江威
【摘 要】为分析水泥对炭质泥岩力学强度的改性效果，通过室内试验研究了不同水泥掺量下炭质泥岩的应力-应变关系及无侧限抗压强度变化规律。结果表明：水泥改性炭质泥岩的应力随应变先快速增长，到达峰值后又迅速降低;随着水泥掺量的增加，炭质泥岩的峰值应力不断增大，且峰值应力对应的应变逐渐减小;改性炭质泥岩的无侧向抗压强度随水泥掺量的增加而不断增大。拟合得到改性炭质泥岩无侧限抗压强度与水泥掺量的数学关系式，可为炭质泥岩路堤稳定性分析提供参考。
【关键词】路堤工程;炭质泥岩;水泥;应力-应变曲线;无侧限抗压强度
中图分类号： U416.1文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0117-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.055
0 引言
炭质泥岩在我国广西、云南及贵州等湿热地区广泛分布，炭质泥岩是一种性质特殊的泥岩，具有湿胀干缩的特性。在天然状态下，其内部结构比较紧密，强度也随之增高[1-2];而在饱水状态下，其孔隙率随着饱水时间的增加而不断增大，使得颗粒间的连接变得疏松力学性能也随之降低，可诱发路堤边坡失稳[3-4]。因此，为防止因炭质泥岩浸水软化、强度降低而导致的工程事故，有必要对炭质泥岩的力学性能进行改良。
现有研究在土体的力学性能改性方面开展了一定的工作，王海湘等通过多种改性方法研究红黏土抗剪强度及无侧限抗压强度的变化规律，结果发现自然风干后的天然红黏土改性后能对力学性能提升效果更佳[5];崔素丽等开展黄土改性试验，通过试验表明，向黄土中添加水泥窑灰可显著降低其压缩性和湿陷性，从而引起抗剪强度的提高[6];苏建伟在膨胀土中掺加水泥研究水泥对膨胀土物理力学参数的影响，并结合工程实际探讨相关工程的施工质量控制措施[7];吴子龙等从微观的角度揭示了钢渣、偏高岭土对水泥改性土的作用机制，结果表明：钢渣和偏高岭土主要通过改变水化产物的包裹形式和数量，使得水泥改性土的微观结构和孔径分布发生改变[8]。上述研究主要针对水泥对红黏土、黄土和膨胀土等的改性效果，而关于炭质泥岩改性的室内试验及理论研究鲜有所见，故有必要探究水泥对炭质泥岩的改性效果。
本文通过静三轴试验研究不同水泥掺量下炭质泥岩应力-应變特性，分析水泥改性炭质泥岩无侧限抗压强度的变化规律，构建改性炭质泥岩无侧限抗压强度-水泥掺量关系模型，以期为炭质泥岩路堤边坡稳定性计算提供参考。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
于广西六寨-河池高速公路炭质泥岩路堤工点K18+500处取充分崩解的炭质泥岩进行X线衍射分析，并测试预崩解炭质泥岩的基本物理指标，X射线衍射及基本性能试验结果见表1。可知，预崩解炭质泥岩中矿物成分丰富，主要包括石英、绿泥石、高岭石，其余各矿物成分质量分数均小于5%。化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主，其中SiO2占53.48%。预崩解后的炭质泥岩与土的性质类似，同样具有击实性能、最大干密度、最佳含水量等。
试验用水泥为长沙县跳马涧建材公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥，水泥品质符合《通用硅酸盐水泥国家标准》（GB175—2007）[9]，主要性能指标见表2。
1.2 试验方案
根据水泥土标准配合比设计规程的要求，配置本次试验所需的水泥炭质泥岩配合比，水泥掺量取0、2%、4%、6%、8%（占炭质泥岩质量），每个配比制3个平行试样，最后取得3个试样试验结果的平均值作为试验结果，试样的压实度控制为98%，含水率为14%。养护龄期为7d。试验方案见表3。
1.3 试样制备
选取崩解完全的炭质泥岩土样，制作直径39.1cm高度8cm的圆柱体试样。具体制样步骤为：（1）将取回的炭质泥岩在实验室内自然崩解风干，碾碎过2mm筛;（2）再将特定质量的水泥（占炭质泥岩质量0、2%、4%、6%、8%）与炭质泥岩、水充分混合均匀;（3）然后通过数显式压力试验机采用静压法分3层压制试样;（4）试样成型后放入恒温保湿箱（温度20±3℃，相对湿度>90%）中静置7d以备试验使用。
1.4 试验方法
本次试验在室内静三轴试验仪器上进行，在无围压条件下测得试样的无侧限抗压强度，并绘制应力-应变变化的关系曲线，试验剪切的控制速率为0.8mm/min。
2 试验结果与分析
2.1 应力-应变关系曲线
不同水泥掺量条件下水泥改性炭质泥岩7d应力-应变关系曲线见图1，由图可知，水泥掺量为0的炭质泥岩的应力随应变缓慢增长，应力-应变曲线较为平顺，无明显的应力峰值;掺加水泥的炭质泥岩的应力随应变先快速增长，到达峰值后又迅速降低;随着水泥掺量的增加，炭质泥岩的峰值应力不断增大，且峰值应力对应的应变逐渐减小。表明掺加水泥可有效提升炭质泥岩的强度，炭质泥岩的塑性材料转变为脆性材料。
2.2 无侧限抗压强度变化规律
图2为水泥改性炭质泥岩无侧限抗压强度（fcu）与水泥掺量（n）的关系图，由图可知，改性炭质泥岩的无侧向抗压强度随水泥掺量的增加而不断增大，二者具有正相关关系。掺加水泥可显著增大炭质泥岩的强度，水泥掺量为6%时，炭质泥岩的无侧限抗压强度较无掺加水泥时增大了551%。拟合得到了改性炭质泥岩无侧限抗压强度与水泥掺量的关系式，拟合系数可达99.38%，可为计算不同水泥掺量下炭质泥岩的强度提供理论依据，进而为炭质泥岩路堤稳定性计算提供参考。
3 结论
通过对水泥改性炭质泥岩的无侧限抗压强度进行分析，可得到以下结论：
（1）水泥改性炭质泥岩的应力随应变先快速增长，到达峰值后又迅速降低;
（2）随着水泥掺量的增加，炭质泥岩的峰值应力不断增大，且峰值应力对应的应变逐渐减小;
（3）改性炭质泥岩的无侧向抗压强度随水泥掺量的增加而不断增大。
【参考文献】
[1]付宏渊，刘杰，曾铃，等.考虑荷载与浸水条件的预崩解炭质泥岩变形与强度试验[J].岩土力学，2019，40（4）：1273-1280.
[2]付宏渊，马吉倩，史振宁，等.非饱和土抗剪强度理论的关键问题与研究进展[J].中国公路学报，2018，31（2）：1-14.
[3]刘新喜，张平，邓宗伟.炭质泥岩软岩基座路堑边坡开挖过程稳定性分析[J].中外公路，2016，36（6）：14-16.
[4]刘林洁，向喜琼，喻兴，等.炭质泥岩抗剪强度的饱水软化特性及工程应用研究[J].科学技术与工程，2017，17（8）：244-247.
[5]王海湘，于冬升，张金团，等.不同改性方法对红黏土强度的影响研究[J].施工技术，2017，46（20）：120-124.
[6]崔素丽，黄森，韩琳，等.水泥窑灰改性黄土的湿陷性和强度特性研究[J].水文地质工程地质，2018，45（4）：73-78.
[7]苏建伟.膨胀土水泥改性处理试验及施工质量控制[J]. 河南水利与南水北调，2018，47（5）：70-72.
[8]吴子龙，朱向阳，邓永锋，等.掺入钢渣与偏高岭土水泥改性土的性能与微观机制[J].中国公路学报，2017，30（9）：18-26.
[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB175-2007，通用硅酸盐水泥[S].北京：中国标准出版社，20017.
