水泥改良黄土无侧限抗压强度试验研究

叶傅

【摘 要】以阎良高速公路沿线黄土为研究对象,通过无侧限抗压强度试验研究了水泥剂量、压实度、含水率及养护龄期对水泥改良黄土无侧限抗压强度的影响.研究发现,水泥剂量、压实度与水泥改良黄土抗压强度呈现良好的线性增长关系,说明提高水泥剂量或压实度可提高水泥改良黄土抗压强度;水泥改良黄土抗压强度与含水率可构建二次函数关系,抗压强度随含水率增加而逐渐减小;相同水泥剂量下,水泥改良黄土抗压强度随龄期增长逐渐增大,且增长幅度逐渐变缓,两者建立的幂函数方程相关性显著.

【期刊名称】《湖北理工学院学报》 【年(卷),期】2019(035)003 【总页数】5页(P48-52)

【关键词】水泥土;无侧限抗压强度;水泥剂量;压实度;含水率;养护龄期 【作 者】叶傅

【作者单位】山西省交通科学研究院,山西 太原030006 【正文语种】中 文 【中图分类】U411.6 0 引言

目前，水泥土因取材方便和施工简便，在地基稳定处理中得到了广泛应用[1-2]。

水泥掺入土体后，与水发生水化作用产生的Ca2+被土体中的矿物质吸附，促使分散的土粒凝聚形成密实结构，从而可有效地稳定土体，提高强度和水稳性。 阎良高速公路沿线地质主要为湿陷性黄土，属于特殊土，具有土质疏松、孔隙发育良好、强度低、压缩性较小、水稳性差等工程特性，难以满足路基填料的填筑要求[3-5]。而道路工程中路基是路面结构的基础，路基强度与稳定性是保证路面使用性能的先决条件。因此，对阎良高速公路沿线黄土进行水泥改良，提高基层承载能力，使其满足路基填料技术和质量要求具有重要意义。

国内学者通过掺加外加剂、复合改良剂，及改变水泥剂量等方法可提高黄土的力学强度。王鹏云等[1]研究了不同养生龄期下偏高岭土和水泥剂量对水泥土强度和水稳性的影响。周海龙等[2]研究了水泥剂量和养生龄期对水泥土无侧限抗压强度的影响规律。叶观宝等[6]研究了不同龄期下掺外加剂水泥土的微观结构和强度变化。张军丽等[7]研究了不同水泥剂量下水泥黄土的破坏状态。郑继[8]对影响水泥土强度的因素进行了研究。储诚富等[9]通过分析含水率、水泥剂量对水泥土无侧限抗压强度的关系，建立了预测室内水泥土强度公式。王贤昆等[10]采用正交试验研究了脱硫石膏与粉煤灰复合改良对水泥土强度的影响。但是，黄土在我国分布广泛，种类繁多，因而技术性质不一。鉴于此，本文对阎良高速公路沿线黄土进行室内试验，研究水泥剂量、压实度、含水率及养生龄期与水泥改良黄土无侧限抗压强度之间的关系，为该地区水泥改良黄土的应用与推广提供技术支持。 1 试验材料及试验方法 1.1 试验材料 1.1.1 土样

土样取自阎良高速公路沿线，取土深度为2 m。将土样风干碾碎，并测定风干含水率，待用。根据《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)确定黄土的物理性质(见表1)和颗粒组成(见表2)。

表1 黄土的物理性质土粒相对密度GS/(g/cm3)液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP孔隙比e天然含水率W/%2.4730.817.613.20.5420.1

表2 黄土的颗粒组成粒径/mm>0.250.25～0.0750.075～0.005<0.005颗粒质量分数/%1.876.714.47.1 1.1.2 水泥

选用陕西冀东水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O 42.5，其参数测试值见表3。

表3 普通硅酸盐水泥P.O 42.5的参数测试值细度/%凝结时间/min初凝终凝安定性烧失量/%抗折强度/MPa3 d28 d抗折强度/MPa3 d28 d1.2265320合格1.025.38.226.155.3 1.2 试验方法

采用静压法制备无侧限抗压强度试件。根据重型击实试验，确定不同水泥剂量的试件的最大干密度、最佳含水率、变化压实度和含水率。根据式(1)确定试件质量，试件尺寸为φ50 mm×50 mm，混合料分3层装入，并插捣密实。试件脱模后放入标准养生室进行养生，龄期最后1天泡水养生。 m0=p·ρmax·(1+w)·V。 (1)

式(1)中，m0表示试件质量(g)；p表示压实度(%)；ρmax表示水泥改良黄土最大干密度(g/cm3)；w表示试件配制含水率(%)；V表示试件体积(cm3)。 1.2.1 水泥剂量的影响

研究水泥剂量与水泥改良黄土无侧限抗压强度的关系，水泥剂量拟定为6%，8%，10%，12%，养护龄期拟选用7 d，14 d，28 d，按照击实试验确定的最佳含水率和最大干密度制备试件。 1.2.2 压实度的影响

结合现场黄土路基压实情况，拟定压实度为92%，96%，98%，100%，水泥剂量拟定为8%和10%，养护龄期为28 d，按照击实试验确定的最佳含水率制备试件。

1.2.3 含水率的影响

水泥剂量拟定为8%和10%，控制最大干密度，在最佳含水率2%的基础上分别递减(增)拟定5个含水率，养护龄期为28 d。 1.2.4 养生龄期的影响

水泥剂量拟定为8%和10%，养护龄期拟为3 d，7 d，14 d，28 d，压实度控制为100%。 1.3 评价指标

采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)中的无侧限抗压强度试验方法评价水泥改良黄土抗压强度，仪器为WAW-100型微机控制万能试验机，加载速率为1 mm/min，记录试件破坏的最大荷载P。根据式(2)计算无侧限抗压强度： (2)

式(2)中，Rc表示试件无侧限抗压强度(MPa)；P表示试件破坏的最大荷载(N)；A表示试件截面积(mm2)。 2 试验结果分析 2.1 击实试验

不同水泥剂量改良黄土最大干密度和最佳含水率见表4。

表4 不同水泥剂量改良黄土最大干密度和最佳含水率水泥剂量/%最大干密度/(g/cm3)最佳含水率/%61.72316.381.72616.5101.72916.6121.73116.9 由表4可知，水泥剂量由6%增至12%，最大干密度增长了0.008 g/cm3、最佳

含水率增长了0.6%，说明改变水泥剂量对提高最大干密度和最佳含水率的效果不明显。

2.2 水泥剂量的影响

不同水泥剂量下改良黄土在7 d和28 d的养生龄期内无侧限抗压强度见表5。 表5 不同水泥剂量下改良黄土在7 d和28 d的养生龄期内无侧限抗压强度强度水泥剂量/%不同龄期下水泥改良黄土抗压强度/MPa7 d28 d61.422.0681.552.34101.712.67121.883.02

由表5可知，水泥改良黄土抗压强度随水泥剂量增加逐渐增大，呈现良好的线性增长关系。7 d龄期下水泥剂量每增加2%，抗压强度约增长10%；28d龄期下，抗压强度约增长14%。这是因为水泥水化产物增多其，与土粒之间的胶结作用加强，无侧限抗压强度相应提高。另外，7 d明显大于28 d龄期水泥土强度增长幅度，这与水泥的性质有关。二者构建的线性关系式如下： 7 d龄期：qu=0.077ac+0.947，R2=0.995， 28 d龄期：qu=0.161ac+1.078，R2=0.995。 其中，ac为水泥剂量%。 2.3 压实度的影响

不同压实度水泥改良黄土的抗压强度见表6。

表6 不同压实度水泥改良黄土的抗压强度压实度/%不同水泥剂量下无侧限抗压强度/MPa8%10%921.892.08962.132.50982.212.671002.372.89

由表6可知，不同水泥剂量改良黄土无侧限抗压强度随压实度增加呈线性趋势增长，其中10%水泥剂量强度增长幅度比8%的水泥剂量大，压实度为98%，8%水泥剂量改良黄土抗压强度是压实度96%，10%水泥剂量改良黄土的88.4%，说明提高水泥剂量或压实度可提高水泥改良黄土抗压强度。拟合的线性方程如下: 8%水泥剂量qu=0.058n-3.475，R2=0.986，

10%水泥剂量qu=0.100n-7.142，R2=0.997。 其中，n为压实度(%)。 2.4 含水率的影响

不同含水率水泥改良黄土无侧限抗压强度见表7。

表7 不同含水率水泥改良黄土无侧限抗压强度水泥剂量/%含水率/%无侧限抗压强度

/MPa812.514.516.518.520.52.742.662.341.811.291012.614.616.618.620.63.303.022.672.021.57

由表7可知，相同水泥剂量下水泥改良黄土随含水率增加抗压强度逐渐减少，且减少幅度不断加大。8%和10%水泥剂量拟采用的配制含水率分别为12.5%，14.5%，16.5%，18.5%，20.5%和12.6%，14.6%，16.6%，18.5%，20.5%，8%水泥剂量改良黄土抗压强度减少了53%，10%水泥剂量强度降低了52%，说明水会严重降低水泥改良黄土强度。这是因为水泥土内部孔隙含有大量水，水的润滑作用致使土粒间的黏聚力和摩阻力减少；同时改变了水泥的水化环境，降低了胶结强度，从而导致抗压强度降低。另外，含水率与抗压强度具有良好的二次函数关系，关系式如下:

8%水泥剂量：qu=-0.02w2+0.49w-0.16,R2=0.99， 10%水泥剂量：qu=-0.01w2+0.18w+2.97,R2=0.98。 2.5 养生龄期的影响

不同龄期水泥改良黄土的无侧限抗压强度见表8。

表8 不同龄期水泥改良黄土的无侧限抗压强度水泥剂量/%不同龄期下无侧限抗压强度/MPa3 d7 d14 d28 d81.091.551.892.34101.231.712.152.67

由表8可知，相同水泥剂量下，水泥改良黄土随龄期的增长逐渐增大且增长幅度逐渐变缓，8%的水泥剂量改良黄土的抗压强度增长了115%，10%水泥剂量改良

黄土的抗压强度增长了117%。这是因为龄期越长，水泥水化越充分，水化产物与土粒形成胶结物，从而水泥改良黄土无侧限抗压强度相应提高。另外，无侧限抗压强度与龄期具有良好的关系，构建幂函数如下： 8%水泥剂量：qu=-0.793T0.326，R2=0.990， 10%水泥剂量：qu=-0.872T0.337，R2=0.996。 3 结论

通过对阎良高速路段黄土进行水泥改良，研究了其无侧限抗压强度，得到以下结论： 1)室内重型击实试验结果表明，水泥土的最佳含水率和最大干密度均随水泥剂量的增加而略增大，水泥剂量对最大干密度和最佳含水率的提高影响不大。

2)水泥剂量及压实度与水泥改良黄土抗压强度呈现良好的线性增长关系，说明提高水泥剂量或压实度可提高水泥改良黄土抗压强度。

3)水泥改良黄土抗压强度与含水率可构建良好的二次函数关系，强度随含水率的增加而逐渐减小，说明水是影响水泥改良黄土强度的关键因素之一；相同水泥剂量下，水泥改良黄土随龄期的增长逐渐增大且增长幅度逐渐变缓。 参 考 文 献

【相关文献】

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