矿粉及水泥复合剂改良粉质黏土作路基填料的试验分析

矿粉及水泥复合剂改良粉质黏土作路基填料的试验分析

夏春兰

洛浦天山水泥有限责任公司  新疆洛浦县  848200

摘要：随着我国公路工程的快速发展，在施工过程中粉质黏土是非常常见的。本文提出超细矿粉+水泥+Ca（OH）2粉质黏土改良方案。通过试验检测，确定最佳配合比，并按照最佳配合比进行抗压强度、抗冻性、抗腐蚀性能检测。结果显示：矿粉、水泥、Ca（OH）2掺量越大，改良土抗压强度、耐久性越突出，综合考虑成本、力学特性等各方面因素，可适当降低水泥掺量，最终确定采用水泥4%+矿粉8%+Ca（OH）21.8%配合比方案对粉质黏土实施改良。

关键词：公路工程项目；粉质黏土路基；超细矿粉水泥土

引言

粉质黏土在路基工程中比较常用。粉质黏土是一种软土,为使路基受压均匀,需对粉质黏土进行固化处理。水泥具有就地取材、施工方便、运输便捷等优势,在软土路基改良中最常用。但采用水泥改良软土存在强度不太高、结构不太稳定等不足,同时在大面积软土路基工程中不太适用,会因水泥用量过大导致工程效益不佳。因此,很多时候通过复掺矿物料对软土进行改良,如粉煤灰、硅灰、石灰等。超细矿粉作为一种比表面积大、细度高、活性高的材料,在混凝土中得到广泛应用,将大掺量超细矿粉取代水泥,不仅可以提高粉质黏土的强度,还可以减少水泥用量,提高工程效益。

1试验设计

1.1原材料试样

现场提取路基土样，密度为1.9g/cm3，液限34.4%，塑限17.8%，含水量20.5%，为典型的低液限黏土。对试样实施干燥、碎化处理，并采用5mm方孔筛进行筛分。水泥：选用强度为P.O42.5普通硅酸盐水泥，烧失量2.22%，比表面积360m2/kg。矿粉：比表面积520m2/kg，SiO2含量为31.2%，Al2O3含量为13.8%，CaO含量为44.1%。Ca（OH）2：纯度高于95%，不溶性物质占比为0.05%。水：纯净饮用水。

1.2试验方案

借助L16(4)3正交表开展改良土配合比试验，确定最优配比。3个因素依次为水泥、矿粉、Ca（OH）2，其对应标号依次为A、B、C。水泥配比依次为2%、4%、6%、8%，矿粉配比依次为8%、6%、4%、2%，Ca（OH）2配比依次为0.0%、0.6%、1.2%、1.8%。

1.3试验方法

根据确定的配合比方案制备试样并依次进行抗压强度检测，按照检测结果确定最优配合比方案。依据确定的最优配合比制备改良土，并对其耐久性实施检测，主要包含抗冻、抗腐蚀性能两个方面。其中，抗冻性通过快速冻融法进行检测，其温度控制在-25～25℃范围内，各冻融时长为24h，依次测取0次、5次、10次、15次冻融循环后水泥土抗压强度。抗腐蚀性则是采用体积密度为0.0、1.5、4.5、9.0、18.0、22.5g/L的Na2SO4溶液对改良土实施浸泡处理后，测定其强度值。

2抗压强度试验结果与分析

按照制定的配合比方案制备改良土，并对其28d抗压强度实施检测。检测结果得知：①水泥配比越大，改良土抗压强度越高；②矿粉、Ca（OH）2配比越大，改良土抗压强度越大；③所有配合比方案中，第13种方案（A4B1C4）水泥土28d抗压强度最大，为7.85MPa。对所有配合比方案条件下的水泥土28d抗压强度实施极差分析，得出各种因素对水泥土抗压强度影响程度依次为：水泥（R1=2.84）＞矿粉（R2=1.7）＞Ca（OH）2（R3=1.38），其中，水泥配比影响程度最大，Ca（OH）2配比影响程度最小，矿粉居中。根据各种配合比方案下改良土28d抗压强度检测结果，水泥、矿粉、Ca（OH）2配比达到最大值时，改良土抗压强度最优，但水泥配比较大时，成本较高，影响工程建设的经济效益。为研究低水泥配比条件下改良土性能，以水泥配比为2%、4%，矿粉、Ca（OH）2配比分别为8%、1.8%（方案组合为A1B1C4、A2B1C4）制备改良土，并对其强度实施检测。由此可知：①当水泥配比为2%时，改良土28d强度为5.8MPa，相较于A4B1C4方案组合下降26%；②当水泥配比为4%时，改良土28d强度为7.1MPa，相较于A4B1C4方案组合下降9.6%。尽管强度有所下降，但仍旧满足规范要求。

3耐久性试验结果与分析

3.1抗冻性

冻融循环次数越多，改良土强度越低，其中，冻融循环次数为0～5次时，改良土强度降幅最大，A1BlC4、A2BlC4配合比条件下土体强度降幅分别为70.7%和60.6%；循环次数为10次时，改良土强度最低，A1BlC4、A2BlC4配合比条件下土体强度依次为1.5、2.5MPa；而当循环次数达到15次时，相较于10次时土体强度略有上升，A1BlC4、A2BlC4配合比条件下土体强度依次为2.3、2.8MPa。产生该现象的主要原因在于，随检测时间的不断延长，矿粉内部CaO逐渐碳化，对土体形成固结作用，约束土体变形，从而有效降低冻胀作用对土体造成的不利影响，而当碳化作用高于土体冻胀效应时，会在一定程度上提升土体强度。当矿粉内CaO消耗殆尽，冻胀作用便会迅速超越碳化作用，从而导致改良土强度持续下降，直至产生破坏。

3.2耐腐蚀性

将A1BlC4、A2BlC4配合比条件下的改良土置于不同体积密度的Na2SO4溶液中浸泡7d，然后测定其抗压强度。随Na2SO4溶液体积密度不断增加，改良土抗压强度呈现减-增-减的变化趋势。当Na2SO4密度处于0～4.5g/L范围内时，改良土强度呈缓慢下降状态；当密度升至9g/L时，改良土强度显著增大；当密度处于9～22.5g/L范围内，改良土强度缓慢下降。充分表明适当的Na2SO4密度能有效提升改良土抗压强度。主要是由于Na2SO4溶液中的Na+发生水化反应生成Na2O•Al2O3，Na2O•Al2O3，与SiO2形成钠长石，其内部Na+吸附性较强，能够将Ca（OH）2中Ca2+置换出来，产生的新物质具有较强的黏附性，有效提升土体密实度。但当SO42-含量较高时，土体内部膨胀作用力便会显著增大，一旦超出土体自身约束力，便会发生破坏。

将A1BlC4、A2BlC4配合比条件下的改良土置于不同体积密度的Na2SO4溶液中浸泡7d，然后测定其抗硫酸盐侵蚀系数，可知：①改良土抗硫酸盐侵蚀系数随Na2SO4溶液体积密度变化规律与抗压强度变化规律相同；②当Na2SO4溶液密度为9g/L时，改良土抗硫酸盐侵蚀系数最大，A1BlC4、A2BlC4配合比条件下抗硫酸盐侵蚀系数依次为1.29、1.40；③各种Na2SO4溶液体积密度条件下，A1BlC4、A2BlC4配合比改良土抗硫酸盐侵蚀系数均高于0.8，且A2B1C4改良土抗硫酸盐侵蚀系数为1.0，表明矿粉水泥改良土抗腐蚀性优良。

由此可见，A1BlC4、A2B1C4配合比条件下矿粉水泥改良土抗压强度、耐久性均符合标准要求，且A2B1C4配合比方案改良土强度、抗腐蚀性能显著优于A1B1C4配合比方案，所以，确定按照A2B1C4配合比方案对粉质黏土实施改良。

结束语

本文针对水泥+矿粉+Ca（OH）2改良粉质黏土方案进行综合探究，得出如下结论：1）水泥、矿粉、Ca（OH）2掺量越大，改良土抗压强度越高，其中，水泥配比对改良土强度影响最大，Ca（OH）2配比影响程度最小。为有效降低工程造价，应适当降低水泥配比，合理增大矿粉、Ca（OH）2配比；2）冻融循环次数越多，改良土强度越低，其中，冻融循环次数为0～5次时，改良土强度降幅最大；循环次数为10次时，改良土强度最低；3）随Na2SO4溶液体积密度不断增加，改良土抗压强度呈现减-增-减的变化趋势。当Na2SO4密度为9g/L时，改良土强度达到最大状态；且当水泥配比为4%时，改良土抗硫酸盐侵蚀系数高于0.975；

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