水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响因素分析

2023-09-25黄晨睿袁忠正阮波

铁道科学与工程学报 2023年8期

黄晨睿，袁忠正，阮波

(1.长安大学长安都柏林国际交通学院，陕西西安 710021；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

水泥改良土具有改变土的结构与性质，施工简单及经济合理等优点[1]，很多学者开展了水泥改良土的物理力学性能试验研究，其无侧限抗压强度是改良土力学性能的一项重要指标。边晓亚等[2]研究表明，随着水泥掺量的增大，水泥改良黏土的无侧限抗压强度随之增大，而含水率的影响则相反，14～28 d龄期，强度缓慢增长，28～70 d 龄期，强度迅速增长，70 d龄期后强度基本不变。水泥改良高液限黏土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大[3]。水泥改良砂浆土无侧限抗压强度的敏感性分析结果表明，水泥掺量对无侧限抗压强度的影响最大，含水率次之，砂的细度模数最小[4]。水泥改良中砂的无侧限抗压强度与压实系数呈指数函数关系[5]。SOLTANI 等[6]考虑了水泥掺量和养护龄期等影响因素，建立了水泥改良土无侧限抗压强度的多元非线性预测模型。以上研究表明，水泥掺量、养护龄期和压实系数等因素都会影响水泥改良土的无侧限抗压强度，但研究的主要是水泥改良黏土、软土和粉土等黏性土。我国沙漠约占18%的国土面积[7]。风积沙是沙漠地区在风力作用下形成的粉粒、黏粒含量少的沙，采用风积沙作为建筑材料，能就地取材，对推动西部沙漠地区基础设施建设有着重要意义，已经有学者对风积沙作为公路路基填料的压实技术和填筑方法进行了研究[7-10]。和若铁路沿线风沙段占线路全长的65%，风积沙结构松散，颗粒表面较为圆滑，粒径均匀，为C3 填料[11]，不能直接用作铁路路基基床填料，因此进行水泥改良风积沙研究[11]。以和若铁路为工程背景，开展水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验，研究水泥掺量、压实系数和养护龄期对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响，将水泥改良风积沙填筑铁路路基基床，解决了风沙地区筑路路基基床填料匮乏问题，具有重要的工程应用价值。

1 试验

1.1 材料

风积沙来自和田至若羌线铁路沿线，XRD 衍射图谱见图1，图谱出现较强的SiO2衍射峰(2θ=26.6°)，其次是Al2O3衍射峰(2θ=21.2°)和CaO 衍射峰(2θ=50.7°)，其主要由SiO2，Al2O3和CaO 组成。颗粒分析试验结果表明，粒径大于0.25 mm 占1.1%，0.075～0.25 mm 占97.2%，小于0.075 mm占1.7%，颗粒级配均匀。含水率0.9%，密度1.58 g/cm3，比重2.70，最优含水率为12.5%，最大干密度为1.61 g/cm3，内摩擦角27.4°，黏聚力为0。水泥为P·O 42.5 硅酸盐水泥，水泥化学成分见图2。

图1 风积沙XRD图谱Fig.1 XRD pattern of aeolian sand

图2 水泥化学成分Fig.2 Compound composition of cement

1.2 试验方案

水泥掺量ac为水泥质量和烘干风积沙质量的比值。根据《铁路路基设计规范》[12]，采用水泥作为单一外掺料进行化学改良时，基床表层水泥掺量可选用4%，5%和6%，基床底层可选用3%，4%和5%。SUKMAK 等[13]进行了水泥改良高岭土和膨润土混合黏土的无侧限抗压强度试验，水泥掺量为0%，7%和14%，结果表明高岭土占比高的试样受水泥增强效果更显著。GU 等[14]采用5%，7.5%和10%的水泥掺量对钙质砂进行改良，结果表明随着水泥掺量的增加无侧限抗压强度随之增大。以上研究结果表明，水泥改良不同的土体，需要的水泥掺量有差别。因此试验方案的水泥掺量为4%，5%，6%，9%和11%。

根据规范[12]，水泥改良土无侧限抗压强度以7 d 龄期为标准，但不同养护龄期的水泥改良土的无侧限抗压强度差异较大[15]，YI等[16]研究发现水泥改良碎石无侧限抗压强度在7 d 龄期前增长速率较快，60 d 龄期后趋于强度稳定。在前人研究基础上，试验方案的养护龄期为1，3，14，28，56 和90 d。

压实系数对水泥改良土的无侧限抗压强度影响较显著[11]。铁路路基基床表层和底层的改良土压实系数不低于0.95 和0.93，基床以下应不低于0.90[12]。因此试验方案采用0.90，0.93 和0.95 这3种压实系数。

1.3 试样制备及养护

按照《铁路工程土工试验规程》[17]，对水泥改良风积沙进行重型Z3 击实试验，得到不同水泥掺量下风积沙的击实曲线，见图3。随着水泥掺量的增大，水泥改良风积沙的最大干密度和最优含水率均增大，但增长幅度较小。水泥掺量从0%增大到4% 时，最大干密度从1.72 g/cm3增大到1.79 g/cm3，增长0.07 g/cm3；最优含水率从13.0%增大到13.9%，增长0.9%。水泥改良风积沙混合物中由于水泥水化反应需要水分，且水泥颗粒对水分子的吸附作用强于风积沙颗粒，所以最优含水率增大；水泥的比重大于风积沙的比重，因此最大干密度随着水泥掺量的增大亦增大，与周纯秀等[18]结果规律类似。

图3 水泥改良风积沙击实曲线Fig.3 Compaction curves of CAS

按照最优含水率称量水，将水加入风积沙中搅拌均匀，制作试料，根据试验方案，将水泥加入试料中，拌和均匀，形成混合料，称量混合料质量，分3次倒入试模中，采用锤击法制样，制作成直径和高度均为50 mm 的试样，脱模后放入养护箱中进行标准养护。水泥改良风积沙试件见图4，采用万能试验机进行无侧限抗压强度试验，试验照片见图5。

图4 水泥改良风积沙试样照片Fig.4 Photograph of CAS specimens

图5 试验照片Fig.5 Test photograph

2 试验结果及分析

2.1 试验结果及影响因素分析

在水泥改良风积沙试件养护龄期的最后24 h，将试件置于水中1 d，之后进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表1。

表1 无侧限抗压强度试验结果Table 1 Experiment results of CAS at different influencing factors

从表1可以看出，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着水泥掺量、养护龄期和压实系数的增加呈增大的趋势。为了研究养护龄期、压实系数和水泥掺量等因素及各因素间的交互作用对水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响的显著性，进行多因素方差分析，计算结果见表2。

表2 水泥改良风积沙无侧限抗压强度多因素方差分析结果Table 2 Results of multi-factor variance analysis on UCS of the CAS

当P值小于0.05的时候，因素对无侧限抗压强度的影响显著。养护龄期与水泥掺量交互作用的P值为0.878，交互作用对无侧限抗压强度的影响不显著。其余因素的P值均小于0.001，水泥掺量、压实系数、养护龄期、水泥掺量和压实系数的交互作用等因素对无侧限抗压强度均影响显著。

2.2 水泥掺量的影响

7 d 龄期时，水泥掺量对无侧限抗压强度影响见图6。水泥改良风积沙的无侧限抗压强度变化范围为0.24～2.88 MPa。压实系数0.90，0.93 和0.95时，水泥掺量从4%增大到11%，水泥改良风积沙无侧限抗压强度分别增大了6.25倍，6.26倍和6.20倍。水泥水化物填充了风积沙内部孔隙，使得风积沙结构更加致密；水泥水化物将分散的风积沙颗粒紧密胶结在一起，形成一个整体，无侧限抗压强度增大。

图6 水泥掺量对水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响Fig.6 Cement content versus UCS of CAS

为了进一步研究水泥掺量对水泥改良风积沙强度增长速率的影响，定义单位水泥强度增长比Gqc：

式中：Δquc为相邻水泥掺量的无侧限抗压强差值，MPa；Δac为相邻水泥掺量的差值，%。

水泥掺量对水泥改良风积沙单位水泥强度增长比的影响见图7。单位水泥掺量强度增长比随着水泥掺量的增大而增大。水泥掺量从4%增大到5%，水泥作用从非反应区进入反应区，ZHANG等[19]认为当水泥掺量低于5%时，水泥水化产物较少，对土体强度提高程度有限，水泥改良土强度增长缓慢，这一区域被称作为水泥改良土的非反应区。随着水泥的持续掺入，水泥水化产物增多，在土体中形成较强的黏结，水泥改良土强度增长速率增快，逐渐进入反应区。这也解释了当水泥掺量大于5%后，水泥改良风积沙的抗压强度显著增大的原因。GU 等[14]则认为随着水泥掺量的增加，水化产物不断填充或分割孔隙体积，其强度增强作用变弱，无侧限抗压强度增长速率减小。

图7 水泥掺量对水泥改良风积沙单位水泥强度增长比影响Fig.7 Cement content versus strength growth ratio of CAS per unit cemen

从图7可以看出，水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着水泥掺量近似呈幂函数关系。黄崇伟等[20]则认为水泥改良土的无侧限抗压强度与水泥掺量呈线性关系，对试验数据分别进行线性、幂函数拟合，拟合结果见表3。

表3 无侧限抗压强度随水泥掺量变化的不同函数拟合结果Table 3 Regression coefficients for the different UCS-growth equations

表3 中的决定系数最小值为0.97，说明拟合效果较好。当水泥掺量为0时，根据线性函数拟合公式，无侧限抗压强度会出现负值，与实际情况不符。强度增长比随着水泥掺量的增大而增大，采用幂函数更符合实际情况。

2.3 压实系数的影响

压实系数对水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响见图8。压实系数增大，水泥改良风积沙无侧限抗压强度亦随之增大，压实系数从0.90 增大到0.95 时，试样的无侧限抗压强度增长了20%～67%。与文献[21]的规律一致。为了研究不同水泥掺量下压实系数对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响，定义强度增长幅度ΔquK：

图8 压实系数对水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响Fig.8 CC versus UCS of CAS

式中：quK1和quK2分别为压实系数为K1和K2时的无侧限抗压强度，MPa。

不同水泥掺量下压实系数对水泥改良风积沙无侧限抗压强度增长幅度的影响见图9。压实系数0.93 的强度增长幅度为压实系数0.93 与压实系数0.90的强度差值，压实系数0.95的强度增长幅度为压实系数0.95 与压实系数0.93 的强度差值。强度增长幅度随着压实系数的增大而减小，说明水泥掺量在低压实系数下对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的增强效果比高压实系数下更显著。压实系数较低时，水泥水化物填充改良土孔隙，水泥改良风积沙致密，增强效果显著。而压实系数较高时，土体内部孔隙尺寸和数量减少，水泥水化物难以充分填充孔隙，水泥胶结作用没有充分发挥，水泥掺量对水泥改良风积沙增强效果减弱[22]。这与前面多因素方差分析结果一致。

图9 压实系数对水泥改良风积沙强度增长幅度的影响Fig.9 CC versus strength growth ratio of CAS

2.4 养护龄期的影响

图10 为不同养护龄期下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度。水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着养护龄期的增长而增大。规范[12]以水泥改良土7 d 龄期的无侧限抗压强度为标准，但养护龄期大于7 d 时水泥改良风积沙无侧限抗压强度还有显著增长，不同养护龄期下水泥改良风积沙的无侧限抗压强度与7 d 龄期下无侧限抗压强度关系见表4。

表4 不同养护龄期无侧限抗压强度与7 d龄期无侧限抗压强度之间的关系Table 4 UCS of CAS at different curing time versus 7 d curing age

图10 养护龄期对无侧限抗压强度影响Fig.10 Relationships between UCS and curing age

28 d龄期的水泥改良风积沙无侧限抗压强度为7 d 龄期的1.21～1.50 倍，90 d 强度为7 d 强度的1.31～1.78倍，与任辉明等[23]的结果较吻合。

为进一步量化养护龄期对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响程度，定义关于养护龄期的无侧限抗压强度增长率：

式中：qut1和qut2为相邻龄期t1和t2时对应的无侧限抗压强度，MPa。

养护龄期对无侧限抗压强度增长率影响见图11。强度增长率随养护龄期的增长而逐渐减小，3 d 和7 d 龄期的强度增长率显著。1～7 d 养护龄期，水泥水化反应剧烈，水泥水化物在水泥改良风积沙内部发挥充填孔隙、胶结团聚和沉淀包裹作用，养护龄期对水泥改良风积沙的无侧限抗压强度影响程度最显著。在7～90 d 养护龄期内，水泥胶结产物已经把风积沙颗粒胶结成一个整体，此时，水泥改良风积沙已经基本具备了较好的密实性和完整性，增长速率随着养护龄期的延长而降低[14]。