水泥稳定低液限粘土回填路基试验研究

Experiment Study on Stabilization of Low Liquid Limit Soil with Cement in Subgrade Filling

摘要: 以漯河市京港澳高速临时辅道路基填筑工程为例，首先对取土场的素土进行基本的物理特性试验与分析。研究水泥稳定低液限黏土的化学反应原理与微观机理为试验结果提供理论分析。用不同的水泥剂量稳定低液限黏土，研究它们的击实特性，揭示水泥用量与最佳含水量和最大干密度之间的规律，为实际压实过程提供依据，比较它们的CBR值，确定水泥的最佳用量，并通过无侧限抗压强度评定掺量后水泥稳定土的路用性能。研究表明：水泥稳定土的最大干密度随水泥掺量增加而增加，水泥稳定土的CBR在一定范围内随水泥掺量增加而增大，随后趋于稳定。在满足路用性能条件下，路基94区采用4%水泥掺量的稳定土，96区采用5%水泥掺量的稳定土方案最为经济合理。

Abstract: Taking the temporary auxiliary subgrade filling project of Beijing-Hong Kong-Macau Expressway as an example, firstly, the basic physical properties of the borrowed soil are tested and analyzed. The chemical reaction principle and microscopic mechanism of studying cement stabilized low liquid limit clay provide theoretical analysis for the test results, stabilizing low liquid limit clays with different cement dosages, studying their compaction characteristics and revealing the law between cement dosage and optimum water content and maximum dry density to provide a basis for the actual compaction process; comparing their CBR values to determine the optimum amount of cement; and evaluating the road performance of cement stabilized soil by the unconfined compressive strength. The result shows that the maximum dry density of cement stabilized soil increases with the increase of cement content. The CBR of cement stabilized soil increases with the increase of cement content within a certain range, and then tends to stabilize. While meeting road performance, the plan that the 94-area of subgrade uses 4% cement mixed stable soil, and the 96-area uses 5% cement content stable soil is the most economic and reasonable.

1. 引言

由于S238常付线漯河市郾城区小王庄至漯河周口交界段改建工程京广铁路段下穿京港澳高速公路，为减少扩建施工时对京港澳高速的影响，在京港澳高速西侧修建一条辅助通道，供京港澳高速在开挖情况下能满足正常的通行能力。本项目主要为填方路段，路基工程量主要为借土填方16.3万m³，工程量巨大。通过对该项目借方土壤进行采样分析表明为低液限粘土。低液限粘土的液限低，塑性指数少，水稳性差，吸水易崩解，失水收缩等不良工程性质，本地区主要是通过石灰来稳定低液限黏土，魏建国等 [1] 研究表明掺加适量的石灰使其具有良好的水稳定性与强度能够更好地满足道路使用性能。随着省、市对环境保护工作的重视，特别是市政府对环保问题做出了严格要求，因此漯河市周边石灰生产企业经常处于半停工状态，石灰供应紧张，且路基加灰处理施工中，仅用传统加灰处理施工工艺加雾炮湿法作业对扬尘抑制作用非常有限。且由于该项目为京港澳高速临时辅道工程，车流量较多，荷载大，因此需要提高路基特别是路床部分的强度和稳定性，以承受和扩散上传荷载，减少土基产生的应力和变形 [2]。这就意味着在同时减少石灰掺量甚至不需要石灰的同时还要提高路基强度。因此本项目需要使用其他的材料来改良低液限黏土。文献 [3] 比对了水泥和石灰改良低液限黏土的特性，从无侧限抗压强度等指标得出等量的水泥改良土性能优于石灰改良土。本文主要通过获得低液限黏土随着水泥剂量的不同其最佳含水率和最大干密度的变化规律，并分析其微观机理确定合理的水泥掺量。并通过CBR，无测限抗压强度指标检验其是否能作为道路材料使用，拥有良好的路用性能，为广泛分布低液限黏土地区的路基施工提供参考。

2. 水泥稳定低液限黏土机理

在填料土中掺入水泥后，水泥和土及土壤中的水分发生一系列的物理化学反应，改善土壤的物理力学性质从而使水泥稳定土具有足够的力学强度，抗水性等。这些反应十分复杂，其中对水泥稳定土的强度，水稳性等起主要作用的有以下四种反应：水泥水化作用，离子交换作用，化学激发作用和碳酸化作用。首先填料土中掺加水泥后，水泥熟料中的硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙，铁铝酸三钙会与土壤中的水产生水化反应产生大量的具有胶结能力的产物，这些反应物迅速填充土颗粒之间孔隙，并相互交织从而使水泥改良土强度提高，水稳性和整体性增强。水泥水化过程中产生大量的Ca(OH)₂溶于水中在土壤中形成一个含有较多Ca²⁺的碱性环境，水解后的Ca²⁺离子与土颗粒表面的Na⁺、K⁺、Fe²⁺等金属阳离子发生交换反应，使土壤颗粒表面带二价阳离子，使黏土颗粒之间距离土减小，相互靠拢，土壤间相互吸引力增加凝聚在起来絮凝结团，增加其强度和水稳定性。同时水泥水化后产生的OH⁻离子使黏土颗粒周围介质的pH增加，土粒中的SiO₂、Al₂O₃的活性被激发与Ca(OH)₂反应生成硅酸钙、铝酸钙等物质，提高土体的后期强度。同时Ca(OH)₂还能与空气中的CO₂发生反应生成CaCO₃具有更好的强度与水稳定性，且其对土壤的胶结作用使土壤固结形成水泥稳定土。

3. 材料特性

3.1. 素土

由于本工程全程为填方路段，因此在确定好的召临取土场进行土样采集分析。根据JTG F10-2006《公路路基施工技术规范》 [4] 以及JTG E40-2007《公路土工试验规程》 [5] 确定了路基土的定名以及对其物理性质指标进行了试验。通过现场筛分试验确定其为细粒土。将取回的素土进行界限含水率，结果如表1所示。

Table 1. Boundary moisture content test results of plain soil

表1. 素土的界限含水率试验结果

从表1可得该素土为低液限黏土(CL)，塑限指数较大，在实际施工过程中相对比较难压实，从而增加施工难度及工作量，进而影响路基工作能力。

3.2. 水泥

作为改良低液限黏土的水泥采用P.O.42.5主要性质如表2所示。

Table 2. Test results of cement technical indicators

表2. 水泥技术指标的试验结果

水泥稳定土从开始加水拌和到完成压实的延续时间，需要控制在6个小时以内，延续时间太长则在加水拌和过程中水泥凝结从而导致水泥土难以压实，达不到压实度要求，并且破坏已凝结水泥的凝胶作用，从而导致水泥稳定土的强度下降。根据施工经验可知 [6]，水泥稳定土从加水拌和到完成碾压一般需要2~3小时，所以选择的水泥初凝时间大于3 h，终凝时间大于6 h适宜，从上述表中可知该水泥满足要求。

4. 工程特性

4.1. 击实特性

击实特性对控制路基的填筑压实质量至关重要 [7]，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。对素土，3%水泥 + 素土，4%水泥 + 素土，5%水泥 + 素土，6%水泥 + 素土进行重型击实试验，得到相应干密度和含水率。

由图1所示可知，当土的含水率较低的时候，其干密度随着含水率的增加而增大，当土样的含水率超过一定的界限(最佳含水率)后，其干密度随着含水率的增大而减少。素土的最佳含水率是11.1%，对应的最大干密度为1.847 g/cm³。掺量为3%的水泥土的最佳含水率是13.2%，对应最大干密度为1.84 g/cm³。掺量为4%的水泥土的最佳含水率是15.5%，对应的最大干密度为1.837。掺量为5%的水泥土的最佳含水率是16.1%，对应的最大干密度为1.842 g/cm³。掺量为6%的水泥土的最佳含水率是16.4%，对应的最大干密度为1.844 g/cm³在实际的施工过程中需要严格控制在路基的最佳含水率附近压实从而确保获得最大干密度。

Figure 1. Compacted soil compaction curve with different dosages of cement

图1. 不同掺量水泥稳定土击实曲线

由图2可知，当土样的掺灰量由0%增加到3%和4%时，水泥稳定土的最佳含水率增加的比较快，由11%增加到13.2%，15.5%，涨幅分别为18.9%和39.6%，对应的干密度降低。当土样的掺灰量由4%增加到5%和6%时，水泥稳定土的最佳含水率增加速率减少，由15.5%增加到16.1%，16.4%，涨幅分别为3.8%和5.8%，说明此时过量的水泥掺量黏土改良作用不大，过多的水泥用量会出现开裂等现象，因此水泥掺量需保持在合理的量。随着水泥用量增加，最佳含水率的增加的原因可能是因为水泥与土的水解反应从而增加了实际压实时所需的用水量。而干密度随水泥掺量的先呈下降趋势降低，当掺加一定量以后呈增大趋势，减少的原因是因为水泥与土发生一系列反应使土体中的颗粒胶结成团，粗化从而使颗粒间的空隙率增加，当与途中反应完成以后多于掺量的水泥填充颗粒间，干密度增大但是从干密度减少的数值来看其实变化量很少，水泥的掺量从0%~4%减少约为0.7%，几乎掺灰对土的最干密度影响不大，但是改良后的土壤的强度和水稳定性增加。

4.2. 承载比(CBR)试验分析

通过承载比(CBR)试验来表征不同掺量水泥稳定土的强度与水稳性，为获得不同干密度的CBR值，分别采用3 × 30次，3 × 50次，3 × 98次的击实次数制备试样，各制备3组进行平行试验，取每组试验平均值作为每组试验的CBR值，并绘制干密度-CBR值关系曲线。

由图3可知：随着击实次数增加，不同掺灰量稳定土的CBR值以及干密度均增加。同一种击实次数的情况下，随着掺灰量增加，稳定土的干密度大体不变，CBR增加且增加幅度较大。不同掺灰量稳定土干密度减少幅度与CBR值增加幅度时大致相同。说明掺灰量增加可以显著提高含砂低液限粘土的水稳性。水泥土的强度随水泥剂量的增加而增长，但过多的水泥用量，虽能获得强度增加，在经济上却不一定合理，而且由于刚度过大容易开裂。经过综上分析在满足经济条件下选择用4%水泥来改良低液限黏土这一方案最佳。考虑到实际施工过程中水泥用量难以精确的确定以及过程中的损失决定在94区用掺加4%水泥进行改良，96区掺加5%水泥改良。研究表明路基工作区的范围一般在路床作用，93区受到的车辆荷载作用很小忽略不计且由于素土的CBR值大于8%满足高速公路路基标准，考虑经济性93区采用素土回填路基。

Figure 2. Maximum dry density and optimum water content of cement mixed soil with different contents

图2. 不同掺量水泥稳定土的最大干密度以及最佳含水量

Figure 3. Dry density-CBR value of stabilized soil with different dosages of cement

图3. 不同用量水泥稳定土干密度-CBR值

4.3. 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度作为道路材料的控制条件，是土体力学性质主要参考指标。无侧限抗压强度能有效评价土在抵抗轴向压力时的极限强度。为研究拟定的4%，5%含量的水泥改良低液限黏土是否能作为路用材料使用，对4%，5%掺量的水泥下的改良低液限土根据击实的所得最佳含水量和最大干密度制样，每组制备6个平行试样，7 d养生测其无侧限抗压强度。

如表3、表4所示，其无侧限抗压强度满足设计强度，即4%，5%掺量的能够作为路基填料满足路用性能。

Table 3. 4% cement soil unconfined compressive strength

表3. 4%水泥土无侧限抗压强度

Table 4. 5% cement soil unconfined compressive strength

表4. 5%水泥土无侧限抗压强度

5. 结论

1) 在合理水泥掺量范围内，水泥改良土的最佳含水率随着水泥掺量的增加而增大，因此在实际施工过程中要控制在最佳含水率附近压实。而最大干密度受水泥掺量影响较小，可以忽略不计。

2) 在水泥掺量的增大能够提高水泥稳定土的CBR值，及提高水泥稳定土的水稳定性和强度。从0%~4%时CBR增加较快，当达到4%后水泥改良土CBR保持在比较稳定水平。

3) 掺加水泥同样也能增加水泥改良土的无侧限抗压强度值，提高其强度使其更好地满足路面使用性能。