摘要：文章結(jié)合具體工程背景，對水泥和粉煤灰改良路基土的強(qiáng)度和變形情況進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：（1）早期粉煤灰對路基土的強(qiáng)度提升不明顯，但隨齡期增長，路基土破壞特性由塑性向脆性轉(zhuǎn)變，加入粉煤灰加速了這一轉(zhuǎn)變，且隨齡期增長趨勢增強(qiáng)；（2）水泥比例越高，固化土抗壓強(qiáng)度越大；（3）強(qiáng)度隨齡期增長不均，初期快中后期放緩；（4）隨粉煤灰摻量增加，無側(cè)限抗壓和彎拉強(qiáng)度先增后減，最佳摻量為14%～18%，合理的摻量可提高承載力，有效彌補(bǔ)常規(guī)土的不足。研究成果可為路基的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：水泥；粉煤灰；改良固化；路基土；室內(nèi)試驗(yàn)

中圖分類號：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.004

文章編號：1673-4874（2024）11-0011-04

引言

路基作為公路及鐵路的重要組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到線路和行車的安全。然而在實(shí)際建設(shè)中，尤其是在一些地質(zhì)條件復(fù)雜、土質(zhì)較差的地區(qū)，路基土常存在承載能力不足、變形大等問題。在眾多路基土改良方法中，基于水泥和粉煤灰的改良固化技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。水泥作為一種傳統(tǒng)的土木工程材料，其粘結(jié)性和硬化性能能夠有效提升土體的強(qiáng)度；而粉煤灰作為一種工業(yè)廢棄物，經(jīng)過適當(dāng)處理后可作為一種優(yōu)質(zhì)摻合料，不僅能夠改善土的流動(dòng)性和硬化性能，還能增強(qiáng)土體的耐久性和穩(wěn)定性。摻入一定比例粉煤灰的水泥不僅能夠增加路基土的強(qiáng)度，還能提高路基土的穩(wěn)定性。因此，探究水泥和粉煤灰對路基土力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示其固化機(jī)理和效果尤為關(guān)鍵。

近年來，各學(xué)者對水泥和粉煤灰在路基土改良中的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究。張文豪、崔宏環(huán)和肖東旭等［1-3］研究發(fā)現(xiàn)水泥和粉煤灰混合使用對泥炭質(zhì)土、粗粒土以及水泥土的力學(xué)性能的改良效果。研究普遍認(rèn)為，適量的水泥和粉煤灰混合可以顯著提高土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性能。邵俐等［4］探討了不同因素對改良效果的影響，包括水泥和粉煤灰的摻量、混合比例、養(yǎng)護(hù)條件、齡期等。楊有海和陳峰等［5-6］對水泥和粉煤灰改良路基土的機(jī)理進(jìn)行了分析，研究認(rèn)為，水泥和粉煤灰中的活性成分與水發(fā)生水化反應(yīng)，形成膠凝物質(zhì)，填充土的孔隙，增強(qiáng)了土的密實(shí)性和內(nèi)聚力，從而提高了土的力學(xué)性能。隨著研究的深入，一些研究開始關(guān)注如何評估改良后路基土的性能，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，丁鵬飛和崔琦［7-8］研究了如何評估水泥穩(wěn)定路基土的力學(xué)特性，并提出了相應(yīng)的性能指標(biāo)和評估方法。

綜上所述，水泥和粉煤灰在路基土改良中的應(yīng)用已得到了廣泛關(guān)注和研究。然而，由于地質(zhì)條件、環(huán)境因素及施工水平的差異，不同地區(qū)和工程對路基土改良的需求和效果可能存在差異。因此，本研究將結(jié)合具體工程背景，對水泥和粉煤灰改良路基土的強(qiáng)度和變形情況進(jìn)行大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究，以期為實(shí)際工程提供更為準(zhǔn)確和有效的理論指導(dǎo)。

1材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自成昆鐵路復(fù)線（新成昆鐵路）越西段的路基土。該路段地質(zhì)條件復(fù)雜，在荷載的長期作用下，易影響行車的安全。通過進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，在路基填料中添加改良劑進(jìn)行改良固化，探究水泥粉煤灰對試驗(yàn)土的力學(xué)性能影響。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可直接反映路基土的強(qiáng)度及變形等性能，而彎拉強(qiáng)度則能評估路基在外界環(huán)境作用下底部是否易出現(xiàn)彎拉應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)變，這對路基的正常使用至關(guān)重要。

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)參數(shù)見表1。將試驗(yàn)土、改良固化劑和水進(jìn)行配比，試驗(yàn)用水采用自來水，選用水泥與粉煤灰作為改良固化劑。其中，水泥為普通硅酸鹽42.5級別水泥，其基本物理性質(zhì)參數(shù)見下頁表2，粉煤灰選用當(dāng)?shù)啬橙济弘姀S生產(chǎn)的普通工業(yè)廢棄物粉煤灰，其基本性質(zhì)見下頁表3。填料的改良固化方案參考《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10001-2016）［9］B.4中關(guān)于采用水泥和粉煤灰摻入量的指導(dǎo)原則，試驗(yàn)摻入比設(shè)置見下頁表4。

1.2無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)中，采用了JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)、ZT-96型水泥膠砂振實(shí)臺、泰斯特萬能試驗(yàn)機(jī)、微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、稱量器、試驗(yàn)?zāi)＞叩葍x器。

按照預(yù)定的配合比，將水泥、粉煤灰、試驗(yàn)土和水混合，使用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌均勻；將混合好的漿料倒入制件模具中，使用水泥膠砂振實(shí)臺進(jìn)行振實(shí)，確保試件內(nèi)部無空隙；等試件制備完成后，用濕布覆蓋，避免直接陽光照射和干燥過快；隨后將制備好的試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中，設(shè)定溫度為20±3 ℃，濕度為95%。在養(yǎng)護(hù)期間，定期檢查試件的狀態(tài)，確保無異常。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在不同齡期（如7 d、14 d、28 d、60 d）取出試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)。將試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出，用濕布擦拭表面，去除多余的水分；將試件放置在微機(jī)控制壓力機(jī)的加壓平臺上，調(diào)整試件與壓力機(jī)的對中，確保受力均勻；以恒定的速率1 mm/min施加壓力，記錄試件破壞時(shí)的最大壓力值；根據(jù)試件尺寸和最大壓力值；計(jì)算無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；記錄每個(gè)試件在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，分析整理無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。

RW=PA=4PπD2（1）

式中：RW——無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）；

P——試件破壞時(shí)記錄的最大荷載（N）；

A——試驗(yàn)試件的底面積（mm2）；

D——試件的直徑（mm）。

基于水泥和粉煤灰改良固化路基土的力學(xué)性能研究/文仲澤

1.3彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)方案

在制備試件前，在裝入模具前的10 min內(nèi)將水泥粉煤灰改良劑添加到漿料中，并進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰源_保均勻混合。隨后，將混合好的材料倒入試件模具中，并用工具搗實(shí)以確保試件的密實(shí)度。待試件成型后及時(shí)拆除模具，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期長達(dá)90 d，并在最后一天進(jìn)行浸水處理。完成養(yǎng)護(hù)后，使用萬能試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行加載，加載的速率控制在50 mm/min。同時(shí)，實(shí)時(shí)記錄荷載數(shù)據(jù)，在試件發(fā)生彎拉破壞時(shí)，獲取最大荷載值。最后，根據(jù)式（2）計(jì)算試件的彎拉強(qiáng)度以評估其性能。

Rs=PsLb2h（2）

式中：Rs——彎拉強(qiáng)度（MPa）；

Ps——破壞時(shí)的最大荷載（N）；

b——試件的寬（mm2）；

h——梁試件的高（mm）；

L——加載模具兩支點(diǎn)的距離（mm）。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1所示為水泥摻入比αw=14%時(shí)試樣土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖1可知，在開始受力的早期階段，應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)出近似線性的增長關(guān)系。然而，當(dāng)荷載超過某個(gè)閾值荷載后，增長變得緩慢。此外，還可以觀察到，無論是否摻加粉煤灰，隨著齡期的增長，改良固化土破壞應(yīng)變先增長后減小，破壞特性由塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，?0 d的試樣土更加明顯。

水泥和粉煤灰摻量對試樣土強(qiáng)度的影響見圖2。粉煤灰的摻入量對早期的試樣強(qiáng)度影響不大，試樣強(qiáng)度主要受到水泥摻入量的影響，這說明早期改良劑的化學(xué)反應(yīng)還不完全。此外，當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，過量的粉煤灰反而可能導(dǎo)致強(qiáng)度下降，造成這一現(xiàn)象的原因是過高的粉煤灰摻量會(huì)使水泥與土顆粒間的粘結(jié)反應(yīng)產(chǎn)生的土團(tuán)結(jié)構(gòu)減少，從而降低強(qiáng)度。這說明粉煤灰在一定程度上屬于惰性材料。隨著水泥摻量的增加，試樣抗壓強(qiáng)度也隨之增加。

齡期對試樣土強(qiáng)度的影響見后頁圖3。由圖3可得，在試驗(yàn)齡期內(nèi)，在不同粉煤灰摻量下，土的強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增長，最終趨于穩(wěn)定，且增長速度為前期迅速，而后期相對緩慢。在試驗(yàn)過程中，試樣內(nèi)部的水泥持續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)，同時(shí)粉煤灰也發(fā)生聚合反應(yīng)，這些反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)逐漸填充了試樣土的內(nèi)部孔隙，有效地提高了試樣土的密實(shí)度。隨著密實(shí)度的增加，試樣土的整體結(jié)構(gòu)得到了顯著增強(qiáng)，進(jìn)而提升了其抵抗變形和破壞的能力。

2.2彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見后頁圖4。由圖4可得，經(jīng)過粉煤灰水泥的改良加固后，在早期（7 d）的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)并未完全進(jìn)行，在整體壓實(shí)度一致的前提下，隨著粉煤灰摻量的增加，混合料中顆粒之間的比例發(fā)生了變化，導(dǎo)致了試件整體強(qiáng)度的相應(yīng)調(diào)整。此外，隨著水泥粉煤灰摻量的逐步增加，彎拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。這意味著水泥和粉煤灰的摻量存在一個(gè)最佳的組合比例，使得填料的彎拉強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)對于優(yōu)化粉煤灰水泥的摻配比例，提高改良加固效果具有重要意義。

3結(jié)語

本文全面探究了不同摻量水泥和粉煤灰作為改良劑對路基土力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析養(yǎng)護(hù)齡期對固化路基土力學(xué)性能的影響機(jī)制，并提出適用于實(shí)際工程的水泥和粉煤灰改良固化路基土的優(yōu)化方案。經(jīng)過詳細(xì)的試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）在早期階段，粉煤灰對路基土強(qiáng)度的提升作用并不顯著。然而，隨著齡期的增長，無論是否摻加粉煤灰，路基土的破壞特性都會(huì)逐漸由塑性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變。此外，在同齡期條件下，除了早期（7 d）外，粉煤灰的加入加速了水泥土從塑性向脆性的轉(zhuǎn)變，且這種趨勢隨著齡期的延長而愈發(fā)明顯。

（2）固化劑中水泥的比例越高，改良固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增大。

（3）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，改良固化土的強(qiáng)度不斷提升，但增長過程并非均勻。在所有配合比和養(yǎng)護(hù)條件下，強(qiáng)度通常在養(yǎng)護(hù)初期迅速增加，而在中后期則增長放緩。

（4）在不同齡期，隨著粉煤灰摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度等均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。當(dāng)粉煤灰摻量為14%～18%時(shí)，其抵抗破壞和變形的能力較優(yōu)。同時(shí)，隨著齡期的增長，強(qiáng)度和變形模量均顯著提升，從而有效彌補(bǔ)了常規(guī)水泥土后期承載力不足的缺陷。

參考文獻(xiàn)：

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［9］TB 10001-2016，鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

作者簡介：文仲澤（1983—），工程師，主要從事公路工程施工管理工作。

收稿日期：2024-05-16