路基水泥改良膨胀土长期性能演变规律研究

谭 伟， 刘国坤, 王祺顺

(1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司， 四川 成都 610000; 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

我国疆域辽阔，有着复杂的地质条件，许多地区分布有膨胀土。膨胀土含有强亲水性黏土矿物成分(如蒙脱石、伊利石和高岭石等)，具有强烈的胀缩特性、多裂隙性和强衰减性，其颗粒具有高度分散性，对环境湿热的变化非常敏感，遇水膨胀，变形急剧增长，对工程建设极为不利[1]。

目前采用水泥改良作为对膨胀土进行处治、的一种常用手段，国内外学者们开展了一系列相关研究。KOLIAS[2]等建立了改良土强度与不同水泥、粉煤灰配比之间的数学关系。ISMAIL[3]等对不同种类的水泥固化土进行了三轴试验，得到不同水泥骨料对水泥土抗剪强度的影响特性。LORENZO[4]等引入孔隙比与水泥掺量的比值来描述水泥固化土压缩变形特征。刘义虎[5]等通过试验模拟了天然干湿状态下的改良膨胀土路基， 试验表明土的黏聚力表现出递减，强度大幅降低。杨和平[6]等对原状膨胀土在干湿循环条件下施加循环荷载，发现干湿循环作用下土体应力 — 应变曲线呈现出软化特性，荷载大小是影响胀缩幅度及强度衰减关键因素。刘志彬[7]等通过对水泥改性膨胀土进行液氮吸附试验，从微观角度研究了水泥掺量对水泥土孔隙的影响。杨俊[8]等通过研究冻融循环对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度影响，发现冻融条件下土体发生结构性破坏。许雷[9]等对多种含水率膨胀土在冻融作用下的力学特性进行了研究，指出初次冻融作用对土体承载力影响远高于后续的冻融作用。

由于路基暴露在自然环境中，严格来说，一种路基填料改良方案能否应用的前提之一，在于其能否适应湿度的季节性周期变化。改良膨胀土若在干湿循环作用和冻融循环作用下出现长期性能衰变，容易造成路基路面过早破坏，因此研究水泥改良膨胀土在干湿循环、冻融循环作用下的长期性能衰变规律，论证其具有可靠的耐久性，是十分有必要的。本文针对某公路路基膨胀土开展不同掺量的水泥改良，并模拟其在自然环境中受到的干湿循环和冻融循环作用，获取改良土的自由膨胀率、应力 — 应变曲线、无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角的变化趋势，分析水泥改良效果的衰变规律，从长期性能角度出发探讨合理的水泥改良配比，为实际工程建设提供参考。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验用膨胀土取自我国西南某公路工程项目，根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[10]，选择50 kPa压力下膨胀率试验计算胀缩总率，结果为3.4%，属于中膨胀土，根据规范要求，采用无机结合料处治后，该膨胀土方可用作路基填料，其基本物理性质指标如下：天然密度1.79 g /cm3，最大干密度1.98 g /cm3，天然含水率23.1%，液限wL为69%，液限wP为28%，粒组含量<0.075 mm为56.7%、<0.002 mm为23.1%，自由膨胀率51.3%。

1.2 试验方案

将取回的膨胀土烘干碾碎，过2 mm筛，再根据天然含水率掺入蒸馏水，均匀拌和。按水泥掺量为0%、5%、10%、15%配置改良膨胀土，将改良土在圆柱体模具中进行制备，试样(见图1)直径约39.1 mm，高度约80 mm，压实度控制在93%左右。

图1 膨胀土试样Figure 1 Expansive soil specimen

膨胀土胀缩理论有多种，其中主流之一的“双电子层”理论是：膨胀土中含有较多蒙脱石，在其颗粒表面，由于置换作用产生负电荷(Mg2+置换Al3+)，在周围形成静电场，带有负电荷的黏土矿物颗粒吸附水化的阳离子，随着矿物颗粒之间的距离增加，吸附能力下降，形成扩散形式的离子分布，即双电子层。随着含水率的增加，结合水膜变厚，使黏土矿物颗粒间的距离增大，结果导致土的体积膨胀；失水时，土中结合水膜变薄或消失，黏土矿物颗粒间的距离减小，土体表现为体积收缩[11]。

水泥的掺入改变了膨胀土的结构和化学成分，从而改良了膨胀土的物理力学性质，通过水泥与膨胀土的离子交换及团粒化作用、 硬凝反应及碳酸化反应， 可以有效地改良土的膨胀性，但这种作用效果是否会随着干湿循环或冻融循环衰减，是本文需要探讨的重点。

将制作成型的试样放入恒温恒湿试验箱中进行脱湿处理，当含水率接近缩限时将试样取出，进行真空抽气及浸水饱和(见图2)，放置24 h后再次放入恒温恒湿箱中，多次标定质量，当试样达到天然含水率后取出，视为完成1次干湿循环作用，干湿循环次数设定为1、3、5次。通过设置温度来模拟冻融作用，将试样在-20 ℃温度的装置中放置12 h，用于模拟冻结，然后将温度调节到20 ℃放置12 h，用于模拟融化，如此视为完成一次冻融循环作用，冻融循环次数设定为1、5、9、12次。为防止其在冻融循环过程中的水分损失，冻融过程中将试样用保鲜膜密封包裹。

图2 真空抽气及浸水饱和Figure 2 Vacuum pumping and saturated with water

在完成指定的干湿循环或冻融循环次数后，对试样进行自由膨胀率试验和无侧限抗压强度(UCS)试验，具体过程参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[12]和公路工程无机结合料稳定材料试验规程》( JTG E51-2009 )[13]，此外，对冻融循环的试样还开展了三轴压缩试验以测定其抗剪强度参数的变化，具体过程参照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)[12]。

2 试验结果分析

2.1 干湿循环影响

图3为不同干湿循环次数下改良土自由膨胀率的变化规律，可以看出，随着水泥掺量的增加，自由膨胀率逐渐下降，当掺量为10%时自由膨胀率最小，但掺量超过10 %后，自由膨胀率又呈上升趋势，这可能是由于掺量较大时，水泥自身的硬化结合能力得到加强，水泥与膨胀土的离子交换作用削弱。总体来看，干湿循环对水泥改良土自由膨胀率的影响较小，水泥改良抵抗膨胀的效果基本不随着干湿循环次数增加而减弱。

图3 自由膨胀率及相关衰减量变化曲线Figure 3 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

图4为UCS试验中，水泥掺量为5%、10%、15%条件下，改良膨胀土应力-应变曲线随干湿循环次数的变化。可以看出改良土应力-应变曲线总体上呈现应变软化特征，应力具有“峰值”，随后随着应变的增长应力下降至残余强度。0%～15%水泥掺量下改良土无侧限抗压强度qu随干湿循环的变化如表1所示。结合表1和图4，可以看出水泥的掺入对膨胀土的强度提升具有显著的作用，掺量为10%时改良土的qu达到掺量为5%改良土qu的两倍以上，水泥掺入后，生成大量Ca (OH)2，进一步离解生成OH-和Ca2+，Ca2+浓度大幅度增加，可以置换出蒙脱石等黏土矿物中吸附的主要水和Na+，从而降低了黏土颗粒的水膜层厚度，使得膨胀土的分散性、亲水性和膨胀性降低，这是水泥改良膨胀土强度增长的主要原因。

(a) 5%水泥掺量

表1 不同干湿循环次数下改良土的 qu值Talbe 1 Values of qu for specimen subjected to different dr-ying-wetting cycle干湿循环次数不同水泥掺量的qu值0%5%10%15%06071151254145751262293367513021953268124230

从表1还可以看出，qu总体上随着干湿循环次数的增加而逐渐减小，并逐渐趋于稳定，未改良膨胀土的qu在经历5次干湿循环后衰减接近50%。伴随干湿循环的持续作用，膨胀土在反复膨胀收缩作用下易产生裂缝，从而改变了土体内部结构，使其形成不具修复性的疲劳损伤，强度降低。而掺入水泥后，胀缩效应减弱，因此强度衰减幅度减小。以水泥掺量为10%为例，在经历第一次干湿循环后，qu衰减16.5%左右。但其qu仍达到同样经历1次干湿循环未改良土qu的2.8倍，随后再经历干湿循环，qu只有小幅变化，因此，水泥改良对于膨胀土qu的提高效果具有较好的水稳定性。

2.2 冻融循环影响

2.2.1自由膨胀率

图5为不同冻融次数下改良土自由膨胀率的变化规律，可以看出，在冻融循环条件下，水泥掺量对自由膨胀率的影响规律与干湿循环条件下类似。相对经历第一次干湿循环，经历第一次冻融循环后自由膨胀率的增加幅度更大，这是由于冻融循环对于土体而言不但有自由水和弱结合水含量的变化，还伴随着温度的变化，但仍然是将水泥掺量控制在10%时抑制膨胀的效果最为理想。

图5 自由膨胀率及相关衰减量变化曲线Figure 5 Change curves of free expansion rate and related attenuation amount

2.2.2无侧限抗压强度

图6为UCS试验中改良膨胀土应力-应变曲线随冻融循环次数的变化。由图6(a)可知未改良土在经历1次冻融循环后，土体的强度明显下降，冻融循环次数达到9次时强度才趋于稳定，衰减幅度达到48%左右;这是由于试样每次冻结后体积变大，而融化后，体积变形不能恢复至循环前状态，即每一次冻融循环都会产生不可恢复的残余冻胀变形，同时出现微裂缝，可见未改良膨胀土路基在冻融循环作用下将长时间处于性能衰减状态。

(a) 0%

掺入水泥后，从图6(b)、图6(c)、图6(d)可以看出水泥改良膨胀土试样的应力-应变曲线表现更“陡”，强度得到了明显的提高，冻融循环虽仍然对强度产生了不利影响，但衰减的幅度有所减小，5%、10%、15%水泥掺量的改良土强度最终降幅分别约为13.3%、15.6%和16.2%，而且在5次冻融循环以qu趋于稳定。

图7为改良膨胀土峰值强度时应变与冻融循环次数的关系曲线，由图中的曲线关系可以得出水泥掺量为0%时应变明显高于改良土的应变，而且随着冻融循环次数的增加，该应变随之降低。峰值强度的应变反映土试样的塑性，破坏时应变越大即塑性越强，由此可知冻融循环作用会降低土体的塑性，而掺入水泥后膨胀土的塑性保持得较为稳定。

图7 强度峰值时的应变与冻融循环次数的关系Figure 7 The relationship between peak strain and the number of freeze-thaw cycles

2.2.3粘聚力与内摩擦角变化情况

图8(a)为水泥改良膨胀土粘聚力与冻融循环次数的关系曲线，由图可得出经历首次冻融循环后，改良土的粘聚力下降幅值最大， 后续冻融循环对粘聚力的影响作用削弱。图8(b)为水泥改良膨胀土内摩擦角与冻融循环次数的关系曲线，相对粘聚力，冻融循环对改良土内摩擦角的影响程度更小，同时可以看出，水泥掺量由5%增加至10%时内摩擦角提升较为明显，而由10%增加至15%时内摩擦角提升相对较小。

(a) 粘聚力

综合干湿循环试验及冻融循环试验考虑，可知对于本文所研究膨胀土，未改良土的无侧限抗压强度在长期自然环境作用下可能衰减50%左右，而对于水泥改良土，无侧限抗压强度大约衰减13%～17%，粘聚力衰减12%～23%，内摩擦角衰减14%～17%左右，该公路路基进行设计时应考虑这部分的衰减。图9为现场水泥改良土场拌法流程，相应的成本预估如下:水泥掺量5%时48.3元/m3,10%时85.2元/m3,15%时147.8元/m3。从兼顾效果和成本的角度考虑，建议水泥掺比控制在10%左右，进一步增加水泥掺量取得的改良效果并不明显，而且由于采购、存储、运输、拌和等因素，成本大大增加。

图9 现场水泥厂拌法流程Figure 9 Mixing process of cement in-site

3 结论

a.随着水泥掺量的增加，自由膨胀率逐渐下降，当掺量为10%时自由膨胀率最小，但掺量超过10 %后，自由膨胀率又呈上升趋势。干湿循环和冻融循环对水泥改良土自由膨胀率的影响都较小，其中冻融循环的影响略大。

b.未改良膨胀土的qu在经历5次干湿循环或9次冻融循环后趋于稳定，衰减幅度均接近于50%，这对实际路基工程而言是较为危险的。而掺入水泥后，qu抵抗干湿循环或冻融循环影响的能力明显增加，衰减幅度在10%～20%范围内，而且在较少的循环次数下qu趋于稳定。

c.首次冻融循环时改良土的粘聚力下降幅值最大，后续冻融循环对粘聚力的影响作用削弱，内摩擦角与冻融循环的关系与上述类似，但冻融循环次数对改良土内摩擦角的影响程度更小。

d.综合干湿循环试验及冻融循环试验，未改良土的无侧限抗压强度在长期自然环境作用下可能衰减50%左右，而对于改良土，qu、c、φ各项指标的衰减幅度均低于23%，该公路路基进行设计时应考虑这部分的衰减，从兼顾效果和成本的角度考虑，建议水泥掺比控制在10%左右。