铁路路基改良土干湿循环耐久性试验研究

张栋 陈锋 王仲锦 曾帅

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

改良土的耐干湿循环能力是指其抵抗自然环境中因水分变化而产生破坏的能力，是改良土耐久性的重要指标之一［1］。新建铁路等级和速度越来越高，对改良土的变形性能和耐久性能要求越来越高，但目前路基使用的改良土干湿循环耐久性要求不高，试验方法不明确，致使改良土难以在复杂环境和高等级铁路建设中应用。

干湿循环试验常用的方法主要有控制吸力法和常规的浸水饱和-蒸发干燥法。控制吸力法模拟一种相对缓和的、渐变的干湿环境，操作过程复杂，耗时较长。常规法模拟一种极端的、剧烈的干湿环境。目前干湿循环试验主要以常规法为主［2］。李秉宜等［3］分析了在干湿循环条件下高液限黏土改良土的承载比和无侧限抗压强度指标，结果表明较高掺量的水泥或石灰可有效改良高液限黏土膨胀性。高玉琴［4］提出掺入适当粗颗粒可有效减少改良后的干湿胀缩变形。曾帅等［5］研究了掺加特殊改良剂在干湿循环条件下的质量损失率和无侧限抗压强度变化，提出水泥掺量11%～15%时改良红黏土可以满足干湿循环耐久性。Estabragh等［6］研究了水泥改良土在干湿循环条件下的液塑限、压实特性和膨胀性，得出随着循环次数增加膨胀性增加，经过几个循环后膨胀特性趋于稳定。Baghdadi等［7］按波特兰水泥协会程序设计水泥改良土，测试样品在干湿循环条件下的质量损失率，以此作为评价改良土性能的主要指标。

目前大多将强度、质量损失等指标作为评价改良土的关键参数，干湿循环条件不尽相同，难以进行横向比较，且对于泥岩改良和干湿循环变形性能少有研究，尚未形成改良土干湿循环耐久性标准试验方法。为此，研究有效测试改良土干湿循环耐久性的试验方法，明确泥岩改良后干湿循环耐久性指标，对于在铁路路基工程中改良土的应用有重要意义。

为研究改良土的干湿循环耐久性能合理评价指标，本文设计改良土干湿循环性能试验，并验证试验方法的可行性。

1 试验用土的基本性质

干湿循环作用对膨胀性填料影响较大，故试验时主要采用微膨胀性软弱泥岩。考虑到实际生产过程中主要改良的填料为粉黏土和粉细砂，故采用这两种土作为比对试验样品，土的基本性质见表1。这两种填料没有膨胀性，可以更有针对性地说明膨胀性泥岩的改良效果。依据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》对基本土性进行了试验测试。

表1 土的基本性质

泥岩为紫色，成土状，挑选泥岩土样中的大块完整岩块，泡水具有崩解性质，将其稍微粉碎作土使用。图1为泡水5 min后的泥岩状态。

图1 泡水5 min的泥岩

2 改良土干湿循环试验方案

ASTM D559《Standard Test Methods for Wetting and Drying Compacted Soil-Cement Mixtures》中明确了测试干湿循环条件下改良土变形和质量损失率的试验方法，但制样用的部分仪器设备型号、参数是以ASTM系列标准为基础和依据的，不便于在国内应用。但是该标准中明确的干湿循环条件、试验操作步骤等极具参考价值且可以实现，采用TB 10102—2010中的击实试验方法所制试样可以满足试验需求，据此确定了试验方案。

2.1 试验设备

ASTMD559中模具内径101.6 mm，高116.43 mm，采用内径102 mm、高116 mm的模具替代。其他模具与原试验中保持一致，试验设备如下。

1）模具：内径（102±0.1）mm，筒高（116±0.1）mm。

2）恒温恒湿养护箱或混凝土标准养护室。

3）重型击实仪。

4）脱模机。

5）水槽：用于浸泡试件，比试件高50 mm及以上。

6）烘箱：控温70～110℃。

7）天平：称量2 000 g，分度值0.01 g。

8）案秤：称量5 000 g，分度值1 g。

9）测量台座和千分表，千分表分度值0.001 mm。

10）钢丝刷：一种由50 mm长、1.6 mm宽、0.5 mm厚的扁钢丝刷毛做成的钢丝刷，分为50组，每组10个刷毛，并安装在190 mm×65 mm硬木块上形成5个纵向和10个横向排列的刷毛。

11）直尺、圆孔筛（20 mm）、搅拌器、搅拌桶、刮平刀、抛毛铁爪、托盘、游标卡尺、烧杯、测含水容器、不锈钢钉、锤子、塑料袋等。

2.2 试验材料

粉黏土和粉细砂按照TB 10102—2010中的试验方法制备样品即可，但是泥岩具有块状特性，破碎后才可制样。考虑目前的施工水平，泥岩破碎时不会完全破碎成粉状。为了验证破碎粒径对改良效果的影响，本次试验不进行完全破碎，而是控制泥岩破碎粒径的大小和比例进行比对试验。采用最优含水率和0.95压实度，除泥岩粒径外，主要变量为土样粒径和配合比，试验用土样粒径和配合比见表2。将干湿循环的胀缩变形和质量损失率作为评价改良土质量的关键指标。

表2 试验配合比

2.3 试验步骤

1）按表2称量材料，泥岩不完全破碎以获取大粒径岩块。

2）搅拌时避免破碎泥岩块，参照TB 10102—2010采用Z1击实试验制样，每组试验2个试样，编号1号和2号。

3）在测量台座上测量1号试样高度，用天平测量1号试样的质量。测定剩余试样含水率，计算2号试样的干质量。

4）将样品放入养护箱中（21±2）℃的温度和100%的相对湿度养护7 d成型，测定并记录1号试样（含水率和体积变化的试样）的质量和高度。

5）将试样浸入室温下的饮用水中5 h，然后取出。测定并记录1号试样的质量和高度。

6）将两个试样放在（75±3）℃的烘箱中42 h，然后取出。测定并记录1号试样的质量和高度。

7）用钢丝刷在台秤上均匀垂直刷蹭2号试样所有表面，刷蹭时台秤示值0.8～1.2 kg，刷蹭18～20次。

8）步骤（5）—步骤（7）构成一个干湿循环周期（48 h），再次将标本浸入水中，并继续进行12个循环。

2.4 结果处理

计算试样成型时的质量损失率，其中循环后干重是指改良土试件经12次干湿循环后，将其放入烘箱中在105～110℃条件下烘干至恒重的质量。

此计算方法与美国ASTM的计算方法稍有不同，美国ASTM计算方法修正了参与水泥水化反应的用水量，看似准确但不具有实际意义。考虑到固化剂与土、水之间的化学反应不断变化，其修正值无法确定，本文试验中的含水率计算采用TB 10102—2010规定的计算方法，能有效反映固化剂的固化效果且更具可操作性。

3 试验结果分析

试样干湿循环过程破坏情况见表3。可知：①12组试验样品中有6组完全破坏，无法完成全部试验周期，另外6组经过了12个干湿循环试验周期并未损坏。②2#试样第1次泡水即崩解破坏，无法开展后续试验；10#试样经过12次干湿循环后仍未完全破坏。可见泥岩颗粒粒径对改良土性能影响较大，施工时保证填料破碎程度20 mm以下有利于保证改良土干湿循环耐久性能。

表3 试样干湿循环过程破坏情况

只掺加石灰的试样全部损坏，是因为石灰前期强度较低，无法抵抗干湿循环破坏。只掺加9%水泥的试样也完全损坏，掺加12%水泥的试样完成12个干湿循环试验过程，是因为水泥掺量9%的试样抗干湿循环能力不足，掺加12%水泥才可以具备抵抗12次干湿循环的能力。同时掺加水泥和石灰、固化剂总量为9%的试样也可完成12个干湿循环试验过程不破坏，两种改良剂协同作用，既增强改良土前期强度又能减弱其膨胀性，有利于形成干湿循环性能优良的改良土。

干湿循环试验后试样变形见图2。可知，泥岩的高度变形率为-0.47%～0.53%，粉细砂高度变形率为-0.05%～0.04%，粉黏土高度变形率为-0.20%～0.10%。干湿循环作用下改良粉细砂的试样抗变形能力优于改良粉黏土优于改良泥岩。该试验方法有效区分了三种土的干湿循环抗耐久性。

图2 干湿循环试验后试样变形

4 结论

1）通过干湿循环质量损失率和胀缩变形量值，明确区分了不同性质土的干湿循环耐久性能，可为改良土干湿循环耐久性研究提供试验方法基础。

2）采用水泥石灰混合固化剂9%或水泥12%改良后的微膨胀性泥岩，干湿循环胀缩性可达到±0.5%以下，6%水泥改良后的粉黏土胀缩性可达到±0.1%以下，6%水泥改良后的粉细砂胀缩性可达到±0.2%以下。可为铁路建设中改良土应用提供参考。

3）软弱泥岩可以通过化学改良改善其干湿循环耐久性能，建议控制改良粒径在20 mm以下。