水泥改良土的物理力学特性试验研究

颜胜才

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

水泥改良土的物理力学特性试验研究

颜胜才

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

介绍了水泥改良土的作用机理，通过室内和现场试验，分析了水泥改良土击实性、水稳性、强度特性、刚度特性等物理力学特性。研究结果表明:水泥掺量对水泥改良土水稳性的影响及养护龄期对其强度的影响显著，检测时间对其地基系数K30测试结果影响最大。从水稳性角度考虑，建议高速铁路路基水泥改良土的水泥掺量不宜小于3%。

水泥改良土 物理力学特性 试验研究

我国高速铁路建设发展快速，对优质路基填料的需求量与日俱增。规范对高速铁路路基填料的要求比普速铁路更加严格。《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10020—2009)要求基床底层及基床以下路堤应使用A，B组填料或改良土［1］。各在建高速铁路沿线的调查结果显示，A，B组填料的原料比较匮乏，远远满足不了目前路基填筑施工的需求，因此，改良土成为很重要的补充，研究改良土的物理力学特性具有实用价值。

除A，B组填料外，目前在高速铁路路基应用比较广泛的是水泥改良土。它是将粉碎的素土与一定比例的水泥拌合均匀、机械压实并养护后形成的，利用水泥与素土之间发生的一系列物理、化学反应，使素土硬结成具有一定强度、耐久性和水稳性的水泥改良土。水泥改良土的强度源于素土强度、素土的物理改良、水泥水化硬化的胶结作用和硬凝反应，其中水泥水化硬化的胶结作用对水泥改良土强度的贡献最大［2］。已有研究结果表明，素土的种类对水泥改良土的强度影响显著，不同的土类加入等比例水泥后，水泥土强度可相差近一倍［3］。王兵等［4］研究了水泥土强度随养护龄期增长的微观机理，认为60 d龄期强度可以作为击实水泥土的设计强度。张天红、贾厚华等［5-6］也对水泥土强度的影响因素做了研究，提出了各自的观点。宋永军等［7］结合施工现场研究了水泥土的时效性。马学宁等［8］对水泥改良黄土的力学特性进行了试验研究。本文通过室内、现场试验研究水泥改良土的物理力学特性，对其用于高速铁路路基填料的适用性进行探讨。

1 水泥改良土的物理力学特性

试验中采用的素土取自一在建高速铁路取土场，其物理性质指标如表1所示，属粉土。掺入的水泥为P．O42.5普通硅酸盐水泥。

表1 素土的物理性质指标

1.1 击实特性

击实特性对控制路基的填筑压实质量至关重要，用击实试验测试出的最大干密度和最佳含水率是指导现场填筑压实的重要参数。

为了避免延迟时间对击实试验结果的影响［9］，所有的水泥土击实试验均在加水泥搅拌后1 h内完成，不同掺量水泥土的重型击实试验结果如表2所示。可以看出，水泥土的最大干密度和最佳含水率随水泥掺量的变化不大，具有良好的击实特性。

表2 水泥改良土的击实特性与水泥掺量的关系

1.2 水稳性

水稳性是表征填料抵抗渗水侵蚀的指标，用于高速铁路路基的填料必须具备良好的水稳性。水泥改良土的水稳性通过湿化试验和液塑限试验测试。

1)湿化试验

土的湿化是土体在水中发生崩解的现象。湿化试验是通过测定边长5 cm的立方体试样在水中浸泡后的崩解量来评定其水稳性。对不同水泥掺量标准养护7 d试件在水中浸泡24 h后崩解量的测试结果如表3所示。

表3 水泥改良土试件的湿化试验崩解量

由表3可见，素土完全崩解，随着水泥掺量增大，试件崩解量变小，水稳性变好，且水泥掺量达到3%及以上时，崩解量数值较小(＜10%)，此时改良土具备良好的水稳性。

2)液塑限试验

土的液塑限能反映土颗粒与水相互作用的程度。水泥土的液塑限试验方法是将拌合的水泥土用标准方法击实，然后将试件养护7 d后烘干，并重新粉碎后采用液塑限联合测定法测定，不同掺量水泥土的液塑限试验结果见表4及图1、图2。

表4 水泥改良土试件的液塑限试验结果

图1 液限与塑限随水泥掺量的变化

图2 塑性指数随水泥掺量的变化

从图1、图2可知:掺入水泥后，液限变化不大;塑限的变化趋势分两段;水泥掺量在0～3%，塑限随其增大而急剧增大，在3%～6%塑限基本不受其影响，维持一个比较稳定的数值;塑性指数先随水泥掺量增大而急剧减小，当水泥掺量增大到3%以后基本维持在一个比较稳定的低值。塑性指数越小则土的亲水性越弱，水稳性也就越好，因此，水泥掺量的增加能改善水泥改良土的水稳性，且当掺量达到3%以上时对水稳性的改善作用趋于稳定。这与湿化试验的结果比较吻合。因此，从水稳性考虑，高速铁路路基水泥改良土中水泥掺量不宜低于3%。

1.3 强度特性

改良土的强度一般通过无侧限抗压强度试验测得。不同水泥掺量、不同养护龄期的水泥改良土无侧限抗压强度值测试结果见表5、表6和图3。

表5 水泥改良土无侧限抗压强度值MPa

表6 水泥土强度随龄期的增长幅度

图3 不同水泥掺量、不同养护龄期的无侧限抗压强度试验结果

由表6可知，水泥掺量、养护龄期对水泥土的强度影响显著。水泥掺量越大，养护龄期越长，无侧限抗压强度值越高。养护7 d时的抗压强度增长幅度为149%～238%，养护28 d的增长幅度为373%～542%。实际工程中一般以7 d强度来评定，而后期强度还存在很大的发展空间。另外0～7 d平均每天增长幅度为21%～34%，8～28 d平均每天增长幅度为6%～10%，说明水泥改良土早期强度发展迅速，后期逐渐趋缓，这与水泥早期强度发展较快有关。

1.4 刚度特性

刚度特性是指材料抵抗变形的能力，在路基填筑现场可以通过测定地基系数K30来评定。对现场掺4%水泥的改良土测试数据进行统计分析发现，影响地基系数最大的因素是测试时间，如表7所示。随着碾压完成后的时间延长，K30数值明显增大。碾压完成后1 h时K30为145 MPa/m，碾压完成后48 h K30达到211 MPa/m，增幅高达45.5%，说明水泥改良土抗压缩变形的能力显著提高。

表7 水泥改良土不同时间的K30测试结果对比MPa/m

2 结论

1)水泥改良土最大干密度和最佳含水率基本不受水泥掺量的影响，具有良好的击实特性。

2)水泥掺量的增大能显著改善水泥改良土的水稳性，当掺量达到3%以上时水泥改良土的水稳性良好且基本保持在一个比较稳定的水平。

3)水泥改良土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大，随龄期的增长而增大，且早期强度发展较快，后期逐渐趋缓。

4)水泥改良土具有良好的刚度特性，抗压缩变形的能力随时间延长而显著提高。

5)当路基填料采用水泥改良土时，为保证其各项特性指标均能满足要求，其水泥掺量不宜低于3%。

［1］中华人民共和国铁道部．TB 10020—2009高速铁路设计规范(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2009．

［2］黄新，宁建国，郭晔，等．水泥含量对固化土结构形成的影响研究［J］．岩土工程学报，2006，28(4):436-441．

［3］黄新，周国钧．水泥加固土硬化机理初探［J］．岩土工程学报，1994，16(1):436-441．

［4］王兵，杨为民，李占强．击实水泥土强度随养护龄期增长的微观机理［J］．北京科技大学学报，2008，30(3):234-238．

［5］张天红，周易平，叶阳升，等．水泥土的强度及影响因素初探［J］．中国铁道科学，2003，24(6):53-56．

［6］贾厚华．化学改良土无侧限抗压强度的试验研究［J］．土工基础，2010，24(3):84-87．

［7］宋永军，吴连海．铁路客运专线基床水泥改良土填筑压实检测及其时效性研究［J］．铁道勘察，2005，12(1):33-35．

［8］马学宁，梁波．水泥改良黄土力学特性试验研究［J］．岩土工程技术，2005，19(5):241-244．

［9］史存林，石新桥，王庆林．水泥改良土击实方法的分析与研究［J］．铁道工程学报，2007(增):147-149，181．

(责任审编李付军)

TU41;U416.1+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．28

1003-1995(2015)04-0107-03

2014-07-26;

2014-09-20

颜胜才(1982—)，男，湖南涟源人，助理研究员，硕士。