振動(dòng)壓實(shí)水泥改良千枚巖路基填料的力學(xué)性質(zhì)*

易 勇 盧世杰 蔣應(yīng)軍 宋 彬 杜紅軍 劉 柱

(長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064) (陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司2) 西安 710075)

0 引 言

陜南秦巴山區(qū)千枚巖分布廣泛，其用作路基填料時(shí)，強(qiáng)度和回彈模量難以滿足現(xiàn)行路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[1]，加之現(xiàn)階段對(duì)千枚巖研究較少，千枚巖往往作為棄料處理[2].為了了解千枚巖用作路基填料的可行性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了一些相關(guān)研究.毛雪松等[3-4]研究了水泥摻量對(duì)水泥改良千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響以及壓實(shí)度對(duì)路基回彈模量的影響.張?zhí)旒t[5]發(fā)現(xiàn)了水泥摻量對(duì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律.傅毅靜等[6]進(jìn)行不同水泥摻量的改良土試驗(yàn)，并提出了水泥改良土最佳方案.施建勇[7]在不同水泥摻量的條件下研究土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律.方鵬等[8]將不同水泥摻量的水泥改良風(fēng)化千枚巖分路段進(jìn)行試驗(yàn)，得出了回彈模量隨著水泥摻量變化的規(guī)律，并提出4%及以上的水泥改良千枚巖強(qiáng)度符合高速公路的路基填筑標(biāo)準(zhǔn).鄭江等[9]就軟巖分別進(jìn)行石灰和水泥改良，并測(cè)得軟巖改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分別分析了軟巖改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量和石灰摻量的關(guān)系.Garzón等[10]對(duì)不同水泥摻量的千枚巖-水泥復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，提出了最適合作為路基填料的水泥摻量.

由以上研究可知，室內(nèi)壓實(shí)方法大多采用重型壓實(shí)方法成型，由于重型擊實(shí)方法容易造成粗集料破碎，對(duì)于大粒徑顆粒不適用，并且傳統(tǒng)重型擊實(shí)方法很難保證集料的均勻.隨著道路施工碾壓機(jī)具的不斷發(fā)展，重型擊實(shí)試驗(yàn)很難跟實(shí)際施工時(shí)的壓實(shí)度相匹配，因此，本次試驗(yàn)擬采用更符合現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)的振動(dòng)擊實(shí)方法，使試驗(yàn)跟現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)更加吻合.而且對(duì)于千枚巖填筑路基的研究主要集中在水泥摻量對(duì)改良土的力學(xué)性能的影響，壓實(shí)度對(duì)改良土力學(xué)性能的影響卻鮮有報(bào)道 本文就無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量?jī)蓚€(gè)方面研究壓實(shí)度對(duì)于水泥改良千枚巖的影響.

1 原材料及壓實(shí)方案

1.1 原材料

1.1.1千枚巖

千枚巖取自安平高速公路沿線.根據(jù)沿線千枚巖的風(fēng)化程度選取三種代表性千枚巖分別標(biāo)記為A、B、C，見圖1.

圖1 千枚巖取樣圖

由圖1可知，千枚巖A的巖體較為完整，主要呈板狀結(jié)構(gòu)，巖芯多呈10～15 cm塊狀或柱狀，錘擊聲不清脆，較易擊碎；千枚巖B的巖體相對(duì)完整，多呈板狀、塊狀或短柱狀，巖芯多為4～10 cm的塊狀，夾雜有3～4 cm的碎片狀，錘擊聲啞，易擊碎；千枚巖C的母巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，多呈鱗片狀，機(jī)械破碎后巖芯多呈1～5 mm的碎片狀，夾雜少量1～2 cm的碎塊，錘擊聲啞，極易破碎，浸水后，呈泥狀.

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的三種代表性千枚巖，依次對(duì)其物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 千枚巖物理參數(shù)

由表1可知，千枚巖A，B，C隨風(fēng)化程度加強(qiáng)，其顆粒密度和塊體密度逐漸減小，含水率、吸水率和孔隙率逐漸增加.

1.1.2水泥

水泥選用陜西金龍牌P·O42.5，水泥技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 水泥技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

最大干密度和最佳含水率確定方法擬采用振動(dòng)擊實(shí)方法，基于振動(dòng)壓實(shí)方法對(duì)三種不同風(fēng)化程度的千枚巖進(jìn)行改良后的力學(xué)性能測(cè)試，共三組，每組20個(gè)試件.

1) 通過(guò)試驗(yàn)得到未經(jīng)改良千枚巖的CBR值，檢驗(yàn)其作為路基填料的可行性.

2) 研究水泥摻量對(duì)改良千枚巖路基填料力學(xué)性能的影響，水泥摻量擬采用2%,3%,4%,5%，分析不同水泥摻量對(duì)千枚巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量的影響.

3) 研究壓實(shí)度對(duì)改良千枚巖路基填料力學(xué)性能的影響，壓實(shí)度擬采用95%,97%,99%,101%,103%，分析不同壓實(shí)度對(duì)千枚巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量的影響.

1.3 振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)

影響千枚巖路基填料振動(dòng)壓實(shí)效果的因素除了材料自身的性質(zhì)以外，主要還有振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間.結(jié)合課題組研究成果[11]，擬采用表3所示的振動(dòng)參數(shù).

表3 振動(dòng)參數(shù)

2 千枚巖填料CBR值

CBR值是評(píng)定路基填料強(qiáng)度的指標(biāo)之一，我國(guó)將CBR值作為路基填料的選擇依據(jù)，鑒于此，本文對(duì)千枚巖路基填料CBR值進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，結(jié)果見表4.

表4三種千枚巖CBR值%

弱風(fēng)化千枚巖壓實(shí)度 CBR中風(fēng)化千枚巖壓實(shí)度 CBR強(qiáng)風(fēng)化千枚巖壓實(shí)度 CBR92.96.392.44.293.11.794.86.994.34.494.72.196.47.595.84.795.72.498.18.497.84.998.43.299.410.199.15.399.33.4

由表4可知，隨著壓實(shí)度的提升，千枚巖路基填料CBR也隨之變大，壓實(shí)度每提升1%，振動(dòng)壓實(shí)千枚巖A的CBR值提升10%；振動(dòng)壓實(shí)和千枚巖B的CBR值提升31%；振動(dòng)壓實(shí)千枚巖C的CBR值提升31%.由于隨著壓實(shí)度的提升，試件內(nèi)部空隙率減少，提高了承受荷載有效面積，從而表現(xiàn)出力學(xué)性能得到了相應(yīng)的提升.在規(guī)范要求的壓實(shí)度(以重型擊實(shí)為準(zhǔn))條件下，通過(guò)提高壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，千枚巖A的CBR值能夠滿足填筑路基的規(guī)范要求值；千枚巖B通過(guò)提高壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，可適用于下路床的填筑，但不適用于上路床的填筑；而千枚巖C通過(guò)將壓實(shí)度提升至97%以上后，可用于下路堤的填筑，但不適用于其他路基結(jié)構(gòu)層.因此有必要對(duì)千枚巖路基填料進(jìn)行改良，擬采用選取水泥作為外摻劑來(lái)改善千枚巖路基填料的強(qiáng)度.通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)方法成型試件，分別研究水泥摻量和壓實(shí)度對(duì)不同種類千枚巖路基填料改良后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與回彈模量的影響規(guī)律.

3 水泥改良千枚巖力學(xué)性能

3.1 最大干密度和最佳含水量

經(jīng)振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)得到不同水泥摻量試件的最佳含水量和最大干密度見表5.

表5 不同水泥摻量的試件最佳含水量和最大干密度

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

在最佳含水量條件下，分別采用振動(dòng)成型試驗(yàn)方法制備三種改良千枚巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內(nèi)密封好，在標(biāo)準(zhǔn)的濕度和溫度條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

3.2.1水泥摻量

水泥摻量對(duì)千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖2.

圖2 水泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，改良千枚巖的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增大遞增.水泥改良千枚巖A時(shí)，水泥每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)28%～34%；水泥改良千枚巖B時(shí)，水泥每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)16%～26%；水泥改良千枚巖C時(shí)，水泥每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)15%～23%.水泥對(duì)千枚巖A抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯，同時(shí)也說(shuō)明水泥改良千枚巖可有效地提高路基強(qiáng)度；其中，水泥改良弱風(fēng)化千枚巖的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，水泥每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)0.36 MPa.其原因在于，隨著水泥摻量增加，水泥發(fā)生水化反應(yīng)，生成新的膠凝物質(zhì)也隨之增加，有效地增強(qiáng)了千枚巖顆粒間的粘結(jié)作用.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥逐漸硬化，試件孔隙中形成較多的水泥石，試件內(nèi)部孔隙減小，試件強(qiáng)度增加.

3.2.2壓實(shí)度

壓實(shí)度對(duì)水泥改良千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖3.

圖3 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與壓實(shí)度的關(guān)系

由圖3可知，水泥摻量一定時(shí)，隨壓實(shí)度增大，改良千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度線性增長(zhǎng).水泥改良千枚巖A時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加11%～19%；水泥改良千枚巖B時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加19%～26%；水泥改良千枚巖C時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加18%～21%.其中，5%水泥改良中風(fēng)化千枚巖的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，壓實(shí)度每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.12 MPa.可見，壓實(shí)度對(duì)改良千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響十分明顯，其增大原因是，壓實(shí)度增大意味著試件內(nèi)部孔隙率減小，有效地增大了試件接觸面積，從而體現(xiàn)出壓實(shí)度越大，抗壓強(qiáng)度也越大的現(xiàn)象.

3.3 回彈模量

回彈模量可以反映出路基承載能力，直接影響路面設(shè)計(jì)厚度，是表征路基抗變形能力的主要參數(shù).本文從水泥摻量、壓實(shí)度兩個(gè)方面對(duì)回彈模量進(jìn)行相應(yīng)研究.在最佳含水量條件下，采用振動(dòng)成型試驗(yàn)方法制備三種改良千枚巖試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內(nèi)密封好，在標(biāo)準(zhǔn)的濕度和溫度條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，測(cè)試其回彈模量.

3.3.1水泥摻量

水泥摻量對(duì)改良千枚巖路基填料回彈模量的影響關(guān)系見圖4.

圖4 水泥摻量對(duì)回彈模量的影響

由圖4可知，試件養(yǎng)護(hù)7d后，不同壓實(shí)度下的改良千枚巖回彈模量隨水泥摻量的增加直線增長(zhǎng).水泥改良千枚巖A時(shí)，水泥每增加1%，回彈模量增長(zhǎng)23%～29%；水泥改良千枚巖B時(shí)，水泥每增加1%，回彈模量增長(zhǎng)18%～26%；水泥改良千枚巖C時(shí)，水泥每增加1%，回彈模量增長(zhǎng)17%～24%；其中，水泥改良弱風(fēng)化千枚巖的回彈模量增長(zhǎng)幅度最大，水泥摻量每增加1%，回彈模量最大增長(zhǎng)幅度約為62 MPa.其原因在于，回彈模量表征試件在垂直荷載作用下抵抗豎向變形的能力，若水泥摻量增加，試件的抗壓能力也會(huì)提升，與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度所表現(xiàn)的現(xiàn)象一致.

3.3.2壓實(shí)度

壓實(shí)度對(duì)水泥改良千枚巖路基填料的回彈模量結(jié)果見圖5.

圖5 7 d回彈模量與壓實(shí)度的關(guān)系

由圖5可知，水泥摻量一定時(shí)，改良千枚巖的7 d回彈模量隨壓實(shí)度的增大遞增.且隨壓實(shí)度增加，改良千枚巖路基填料回彈模量呈直線增長(zhǎng)，水泥改良千枚巖時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，回彈模量增長(zhǎng)6%～11%.其中，5%水泥改良中風(fēng)化千枚巖的回彈模量增長(zhǎng)幅度最大，壓實(shí)度每增加1%，回彈模量增加19 MPa.可見，壓實(shí)度不僅對(duì)改良千枚巖路基填料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響十分明顯，還直接影響改良千枚巖路基填料的回彈模量，其增大的原因與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的原因一致，壓實(shí)度的增大提高了試件的強(qiáng)度，試件的回彈變形隨之減小，從而體現(xiàn)出壓實(shí)度增大，回彈模量增大的趨勢(shì).

4 結(jié) 論

1) 千枚巖A未經(jīng)改良時(shí)能夠用作路基填料，千枚巖B未經(jīng)改良時(shí)提高壓實(shí)度能用作下路床填料，而千枚巖C未經(jīng)改良時(shí)不能滿足作為路基填料的要求.

2) 水泥改良后千枚巖的力學(xué)性能得到大幅度增強(qiáng)，因?yàn)樗嗟闹饕饔檬鞘顾缮⒌那稁r顆粒進(jìn)行固結(jié)，增加其黏結(jié)性來(lái)提高強(qiáng)度.改良千枚巖的力學(xué)性能隨水泥摻量和壓實(shí)度的增大而提高.

3) 水泥摻量每增加1%，回彈模量增加17%以上，回彈模量最大增長(zhǎng)幅度約為62 MPa；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加15%以上.其中，水泥改良弱風(fēng)化千枚巖的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，水泥每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)0.36 MPa.

4)壓實(shí)度每增加1%，回彈模量增長(zhǎng)6%～11%，其中5%水泥改良中風(fēng)化千枚巖的回彈模量增長(zhǎng)幅度最大，壓實(shí)度每增加1%，回彈模量增加19 MPa；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加18%以上，其中5%水泥改良中風(fēng)化千枚巖的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，壓實(shí)度每增加1%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加0.12 MPa.