摘要：水泥土是土(或集料)、水泥和水混合、压实和养护后的一种拌和物，本文结合项目介绍了安哥拉罗安达地区的红砂土与水泥通过实验配比成水泥土结构后，从水泥土的含水量、密实度、7天无侧限抗压强度和回弹模量几个方面详细分析了当地水泥土的性能；通过对现场水泥土试验段道路基层的施工、养护过程控制及后期观测、检验，验证了采用水泥土作为当地道路基层结构材料的可行性。
　　关键词：红砂土 水泥土 密度 7天无侧限抗压强度 回弹模量 基层
　　
　　1.前言
　　
　　2007年，我单位在西南非洲安哥拉国首都罗安达承接了一项EPC工程的设计总承包项目，通过现场的实地调研，当地建筑材料严重缺乏，没有石灰、粉煤灰等道路常用材料，石料也比较缺乏，尤其是质量良好的碎砾石，需到200公里以外的山区开采，如按投资方原有道路结构方案，石料备料会非常困难，且将会大幅增加道路建设费用，工期也难以保证，这对投资方来说是非常不经济的。
　　应投资方要求，我单位通过现场大量调研，考虑到本项目所在区域严重缺乏碎石材料，却分布着大量的红砂土，而前期交通量调查显示安哥拉国内主要以轻中型交通为主，基本无超重超载现象，现状交通量不大，交通量增长也不快，因此，在保证工程质量的前提下，为更好的节约工程投资，加快工程实施进度，我单位联合勘察实验部门，开展了对当地红砂土性能的初步研究和道路结构设计优化工作。并将先期实施道路采用试验段形式调整结构设计，将基层中的二灰碎石和碎石垫层结构更换为采用红砂土掺一定量的水泥形成的水泥土结构。
　　水泥土是土(或集料)、水泥和水混合、压实和养护后的一种拌和物，能形成一种具有特殊工程性能的硬化材料[1]。它是一种廉价的地方性建筑材料，在我国缺乏砂石料的平原地区也具有广泛的应用前景。土料中经过水泥固结后，具有较好的承载力和抗剪能力，可以用于承受抗弯作用的道路的基层和底基层。
　　水泥的用量通常以重量或体积的百分率表示。以重量计的水泥用量是根据烘干的土重采用以下公式计算：
　　
　　式中：Cw=以重量计的水泥用量（%）；Wc=水泥重（kg）；Ws=烘干的土重（kg）。
　　
　　2.水泥土的材料组成
　　
　　2.1 所用的当地红砂土
　　工程场地分布着大量的棕红色粉细砂土，土层非常厚，通过实验分析其粘粒含量较多，物理力学性质较好，压实后密水性能也很好，是很好的路基填料。通过对红土进行室内试验，红砂土动态模量大约在167.67MPa，而承载板试验得到的路基静模量为45～60MPa，该种土的强度非常高，从承载力判断是良好的路基材料。
　　2.2 水泥
　　水泥的含量取决于土的种类和性能，一般来说，土的粘性越大，需要的水泥用量也越多，本工程的红砂土液限含量一般为35～38%，塑性指数大于20，根据土的分类属于低液限性土。水泥土中水泥含量选用了2～6%的不同掺量。水泥的性能满足规范要求，建议选用初凝、终凝时间较长的水泥，延长施工时间。
　　2.3 水
　　水泥土中的水份是水泥水化所必需的，有助于获得最大的密实度。根据室内试验确定的最佳含水量进行控制。对于酸、碱或有机质含量未达到有害程度的水均可使用。
　　
　　3.水泥土性能控制指标 　　
　　水泥土的性能受以下几种因素的影响[2]：（1）土、水泥和水的种类与比例；（2）压实密实度；（3）拌合的均匀度；（4）养护条件；（5）压实拌合物的龄期。由于这些因素的影响，水泥土的的各项性能可变动范围较大。
　　3.1 含水量
　　含水量是影响当地红砂土形成的水泥土各项性能的最重要因素，也是影响施工质量的重要参数。对红砂土以及不同水泥掺量的水泥土，进行重型击实试验，试验结果表明红砂土以及水泥土的最佳含水量为6.5%～7.5%，最大干密度为2.05～2.20g/cm3。在最佳含水量情况下，水泥土的力学性能最佳，收缩裂缝都大为减少。以3%水泥土为例，当在最佳含水量情况下，试件的7天无侧限抗压强度达到了1.71MPa，而当含水量低于最佳含水量的情况下，试件的7天无侧限抗压强度会降低；当含水量超过最佳含水量时，试件的7天无侧限抗压强度也会低于最佳含水量成型的试件。
　　3.2 压实度
　　水泥土的压实密度是其力学性能好坏的关键性因素，也是现场施工质量控制的非常重要的指标，检验压实是否密实。通常所说的密度一般是指干密度，与含水量相关。通过室内的击实试验，可得出不同含水量对应的干密度，在最佳含水量的下对应着最大干密度。不同水泥含量的水泥土的最大干密度见表1和图1。
　　表1 不同水泥含量水泥土的最大干密度
　　水泥含量 2 3 4 5 5.5 6
　　最大干密度（g/cm3） 2.07 2.09 2.13 2.16 2.18 2.20
　　水泥土的拌合与压实之间的时间间隔越长，对密度和强度的影响也越大。国外的研究表明，在拌合与压实之间的时间推迟2h以上，则密度和强度的降低就越明显。只要在1h内间歇性的搅拌几次，而且压实时的含水量略低于最佳含水量，则时间延迟的影响即可减少到最大限度。
　　3.3 无侧限抗压强度
　　水泥土的无侧限抗压强度受各种因素的影响，综合各种试验资料可知，其强度的影响因素主要是土料质地、水泥掺量、龄期、试件尺寸及形状等。此外，干容重也是影响干硬性水泥土抗压强度的重要因素。
　　本工程采用同一种红砂土作为水泥土的试验材料，选择不同的水泥掺量，在成型压实度为95%的条件下，进行7天无侧限抗压强度试验，试验结果见表2和图2。
　　表2 不同水泥含量水泥土的7天无侧限抗压强度
　　水泥含量 2 3 4 5 5.5 6
　　7天无侧限抗压强度(Mpa) 1.31 1.71 1.98 2.72 3.54 4.19 　　
　　从上表可以看出，随着水泥掺量的增加，强度增大；尤其是掺量达到5%以上，强度增长的非常明显。但是水泥掺量过高则会使水泥土向脆性材料方向发展，在路面结构层中产生过多的伸缩裂缝和反射裂缝，而且不经济，故工程中应控制水泥掺量在适当的范围。根据国内的规范以及多次试验成果，本工程底基层水泥土选用3%掺量，基层水泥土选用5%掺量是满足要求的。
　　3.3 回弹模量
　　采用回弹模量表征基层的承载能力，反映基层在车辆瞬时荷载作用下可恢复变形性质，是路面结构计算的重要的参数之一，试验结果见表3。
　　表3 不同水泥含量水泥土的回弹模量
　　水泥含量 2 3 4 5.5
　　回弹模量(MPa) 725.7 908.5 980.2 1078.7 　　
　　根据试验结果可以看出，水泥土的回弹模量比较接近规范中水泥砂砾数值，但略低于水泥稳定碎石，满足半刚性基层沥青路面设计中有关模量的要求。
　　3.4 水泥土的配合比
　　不同的规范对合格的配合比使用不同的标准。如美国波特兰水泥协会（PAC）采用水泥土的重量损失不大于在12次湿-干-刷损或冻-融-刷损循环后的数值。美国陆军工兵部队（USACE）提出耐久性强度和无侧限抗压强度的要求。我国规范采用的是7天无侧限抗压强度的要求。 转贴于 免费论文下载中心 　　根据前述不同配合比的的7天无侧限抗压强度和回弹模量试验结果，考虑到水泥剂量的增加，会导致水泥土上基层表面会产生过多的开裂，如施工控制不好将影响沥青路面的使用寿命，因此不宜盲目追求过高的强度。最终选择底基层采用3%水泥土，基层采用5%水泥土满足强度的要求，同时具有较高的承载力。
　　
　　4.水泥土施工工艺研究及试验段控制 　　
　　4.1水泥土施工工艺
　　4.1.1 水泥土搅拌、运输
　　采用水泥土拌合站集中搅拌，先需对红砂土进行充分拌和，使红土中含水量均匀。在搅拌过程中水泥和用水量由专人进行控制，出场时的含水量控制在最佳含水量加1～2%，根据当地的天气情况可适当进行调整。水泥土运输根据施工地点与搅拌站的距离配备相应数量的自卸汽车，同时满足现场摊铺的要求。
　　4.1.2 水泥土摊铺
　　水泥土摊铺采用摊铺机摊铺。依据测量成果、水泥土的设计厚度和试验段测出的虚铺系数，在道路两侧每10m设置一个基准线杆，用来固定钢丝绳基准线。在摊铺工程中，运料车倒向摊铺机受料斗卸料，边摊铺边卸料，卸料过程需缓慢进行。
　　4.1.3 水泥土碾压
　　水泥土碾压工艺是水泥土施工成败的关键，也是水泥质量保证的关键。水泥土碾压采用18t单钢轮和26t胶轮压路机配合进行。初次碾压采用18t单钢轮压路机前静后震，碾压2遍。从出厂到初次碾压完成，控制在1h内完成。第二次碾压紧跟初次碾压后进行，采用胶轮压路机碾压3～5遍。碾压在水泥土加水拌和后3h内完成。终压由平地机整平处理，修整完成后由胶轮压路机碾压1～2遍。在施工过程中，如用羊足碾代替单钢轮压路机进行压实，压实效果更好。
　　4.1.4水泥土养生
　　安哥拉位于赤道附近，常年气温炎热恒定，干旱缺水，施工现场主要靠打井取水，对水泥土的养生比较不利，而水泥土铺筑后必须采用晒水车每天早中晚洒水养护3-4遍，水量需求大，养护期需7天，在养护期间应保证水泥土表面潮湿。
　　4.2 试验段道路的观测和检验
　　在水泥土的施工中，主要是获得一种拌合均匀、充分压实和充分养护的材料。我单位所参与的道路基层设计，采用了水泥土作为基层结构修建了前期道路的试验段。水泥土的施工严格按以上施工工艺要求，根据现场3%水泥土和5%水泥土的施工情况，效果见图1。 　
　　图1 养生较好的基层表面 图2 养生不好的基层表面
　　图1中水泥土基层已经施工3个月，由于洒水养生比较及时，通过观测和检验发现，表层裂缝较少，发生的裂缝也很细，检测强度非常高，尤其是5%水泥土，回弹弯沉30（0.01mm），而设计弯沉值为40.9（0.01mm）。 而图2中为部分由于现场水源紧张，导致养生不足的路段，在水泥土含水量降低较大后，道路强度下降不明显，但基层表面出现了较多的的细微裂缝，而且裂缝随含水量的降低增多和延伸。
　　分析原因，基层材料的干缩和温度收缩是引起基层结构产生横向裂缝的主要原因。对沥青面层的开缝特别是反射裂缝的发生有很大影响，另外一个原因是在车辆荷载作用下产生的裂缝。水泥土的干缩应变随着混合料的含水量增加而增大，当施工碾压时含水量过大，结构层越易产生干缩性裂缝，因而要确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。摊铺完成后，要及时覆盖进行洒水养护，防止基层因混合料内部发生水化作用和水分的过分蒸发引起表面的干缩性裂缝的产生。在养护期结束后，应立即进行封层的施工，在3-5个月基层裂缝发育完全后，需根据封层反射开裂情况重新进行修补后，再铺筑下面层沥青混凝土。
　　
　　5.结束语
　　
　　设计单位因地制宜，在满足规范要求范围内，通过大量调查和实验，调整了原有路面结构设计，充分考虑并利用当地比较丰富的建筑材料，达到节省工期，节约工程造价的目的；通过实验和试验段道路验证，采用水泥土作为当地道路基层结构在力学性能上是完全可行的，按规范进行的结构理论验算也符合要求，但试验段的成果也表明水泥土的拌合、施工工艺要求是比较严格的，尤其是在大面积道路施工情况下，如何保障其严格的施工工艺和苛刻的养生要求，需要施工单位引起足够的重视；而对水泥土裂缝的产生和发展机理今后还需我们进一步深入研究。
　　
　　参考文献：
　　[1] 印长俊，等.水泥红土的力学实验研究[J].湘潭大学学报，2004，（26）
　　[2] 许贤敏，路凡.水泥土的性能及其在国外的应用[J].公路，2005，（5）
　　[3] 邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2001
　　[4] 中华人民共和国交通部.JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006转贴于 免费论文下载中心