无侧限抗压强度试验报告(潮湿路基水泥改良细粒土的无侧限抗压强度)

Posted 2023-05-28

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无侧限抗压强度试验报告(潮湿路基水泥改良细粒土的无侧限抗压强度)

潮湿路基水泥改良细粒土的无侧限抗压强度

黄崇伟 朱美宣 孙瑜 李巍逍

上海理工大学交通运输工程系

摘 要：针对国内南方潮湿路基设计与施工的相关问题，选取新建公路路基的粉土、黏土及淤泥质土等3种典型土样作为研究对象，采用水泥处治技术进行改良，分析不同含水率、水泥掺量及养生龄期对3种土样无侧限抗压强度的影响。研究结果表明：对3种土样而言，含水率与无侧限抗压强度成反比关系；水泥掺量与无侧限抗压强度成正比关系；龄期在7～14 d内，无侧限抗压强度提升较快，14～28 d提升缓慢；水泥对粉土、黏土的改良比石灰改良效果高出近200%,而对于淤泥质土，也提升了31.2%,因此，潮湿路基推荐使用水泥处治改良方法。

关键词：道路工程;潮湿路基;水泥处置改良;无侧限抗压强度;

基金：上海市青年科技英才扬帆计划资助项目，项目编号20YF1431900;

从目前境内外的研究状况来看，大多学者采用无侧限抗压强度试验，分析材料的各个参数对试件抗压强度的影响。Seyed Amin Moosavi等[1]得到含水率是影响花岗岩无侧限抗压强度的一个重要因素的结论。Lang[2]和刘毅飞[3]在不同含水率下，以粉土为研究对象，发现随着含水率的增加，其无侧限抗压强度会减小。郑宝荣等[4]以粉土为研究对象，发现玄武岩纤维掺量可以显著提升粉土的抗压强度。何云龙等[5]对比了黏土和淤泥质粉质黏土，发现水泥掺量的增加可能影响两种土质的无侧限抗压强度。阮波[6]和侯蕊[7]等对改良土不同的养护温度、水泥掺量展开研究，前者得到强度随着养护温度的升高而降低的结论；后者发现在水泥掺量为25%时，湿法制样水泥土抗压强度优于干法。王立峰[8]和高建喜[9]等发现随着龄期的增长，黏土的无侧限抗压强度会有所增加。Seyed Hassan Jafari等[10]研究表明，石灰和二氧化硅有助于提升黏土的无侧限抗压强度。

综上，对于潮湿路基水泥改良细粒土的无侧限抗压强度影响因素，境内外已经有了一些针对不同条件下、不同土质的抗压强度的研究基础，但是缺乏全面系统性的研究。鉴于此，本文选择粉土、黏土和淤泥质土3种典型的潮湿路基细粒土，采用水泥处治改良技术，借鉴水泥混凝土的无侧限抗压强度方法[11,12],探究含水率、压实度、水泥掺量、养生龄期对潮湿路基细粒土无侧限抗压强度的影响。最后对比分析了水泥与石灰对3种土质无侧限抗压强度的改善效果，研究成果可为今后潮湿细粒土路基设计与施工提供参考。

1 试验方案

1.1原材料

试验采用3种典型的潮湿路基细粒土样本，其物理力学性能如表1所示。

表1 3种典型潮湿路基细粒土物理力学性能

选用42.5级水泥进行试验，其技术性质如表2所示。

表2 水泥技术性质

1.2试验方案

(1)方案设计。

根据3种土样物理力学性能，结合《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)及研究经验，并考虑其影响因素，制定3种典型土样无侧限抗压强度试验方案，如表3所示。

表3 3种典型土样无侧限抗压强度试验方案

(2)试验方法。

试验中所采用试件为直径100 mm、高50 mm的圆柱体试件，采用YA-2000电液式压力试验机，如图1所示。

图1 水泥改良土强度试验器材

具体的试件制备方法如下：首先要将圆柱体试模擦拭干净，并在其内部刷一层薄薄的机油；其次是将按照试验方案配比搅拌均匀的混合料分3层装入试模中，每层进行插捣并采用手持击实仪稍微击实，以确保混合料能完全装入试模；最后将装有改良土的试模放入液压机，上覆垫块进行压实，以确保水泥改良土的压实度达标，如图2所示。

试件应保持一定距离养护。养护箱条件：温度为(20±2)℃,相对湿度为90%以上。当养护龄期为7 d、14 d、28 d后开展强度试验，如图3所示。

图2 水泥改良土试件制备

图3 改良土无侧限抗压强度试验

2 试验结果分析与讨论

2.1含水率的影响

分析不同含水率条件下，水泥改良粉土、黏土、淤泥质土对其无侧限抗压强度的影响，结果见图4。

由图4可知，随着含水率的增大，水泥改良粉土、黏土、淤泥质土的无侧限抗压强度均呈下降趋势。当进行水泥掺入改良粉土、黏土、淤泥质土时，其无侧限抗压强度随着含水率增大的最大下降幅度分别为8%左右、5%～6%、12%～21%。这是由于，水泥改良粉土、黏土、淤泥质土的无侧限抗压强度在最佳含水率附近时达到最大，而超过最佳含水率的过多水分会破坏素土本身颗粒的黏结性，降低试件强度；而水泥的掺入使得水分会与其产生水化反应，一方面使得水分下降、减少其对土体颗粒的影响，另一方面水化产物又能提高水泥改良粉土的强度。

对含水率与无侧限抗压强度关系进行回归分析，结果如表4所示。

图4 含水率对不同土质无侧限抗压强度的影响

表4 含水率与无侧限抗压强度回归分析

在不同水泥掺量之下的回归公式基本保持相似，因此在表4中选用了不同水泥掺量中间值作为代表值。根据回归结果可知，在确定的水泥掺量下，水泥改良粉土、黏土、淤泥质土的无侧限抗压强度与含水率呈现出完全线性的关系。

2.2水泥掺量的影响

分析水泥改良3种土样，水泥掺量对无侧限抗压强度的影响如图5所示。

由图5知，水泥改良粉土、黏土时，在7%水泥掺量范围内，当掺量是0时，无侧限抗压强度很小，最小的不到1.0 MPa; 当水泥掺量达到最大值，水泥改良粉土、黏土的无侧限抗压强度超过3.5 MPa。更重要的是，不论其含水率如何变化，当水泥掺量增大时，其无侧限抗压强度均增大。改良淤泥质土时，若水泥掺量在20%范围内，当水泥掺量为0时，无侧限抗压强度最小值仅大于0.5 MPa; 但当水泥掺量达到最大值，即20%时，水泥改良淤泥质土的无侧限抗压强度也才勉强大于3 MPa。因此，不论含水率如何变化，无侧限抗压强度均随水泥掺量的增大而增大，但淤泥质土强度随水泥掺量增大的趋势太缓。

图5 水泥掺量对不同土质无侧限抗压强度的影响

水泥掺量与无侧限抗压强度回归分析结果如表5所示。

根据回归分析来看，在不同含水率条件下，水泥改良粉土、黏土、淤泥质土的无侧限抗压强度与其水泥掺量的线性相关性均较高，且淤泥质土相关系数均比水泥改良粉土和水泥改良黏土的大，这主要是因为试验选取的淤泥质改良土水泥掺量本身就比水泥改良粉土和水泥改良黏土的大。此外，此时含水率的改变不会引起水泥掺量与无侧限抗压强度之间关系的改变。

表5 水泥掺量与无侧限抗压强度回归分析

2.3养生龄期的影响

在不同含水率及水泥掺量条件下，分析养生龄期与无侧限抗压强度的关系，结果如图6所示。

对于水泥改良粉土、黏土、淤泥质土而言，龄期的增长对其无侧限抗压强度的影响不大；但从总体来看，仍有一定的上升趋势。这种趋势在7 d～14 d的区间内变化更为显著，而在14 d～28 d的区间内变化极小。这说明在改良土中，有关其强度的物化反应，在前14 d特别是前7 d内已经较为充分，对强度有贡献的产物已经基本形成。

水泥掺量为0时的素粉土，在3种养生龄期的工况下无侧限抗压强度并无改变。这是由于水泥改良3种土样的强度依靠水泥的水化反应产生，而养生龄期的增长可以给予其充分的反应时间。但素土中并无水泥成分，因此无法通过增大龄期提高其抗压强度。含水率对于龄期强度的影响并不显著。这说明了在试验所处的含水率以及水泥掺量条件下，水分已经可以充分地支持水化反应的发生。

2.4水泥与石灰的改良效果对比

为了比较石灰土与水泥土的差异，依据上述的无侧限抗压强度试验步骤，测试了不同工况下石灰改良土的无侧限抗压强度，并与水泥改良土的结果进行了对比，如表6所示。由于石灰与水泥性质不同，因此在改良剂掺量上选择用中间值的水泥改良土进行对比，对于3种土样分别为5%、5%、14%;为了尽可能保持对比的说服性，两组改良土的含水率、压实度以及龄期都取等值。

由表6测试结果可看出：(1)各影响因素对水泥改良粉土、黏土和淤泥质土无侧限抗压强度均有影响，其影响程度不一；(2)同等影响因素下，3种水泥改良土无侧限抗压强度均比3种石灰改良土的要高；(3)在改良剂掺量更低的情况下，水泥改良土比石灰改良土拥有更高的强度，对于粉土和黏土，高出近200%,而对于淤泥质土也提升了31.2%。

图6 养生龄期对不同土质无侧限抗压强度的影响

表6 水泥与石灰改良土对比

因此，就强度性质来说，水泥改良土更有优势。这是由于水泥的水化反应生成的产物具有更高强度所致。而相比于水泥土，石灰土具有如下缺点：首先，石灰土能够调整的强度不大，也就是说，强度比水泥土路基要小；其次，石灰土存在最佳灰剂量，超过或未达最佳灰剂量均会对石灰土路基的性能产生影响，且施工灰剂量通常比实验室要高0.5%～1.0%,灰剂量设计和施工控制均存在一定难度；再次，选用石灰改良土的方法应用条件较窄，如适用于塑性指数较低的土；最后，石灰土的收缩系数大，并且遇水容易软化。因此，对于类似本文潮湿路基土体，推荐采用水泥改良处治方法。

3 结语

(1)含水率对水泥改良土的抗压强度影响比较明显，呈现出线性反比的现象。这是由于水分会破坏素土本身颗粒的黏结性，降低试件形成强度和抵抗回弹变形的能力。

(2)水泥掺量对水泥改良土抗压强度的影响是最大的，呈现线性正比现象。这是因为在改良土中，形成强度和刚度的主要成分是通过水泥的水化反应得到的产物。虽然水泥掺量与改良土抗压强度呈现出线性正相关的关系，但是实际工程中，水泥掺量还应依据含水率的大小、处治层位、公路等级等具体确定。

(3)养生龄期对改良土的抗压强度影响不大，但总体来看，可以分为两个阶段：在7 d～14 d的龄期区间内，由于水泥的水化反应尚未充分，因此存在一定的上升空间；在14 d～28 d内，改良土的强度基本不再提升。

(4)对比水泥改良土与石灰改良土，就强度而言，前者有着较大的优势，使用更小的掺量便能达到更大的抗压强度。该规律对3种土样均成立，因此潮湿路基推荐使用水泥处治改良方法。

参考文献

[1] Seyed Amin Moosavi,Mehdi Mohammadi.Development of a new empirical model and adaptive neuro-fuzzy inference systems in predicting unconfined compressive strength of weathered granite grade Ⅲ[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2021,(prepublish).

[2] Lang Lei,Chen Bowen,Chen Bing.Strength evolutions of varying water content-dredged sludge stabilized with alkali-activated ground granulated blast-furnace slag[J].Construction and Building Materials,2021,275.

[3] 刘毅飞.软黏土无侧限抗压强度特性研究[J].中国水运：下半月，2020,20(1):221-222.

[4] 郑宝荣，陈峰.玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度的研究[J].江西建材，2020,(7):24-26.

[5] 何云龙，肖桃李，汪中林.不同土质水泥土的无侧限抗压强度研究[J].长江大学学报：自然科学版，2020,17(1):102-107.

[6] 阮波，郑世龙，张向京，等.不同养护温度下水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验研究[J/OL].铁道科学与工程学报：1-9[2021-01-10].https://doi.org/10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20200919.

[7] 侯蕊，吴家琦，樊铁兵，等.水泥土室内试验无侧限抗压强度差异分析[J].土工基础，2020,34(1):76-79+88.

[8] 王立峰，陈巧红，陈建建，等.垃圾废灰改性水泥土的无侧限抗压强度试验研究[J].科技通报，2019,35(12):166-170.

[9] 高建喜，何杰，王忍.小龄期夯实水泥土无侧限抗压强度试验研究[J].土工基础，2017,31(6):762-765.

[10] Seyed Hassan Jafari,Seyed Hamid Lajevardi,Mohammad Sharifipour,et al.Evaluation of small strain stiffness characteristics of soft clay treated with lime and nanosilica and correlation with UCS (qu)[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2021,(prepublish).

[11] Ngo Huong Thi Thanh,Pham Tuan Anh,Vu Huong Lan Thi,et al.Application of Artificial Intelligence to Determined Unconfined Compressive Strength of Cement-Stabilized Soil in Vietnam[J].Applied Sciences,2021,11(4).

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