路床水泥土检测延时试验

程君君 CHENG Jun-jun

（中铁建科检测有限公司，西安 710000）

0 引言

路床水泥土是道路工程中常用的路基材料之一，其力学性质和稳定性对道路的使用寿命和行车安全具有重要影响。为了更全面地了解路床水泥土的性能，特别是在长时间使用后的变化趋势，需要开展延时试验。

1 工程概况

本标段位于固原市原州区寨科乡境内，线路起讫里程为K152+800～K158+962，全长6.162km。线路起点位于白路岗子村白路岗子1 号大桥0 号台，过寨科互通立交，穿宋家洼隧道到达本标段终点K158+962 处。采用双向四车道。主要工程量：主线路基总长2.69km，挖土方约491 万方，填方约53 万立方米。施工内容包括清理与挖除树木、路基挖土方、路基填筑等。挖、装、运、摊、平、压全部用机械进行流水作业。现定试验段于K157+540-K157+740 段，长200m，该试验段试验参数为下一步土方路基填筑施工提供技术支持、指导。

2 路床水泥土检测延时试验研究

2.1 试验目的

2.1.1 确定最佳施工组织

在道路建设中，施工组织的合理性直接影响工程的质量、进度和成本。不同的施工组织可能选择不同的材料搭配和施工工艺，而路床水泥土的质量与材料的选择和搭配密切相关，延时试验可以通过模拟实际使用环境，评估路床水泥土在不同材料组合下的性能变化，为选择合适的施工组织提供数据支持；延时试验的结果可以帮助工程师更好地理解水泥土的性能特点，从而优化施工技术方案，通过调整施工工艺和参数，提高材料利用率、降低成本，并确保工程的可持续性；不同的施工组织可能对工程进度有不同的影响，通过延时试验，可以更好地了解水泥土在不同施工组织下的强度和稳定性，有助于合理安排施工进度，提高工程的施工效率。

2.1.2 验证联合作业协调性

在路床水泥土工程中，涉及到多个工种、多个施工组织的协同作业，各个组织之间的协调性直接关系到施工过程的顺利进行，影响工程的进度和质量；不同的施工组织可能使用不同的设备和材料，协同使用资源是确保施工高效进行的关键，联合作业协调性需要考虑设备和材料的统一标准和协同配合，且不同施工组织的工程流程可能存在交叉和耦合，协调施工流程的顺畅，避免冲突和阻塞，对于提高施工效率至关重要。联合作业协调性验证旨在降低施工中可能出现的协同问题，减少施工风险，确保整个工程的平稳进行，且通过验证协调性，可以及时发现和解决不同组织之间可能存在的协同问题，优化施工流程，提高施工效率，确保工程按计划进行，同时协调性验证有助于确保施工组织之间的配合紧密，杜绝各种不协调因素对工程质量的影响，提高水泥土工程的整体质量。

2.1.3 验证方案的可行性

在路床水泥土工程中，存在多种施工方案，包括不同的材料搭配、施工工艺和设备选择，为了确定最佳方案，需要对各种方案进行可行性验证，以确保其在实际工程中的适用性；验证方案的可行性能够降低施工中可能出现的风险，通过在实验室条件下模拟不同方案对水泥土性能的影响，可以及早发现问题，减少工程风险，有助于工程的顺利进行。延时试验通过模拟实际使用环境，让水泥土在长时间内暴露于多种外部因素下，以获取更真实的性能数据，从而验证不同方案在实际施工中的可行性；通过延时试验，可以选择不同的施工方案，在相同的试验条件下进行比较，通过比较不同方案对水泥土性能的影响，得出各方案的优劣，为方案选择提供科学依据；方案可行性验证需要关注方案对水泥土长期性能的影响，延时试验可以评估水泥土在长时间使用后的性能变化，从而更全面地了解方案的可行性。

2.2 试验开展

2.2.1 试验背景

路床是路面结构的基础，路床质量的优劣对路面整体稳定性及耐久性的影响至关重要，为了提高路床的整体质量，确保为路面结构提供优良的支撑，银昆高速公路设计要求在路床顶以下80cm 深度范围内，掺加4%-6%水泥进行稳定处理，即对全线路床、上路提进行改良处理，具体方案如下：路床采用6%水泥土填筑。水泥土路床施工完成至路床交工验收，通常存在较长的时间间隔，短则一个星期，长则一个月左右，而且施工期间对施工工艺、施工方式、机械设备配套设施及施工工序的连贯性要求非常高，必须在规定的时间内完成，稍有不慎，处理不当，则无法挽救，只能返工处理。目前项目仅对构造物台背回填（4%水泥土）进行施工，在对压实度检测时多次发现压实度难以满足设计要求，为此考虑水泥土施工期间，水泥土干密度是否随着时间延长而存在“衰减”，在此期间，水泥土强度随着龄期的增长毫无疑问会逐渐增加，而作为路床验收的另一项关键性指标，压实度是否随龄期发生变化，变化规律如何，都是需要研究的问题。

2.2.2 试验原理

水泥与土的相互作用中，粘结效应与混凝土类似，两者的区别在于水泥土中的水泥浆不能填满土颗粒间的空隙，因此联结主要发生在颗粒间的接触点处，显然土的颗粒级配越好，空隙就越小，颗粒数量越多，粘结效应就越强烈。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量钙离子，在碱性环境下能使组成土矿物中的部分二氧化硅及三氧化铝与钙离子进行化学反应，从而形成不溶于水的结晶化合物，增加水泥土的强度。对于天然黄土，由于其空隙很多，掺入水泥后，土颗粒周围的凝结体不断结晶充填到颗粒间的空隙中，并相互联结成空间网状结构，从而增强水泥土的强度。因此，现场拌和的水泥土施工应在水泥初凝之前完成，否则就会破坏水泥土的结构。

2.2.3 检测内容与主要试验设备

检测内容主要包括界限含水率试验、土的承载比（CBR）试验、颗粒分析试验以及击实试验；采用主要试验设备包括液塑限联合测定仪、标准击实仪、路面材料强度仪、标准土壤筛以及电热鼓风干燥箱。

2.2.4 延时试验设计

本次试验采取室内试验和现场检测相结合的方式进行，本次试验选用现场实际使用的有代表性的土样，其各项土工检测指标如表1，水泥土用水泥采用宁夏天元牌P·O42.5 缓凝水泥，各项检测指标见表2。

表1 试验用土各项指标检测结果

表2 水泥各项性能指标检测结果

为了研究水泥改良土击实延长时间对最大干密度和最佳含水率的影响，试验室在室内配置水泥拌合均匀的试样，分别延迟0h、2h、4h、6h 后进行击实，分析水泥土最大干密度与延迟时间的关系。

2.2.5 验证方案可行性试验设计

①测量放线。采用全站仪依据加密并复测后的桩位坐标点，每隔20m 定出该段路基的中桩、边桩，在边桩处插设填筑层控制标杆，在标杆上用红油漆标出每层摊铺厚度和宽度，并控制每层的厚度和边缘线位置，挂线施工。

②填料要求。通过室内试验确定6%水泥土最大干密度为1.876g/cm3，最佳含水量为13.0%左右。水泥堆放做到上铺下垫，做好防风、雨设施，防止材料受潮、变质。控制现场贮存量，保证现场水泥用量不影响施工生产，并做到先到先用。

③碾压。初压先用振动压路机重叠30cm，速度3km/h，关闭振动，碾压一遍。复压采用压路机弱振动碾压2 遍，强振动碾压3 遍，速度3km/h，激振力为240kN，频率25Hz～50Hz，重叠1/2 轮宽。终压压路机静压1 遍。压路机对新旧路搭接部位压实2 遍，复压1 遍。碾压顺序由低到高。在水泥初凝之前（4-6 小时内）完成碾压，并达到规定的压实度要求（其间每碾压一遍检测一次压实度，确定碾压遍数与压实度间的关系曲线）。表面密实平整无轮迹。对于压路机无法压到的位置，采用小型冲击夯夯实，确保碾压达到无漏压，无死角，碾压均匀，直至满足设计要求为止。试验人员随时检测压实度，压实度控制在96%以上。

④压实度检测。压实度检测采用灌砂法，每一压实层均应检验压实度，检测频率为每200m 每压实度层测2处，必要时可根据需要增加检验点；现场检测路床压实度之前，需检查标准量砂的粒径是否符合规范要求，并按要求标定出量砂密度，挖凿试洞时应挖至所检压实层底面，确保试洞尺寸符合相关要求。

3 试验结果分析

3.1 延时试验结果

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTG E51-2009 进行试验，通过击实试验所得最大干密度与最佳含水率结果见表3 和图1。

图1 水泥土延迟时间和最大干密度关系图

表3 水泥土最大干密度及最佳含水率数据

由表3 和图1 可以看出，随着击实延迟时间的增长，水泥改良土的最大干密度存在时效性，随着水泥掺入时间间隔不同，最大干密度呈现下降趋势，在加入水泥立即开始击实试验时最大，之后随着时间的增长而显著降低，最佳含水率则随时间的增长总体是逐渐减小的，主要是因为土体中的自由水分与水泥发生了水化反应，随着时间的增长，自由水也会愈来愈少，含水率自然也就逐渐呈下降趋势。本次试验采用的是宁夏天元牌P·O42.5 缓凝水泥，初凝时间在4～6 小时以内，现场采用路拌法进行水泥土的拌和。

3.2 方案可行性试验结果

上路床6%水泥土压实度检测以灌砂法为主，每一遍碾压后即进行压实度检测，以确定压实度达到规范要求，把压实度检测结果记录下来。

根据压实度及含水率统计及松铺系数统计得出：

试验段第一层（20cm）填筑，平均松铺厚度为27cm，碾压5 遍后平均压实度94.8%，碾压6 遍后平均压实度为96.7%，碾压7 遍后平均压实度为97.3%，平均压实厚度为20.76cm，平均松铺系数1.30，根据现场实际情况，按照每200m 进行画段施工，现以K157+540-K157+740 段的时间参数以说明问题，每个施工节点撒布水泥平均时间28min，搅拌平均时间22min，碾压平均时间85min。

试验段第二层（20cm）填筑，平均松铺厚度为26cm，碾压5 遍后平均压实度94.2%，碾压6 遍后平均压实度为96.5%，碾压7 遍后平均压实度97.2%，碾压8 遍后平均压实度为97.4%，平均压实厚度为21.0cm, 平均松铺系数1.23，根据现场实际情况，按照每200m 进行画段施工，现以K157+540-K157+740 段的时间参数以说明问题，每个施工节点撒布水泥平均时间30min，搅拌平均时间38min，碾压平均时间90min。

综合分析，当土方路基松铺为27cm 时，机械利用率高，压实度最易得到保障，碾压效果好。填料碾压时含水量在最佳含水量±2%范围内，碾压6 遍（平均压实度96.5%）可达到96%；碾压7 遍（平均压实度97.2%）可对压实效率进行进一步保证，且按现有机械组合（两套碾压设备），开始施工水泥土至施工完毕耗时（最长）338min，满足水泥土施工的时间要求（初凝时间355min，终凝时间423min）。

4 结论与建议

4.1 结论

①水泥改良土的最大干密度存在时效性：随着击实延迟时间的增长，水泥改良土的最大干密度呈现出时效性。在进行水泥改良后，最大干密度并非一成不变，而是随着时间的推移发生变化。②最大干密度随水泥掺入时间间隔的增加而下降：在不同的水泥掺入时间间隔下，最大干密度呈现下降趋势。具体而言，水泥改良土在加入水泥后立即进行击实试验时，最大干密度最高。然而，随着时间的增长，最大干密度逐渐降低。③最佳含水率随时间的增长总体呈下降趋势：随着水泥掺入时间的延迟，水泥改良土的最佳含水率总体上呈现下降趋势。最佳含水率是土体在最大干密度状态下的含水率，其变化反映了水泥改良土随时间演化的水化过程。④水泥的自由水与土体中发生水化反应：随着时间的增长，土体中的自由水分与水泥发生水化反应，该反应使得自由水分逐渐减少，因而导致最佳含水率的降低。⑤试验采用宁夏天元牌P·O42.5 缓凝水泥。该水泥具有初凝时间在4～5 小时以内的特性，为水泥土拌和提供了较好的操作性。在实际现场操作中，采用路拌法进行水泥土的拌和，整个过程包括拌和、摊铺、碾压等环节，总体所用时间一般在3～4 小时之间。

4.2 建议

①选择合适的水泥品种。在进行路床水泥土检测延时试验前，应仔细选择合适的水泥品种，考虑到初凝时间和硬化时间等因素，建议选择缓凝水泥，以适应实际施工的需要。对于初次试验，可以根据水泥的性能和实际工程条件选择一到两种水泥品种进行对比试验，以确定最适合工程需求的水泥类型。②精细调控水泥掺入时间。在水泥土的拌和过程中，精细调控水泥的掺入时间至关重要。为了获取最佳的工程性能，建议在拌和、摊铺、碾压等环节中掌握好水泥的加入时机，由于水泥改良土的最大干密度存在时效性，及时地掺入水泥，尤其是在路床施工开始的初期，有助于最大程度地发挥水泥的改良效果。③规范试验操作流程。为了保证试验数据的准确性和可比性，试验操作流程应该规范和标准化。在进行延时试验时，要确保试验的具体操作步骤严格按照规程进行，包括样品采集、试验设备准备、试验操作、数据记录等各个环节，在试验中要注意操作人员的专业培训，确保其具备足够的实验经验和技能，以减小人为因素对试验结果的影响。④加强对试验数据的综合分析。试验数据的综合分析是评估水泥改良土性质的关键步骤。在试验结果出来后，应该对各个时间节点的数据进行综合分析，包括最大干密度、最佳含水率等关键参数的变化规律，通过充分分析试验数据，可以更好地了解水泥改良土的性质特点，为实际工程提供有力的依据。