振動壓實水泥改良千枚巖路基填料的力學性質*

易 勇 盧世杰 蔣應軍 宋 彬 杜紅軍 劉 柱

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室1) 西安 710064) (陜西省交通建設集團公司2) 西安 710075)

0 引 言

陜南秦巴山區千枚巖分布廣泛，其用作路基填料時，強度和回彈模量難以滿足現行路基設計規范的要求[1]，加之現階段對千枚巖研究較少，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，國內外許多學者開展了一些相關研究.毛雪松等[3-4]研究了水泥摻量對水泥改良千枚巖路基填料無側限抗壓強度的影響以及壓實度對路基回彈模量的影響.張天紅[5]發現了水泥摻量對土無側限抗壓強度的影響規律.傅毅靜等[6]進行不同水泥摻量的改良土試驗，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側限抗壓強度變化規律.方鵬等[8]將不同水泥摻量的水泥改良風化千枚巖分路段進行試驗，得出了回彈模量隨著水泥摻量變化的規律，并提出4%及以上的水泥改良千枚巖強度符合高速公路的路基填筑標準.鄭江等[9]就軟巖分別進行石灰和水泥改良，并測得軟巖改良土無側限抗壓強度，分別分析了軟巖改良土的無側限抗壓強度與水泥摻量和石灰摻量的關系.Garzón等[10]對不同水泥摻量的千枚巖-水泥復合材料進行無側限抗壓強度的試驗，提出了最適合作為路基填料的水泥摻量.

由以上研究可知，室內壓實方法大多采用重型壓實方法成型，由于重型擊實方法容易造成粗集料破碎，對于大粒徑顆粒不適用，并且傳統重型擊實方法很難保證集料的均勻.隨著道路施工碾壓機具的不斷發展，重型擊實試驗很難跟實際施工時的壓實度相匹配，因此，本次試驗擬采用更符合現場壓實的振動擊實方法，使試驗跟現場壓實更加吻合.而且對于千枚巖填筑路基的研究主要集中在水泥摻量對改良土的力學性能的影響，壓實度對改良土力學性能的影響卻鮮有報道 本文就無側限抗壓強度和回彈模量兩個方面研究壓實度對于水泥改良千枚巖的影響.

1 原材料及壓實方案

1.1 原材料

1.1.1千枚巖

千枚巖取自安平高速公路沿線.根據沿線千枚巖的風化程度選取三種代表性千枚巖分別標記為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，主要呈板狀結構，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的母巖結構已經破壞，巖體風化強烈，多呈鱗片狀，機械破碎后巖芯多呈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.

針對現場取回的三種代表性千枚巖，依次對其物理指標進行測試，試驗結果見表1.

表1 千枚巖物理參數

由表1可知，千枚巖A，B，C隨風化程度加強，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，水泥技術參數見表2.

表2 水泥技術參數

1.2 試驗方案

最大干密度和最佳含水率確定方法擬采用振動擊實方法，基于振動壓實方法對三種不同風化程度的千枚巖進行改良后的力學性能測試，共三組，每組20個試件.

1) 通過試驗得到未經改良千枚巖的CBR值，檢驗其作為路基填料的可行性.

2) 研究水泥摻量對改良千枚巖路基填料力學性能的影響，水泥摻量擬采用2%,3%,4%,5%，分析不同水泥摻量對千枚巖無側限抗壓強度和回彈模量的影響.

3) 研究壓實度對改良千枚巖路基填料力學性能的影響，壓實度擬采用95%,97%,99%,101%,103%，分析不同壓實度對千枚巖無側限抗壓強度和回彈模量的影響.

1.3 振動擊實試驗參數

影響千枚巖路基填料振動壓實效果的因素除了材料自身的性質以外，主要還有振動頻率和振動時間.結合課題組研究成果[11]，擬采用表3所示的振動參數.

表3 振動參數

2 千枚巖填料CBR值

CBR值是評定路基填料強度的指標之一，我國將CBR值作為路基填料的選擇依據，鑒于此，本文對千枚巖路基填料CBR值進行了相應的試驗，結果見表4.

表4三種千枚巖CBR值%

弱風化千枚巖壓實度 CBR中風化千枚巖壓實度 CBR強風化千枚巖壓實度 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，隨著壓實度的提升，千枚巖路基填料CBR也隨之變大，壓實度每提升1%，振動壓實千枚巖A的CBR值提升10%；振動壓實和千枚巖B的CBR值提升31%；振動壓實千枚巖C的CBR值提升31%.由于隨著壓實度的提升，試件內部空隙率減少，提高了承受荷載有效面積，從而表現出力學性能得到了相應的提升.在規范要求的壓實度(以重型擊實為準)條件下，通過提高壓實度標準，千枚巖A的CBR值能夠滿足填筑路基的規范要求值；千枚巖B通過提高壓實度標準，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通過將壓實度提升至97%以上后，可用于下路堤的填筑，但不適用于其他路基結構層.因此有必要對千枚巖路基填料進行改良，擬采用選取水泥作為外摻劑來改善千枚巖路基填料的強度.通過振動壓實試驗方法成型試件，分別研究水泥摻量和壓實度對不同種類千枚巖路基填料改良后的無側限抗壓強度與回彈模量的影響規律.

3 水泥改良千枚巖力學性能

3.1 最大干密度和最佳含水量

經振動擊實試驗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 無側限抗壓強度

在最佳含水量條件下，分別采用振動成型試驗方法制備三種改良千枚巖的無側限抗壓強度試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內密封好，在標準的濕度和溫度條件下養護7 d后，測試其無側限抗壓強度.

3.2.1水泥摻量

水泥摻量對千枚巖路基填料無側限抗壓強度的影響見圖2.

圖2 水泥摻量對抗壓強度的影響

由圖2可知，改良千枚巖的7 d無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增大遞增.水泥改良千枚巖A時，水泥每增加1%，無側限抗壓強度增長28%～34%；水泥改良千枚巖B時，水泥每增加1%，無側限抗壓強度增長16%～26%；水泥改良千枚巖C時，水泥每增加1%，無側限抗壓強度增長15%～23%.水泥對千枚巖A抗壓強度的影響最為明顯，同時也說明水泥改良千枚巖可有效地提高路基強度；其中，水泥改良弱風化千枚巖的抗壓強度增長幅度最大，水泥每增加1%，無側限抗壓強度增長0.36 MPa.其原因在于，隨著水泥摻量增加，水泥發生水化反應，生成新的膠凝物質也隨之增加，有效地增強了千枚巖顆粒間的粘結作用.隨著時間的延長，水泥逐漸硬化，試件孔隙中形成較多的水泥石，試件內部孔隙減小，試件強度增加.

3.2.2壓實度

壓實度對水泥改良千枚巖路基填料無側限抗壓強度的影響見圖3.

圖3 7 d無側限抗壓強度與壓實度的關系

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

3.3 回彈模量

回彈模量可以反映出路基承載能力，直接影響路面設計厚度，是表征路基抗變形能力的主要參數.本文從水泥摻量、壓實度兩個方面對回彈模量進行相應研究.在最佳含水量條件下，采用振動成型試驗方法制備三種改良千枚巖試件.試件脫模后，立即放入塑料袋內密封好，在標準的濕度和溫度條件下養護7 d后，測試其回彈模量.

3.3.1水泥摻量

水泥摻量對改良千枚巖路基填料回彈模量的影響關系見圖4.

圖4 水泥摻量對回彈模量的影響

由圖4可知，試件養護7d后，不同壓實度下的改良千枚巖回彈模量隨水泥摻量的增加直線增長.水泥改良千枚巖A時，水泥每增加1%，回彈模量增長23%～29%；水泥改良千枚巖B時，水泥每增加1%，回彈模量增長18%～26%；水泥改良千枚巖C時，水泥每增加1%，回彈模量增長17%～24%；其中，水泥改良弱風化千枚巖的回彈模量增長幅度最大，水泥摻量每增加1%，回彈模量最大增長幅度約為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提升，與無側限抗壓強度所表現的現象一致.

3.3.2壓實度

壓實度對水泥改良千枚巖路基填料的回彈模量結果見圖5.

圖5 7 d回彈模量與壓實度的關系

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

4 結 論

1) 千枚巖A未經改良時能夠用作路基填料，千枚巖B未經改良時提高壓實度能用作下路床填料，而千枚巖C未經改良時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性能得到大幅度增強，因為水泥的主要作用是使松散的千枚巖顆粒進行固結，增加其黏結性來提高強度.改良千枚巖的力學性能隨水泥摻量和壓實度的增大而提高.

3) 水泥摻量每增加1%，回彈模量增加17%以上，回彈模量最大增長幅度約為62 MPa；無側限抗壓強度增加15%以上.其中，水泥改良弱風化千枚巖的抗壓強度增長幅度最大，水泥每增加1%，無側限抗壓強度增長0.36 MPa.

4)壓實度每增加1%，回彈模量增長6%～11%，其中5%水泥改良中風化千枚巖的回彈模量增長幅度最大，壓實度每增加1%，回彈模量增加19 MPa；無側限抗壓強度增加18%以上，其中5%水泥改良中風化千枚巖的抗壓強度增長幅度最大，壓實度每增加1%，無側限抗壓強度增加0.12 MPa.