过程中发挥的作用越小，反之亦然。如图2所示，经历干湿循环后的改良土性质受水泥掺量影响相对未经历干湿循环的改良土更为显著，且在2%、4%、6%水泥掺量时水泥无侧限影响因子差异明显，说明改良土性质受水泥掺量影响显著，8%与6%水泥掺量是水泥无侧限影响因子基本重合，说明二者掺量对试样性质影响区别不大。尽管干湿循环条件下水泥掺量越高无侧限强度越大，但相对8%水泥掺量，6%水泥掺量更能发挥水泥的最有效性能。

图2 水泥无侧限影响因子

（二）干湿循环条件下水泥掺量对CBR的影响

根据试验所得贯入2.5mm所需压力，计算得到不同干湿循环次数下素土、2%、4%、6%、8%掺量水泥土的CBR值。试验结果显示，相较于素土的CBR值，水泥的掺入使CBR值明显提升，同时抑制了部分因干湿循环造成的损伤，水泥改良土在应对干湿循环损伤方面作用显著。不同掺量水泥土，随着干湿循环次数的增加，CBR值呈现先增长后降低的趋势，水泥的水化作用可以抑制部分干湿循环造成的损伤，且水泥掺量越多，这种抑制作用所能抵抗的干湿循环次数越多。引入CBR值增长率的概念，表征水泥掺量对干湿循环后改良土强度的提升作用，CBR增长率=(CBRc-CBR0)×100%/CBR0(其中CBR0为素土CBR值，CBRc为不同水泥掺量改良土CBR值)。如图3所示，干湿循环次数不超过3次时，4%水泥掺量改良土CBR值增长率与6%、8%水泥掺量改良土相差不大，干湿循环次数超过3次后，6%水泥掺量改良土CBR值增长率与8%水泥掺量改良土相差不大。因此从节能环保角度出发，6%与8%水泥掺量改良土相比，满足路基能满足强度要求的前提下，6%水泥掺量是更优选择。

图3 CBR增长率

三、结语

本文从无侧限抗压强度和CBR值两个方面，分别分析了干湿循环条件下水泥掺量对改良路基土的性质的影响，发现较少水泥掺量无法抵抗干湿循环的劣化作用，提高水泥掺量可利用水泥水化作用抵抗部分干湿循环劣化作用，其中6%水泥掺量在改良路基土方面可以显著提高其强度与变形性质的同时，更能发挥水泥的最有效性能。因此，在我国降雨和蒸发频繁发生的地区，改良路基土时可以考虑采用6%水泥掺量。