康国芳
(中铁十六局集团路桥工程有限公司 北京 101500)
千枚岩属于具有千枚状构造的低级变质岩石，由于其特殊的形成方式，导致千枚岩具有受荷变形大、遇水不稳定等特性。用作路基材料时，天然状态下强风化状态千枚岩地层强度不足，无法承受较大的上部荷载，常发生不均匀沉降变形，甚至出现路面沉陷等病害。近年来南昌地区市政道路建设中，路基修筑区域分布大量强风化千枚岩，埋深最大处可达20m。强风化千枚岩在雨水不断渗透下，发生软化，造成道路病害，缩短使用寿命。
多年来，国内外学者就千枚岩等不良地层路基填土的改良研究有了更进一步的发展[1]，Ramamurthy 等[2]研究了千枚岩的力学特性及抗剪性能，Garzón等[3]研究了千枚岩的工程特性。赵丽娅等[4]通过试验发现破碎后的千枚岩更易压实，但遇水后仍具有较高的遇水变形特性。基于此，赵磊等[5]通过水稳定性试验证明了这一点，并认为千枚岩自身不具有作为路基填料的条件，因此有必要开展千枚岩用作路基填料的改良性研究。毛雪松等[6]分析了不同水泥掺量下的千枚岩工程特性，并认为经水泥改良后的千枚岩能够满足路基的填筑要求，同时也提出了水泥改良千枚岩的路基施工方案[7]。张廷杰等[8]对水泥改良千枚岩用作路基填料进行了进一步的研究，正交试验表明水泥的掺入能够大幅度提高千枚岩的水稳定性，同时通过电镜扫描从微观的角度解释了水泥的掺入对千枚岩的改良效果。吴永胜等[9]对千枚岩的破坏模式进行了分类，并指出其破坏模式与结构发育程度及内部胶结方式有关。雷永智等[10]通过试验发现风化程度和水是影响其力学性质的主要因素，并通过浸水试验发现，浸水后千枚岩的强度与抗压性能均大幅降低。蔡国军等[11]就饱水状态下的千枚岩软化效应进行了进一步研究，并指出随着时间的变化其剪切应力峰值也逐渐降低。
本文以南昌地区强风化千枚岩为研究对象，通过室内试验探究强风化千枚岩的各项物理力学特性，并在此基础上以水泥作为添加剂对强风化千枚岩进行改良，主要研究强风化千枚岩改良后的强度及水理特性，研究成果对多雨地区强风化千枚岩路基工程具有指导意义。
1.1 材料特征
试验所需千枚岩如图1所示，具有以下特征：岩石新鲜面及风化面均为土黄色，岩石内部掺杂有红色、黑褐色等杂色，红色杂色主要位于层理面，浸水湿润后红色程度加深，千枚状构造明显，岩体严重破碎，可轻易分解成不同大小碎块，用手捏碎后细颗粒具有粉砂质感；
具有明显的针状结构，锤轻敲时有凹陷，重敲时岩块极易破碎，破碎后呈针片状，并伴有严重粉化现象。浸水或干湿交替时，遇水后吸水效应明显，软化现象显著，之后崩解、泥化，整体抗水侵蚀能力差。
图1 天然状态下强风化千枚岩
1.2 矿物成分
采用D8 ADVANCE多晶X射线衍射仪对千枚岩进行试验，完成峰值图成像后，运用MID Jade 6软件对衍射图谱进行分析，将试验获得的试样峰值图与标准PDF卡进行对比，最终得到强风化千枚岩的矿物成分。试验之前选取合适试样，将试样放入烘箱中在105℃下烘干至恒重，将试样取出，自然冷却至室温后研磨成粉末状，并选取粒径大小约40μm的粉末作为试验样品。试验中将试样装入试样架的凹槽内，刮平试样与试样架表面，使粉末试样表面与试样架平面在同一水平面上，放入仪器中进行试验。根据X射线衍射试验图谱进行分析，自然状态下千枚岩的矿物成分中石英占48.2%、白云母占31.9%、金云母13.2%、高岭石占6.5%、其他矿物占0.2%。白云母和金云母均属于云母类矿物，云母在水中处于游离状态，易发生剥离；
高岭石属于黏土矿物，易吸水，水敏感性高；
亲水矿物云母和高岭石在千枚岩中大量存在，总占比超过50%，在很大程度上影响着千枚岩的水理性质。
采用正交试验方法共设置水泥掺量、含水量、含石率及养护龄期4个影响因素，每种因素均设置5个水平，试样设计如表1所示。
表1 试验设计
水泥掺量为水泥质量与强风化千枚岩填料质量之比的百分数，设置为5%、10%、15%、20%、25%。含水量为加入水的质量与强风化千枚岩填料质量之比的百分数，设置为10%、15%、20%、25%、30%。将千枚岩过4.75mm标准筛，含石率为粒径大于4.75mm的颗粒含量占强风化千枚岩填料的质量百分数，此次试验设置为20%、30%、40%、50%、60%。养护龄期设置为1d、7d、14d、21d、28d。采用两种养护方式，养护方式1为整个养护龄期试样均在自然环境中干燥养护(室温25℃，无水分补充)；
养护方式2为养护龄期的最后一天试样采用湿养方式，即在水中浸泡养护24h，使试样在水中自然浸润，其中养护龄期1d的试样脱模后直接浸泡在水中。
试样采用静压法压制成150mm×150mm的圆柱体，如图2所示，试验操作按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行。将制作完成后的试样采取上述两种养护方式分别进行养护，养护后的试样放入万能压力试验机进行无侧限抗压强度试验，按1mm/min速率对试样进行加载，当试样破坏时记录下峰值荷载作为试样破坏荷载P，每组试验均采用3个试样进行平行试验，试验数据整理时剔除误差较大的试验值后，取平均值作为试验的最终值。试验结果按式(1)计算。
图2 水泥改良强风化千枚岩试样
(1)
式中：R——试样的无侧限抗压强度(MPa)；
P——试件破坏时的荷载值(N)；
A——试样的横截面积(mm2)。
3.1 干燥条件下无侧限抗压强度研究
按各试验编号的配合比制作试样，将静压法制好的试样在空气中干燥养护，分别养护1d、7d、14d、21d、28d，养护完成后进行强度试验，如图3所示。由图可知，试样的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加出现明显提升。强风化千枚岩填料经过改良后的强度主要由三部分组成，即填料本身强度、物理改良强度及化学改良强度。千枚岩颗粒形成的土骨架的强度决定了填料的基本强度；
物理改良强度是水泥反应后形成的水化物与强风化千枚岩填料掺杂后填充在填料的间隙中，减小了填料的空隙，增大了填料颗粒之间的有效接触面积，可有效提高其抗压性能，达到提高抗压强度的目的；
化学改良强度是因为水泥与水反应后形成胶凝物质与填料胶结在一起，构成了改良后强风化千枚岩填料的骨架，由于水泥硬化后的生成物硬度比强风化千枚岩的硬度高出许多，故水泥产物的骨架作用与水泥掺量呈正相关，促成了强风化千枚岩改良后的强度增长[12]。
图3 养护方式1下不同条件对水泥改良强风化千枚岩试样无侧限抗压强度的影响
水泥改良后强风化千枚岩填料强度随养护龄期的延长而增大，主要由三个原因导致：第一方面，随着时间的增长，水泥的水化反应持续进行，越来越多水泥水化产生的胶凝物质在强风化千枚岩周围硬化，导致强风化千枚岩填料的强度出现持续提高；
第二方面，填料内部的大部分水分被前期未反应完全的水泥逐步吸收反应，多余的水分则在养护过程中蒸发成气体，并不会对强风化千枚岩产生侵蚀作用，故千枚岩填料本身的基本强度不会发生衰减；
第三方面，水泥反应后已经生成的胶凝物质随着养护龄期的延长而进一步硬化，导致试样强度上升。
随着含石率的增加，试样的无侧限抗压强度逐渐减小。出现这种趋势的原因为：随着含石率的增加其基本强度在降低，故降低了强风化千枚岩改良后的强度，但是根据极差分析可知，千枚岩含石率对试样无侧限抗压强度的影响较小。
从各因素的变化趋势图中可以看出，试样改良后的无侧限抗压强度随含水量的增加呈先增大后减小趋势，25%含水量时强度达到峰值。改良过程中随着含水量的增加，水泥与水混合后得到充分反应，反应越充分生成的胶凝物质越多，在强风化千枚岩中构成坚固的骨架，这是含水量增加导致千枚岩填料改良后强度增长的主要原因。此外，从前述研究中发现水分的增加可以提高强风化千枚岩填料的黏聚力，故一定程度含水量的增加可有效提高千枚岩颗粒之间的黏聚性，颗粒之间更容易形成土团聚集体，使得千枚岩抵抗荷载的能力增强。当含水量提高到一定程度时，即超过25%含水量，强度呈现下降趋势，该现象主要由两方面原因导致：首先，大量水分作用下，来不及与水泥发生反应的水侵蚀到千枚岩内部，使得千枚岩的亲水矿物遇水后发生崩解，千枚岩颗粒之间的黏结作用减弱，强风化千枚岩填料的基本强度下降，同时受水分侵蚀后的千枚岩整体凝聚性减弱，水泥水化反应产生的胶凝物质难以凝聚千枚岩颗粒；
其次，强度下降表明水泥充分与水发生反应后还剩余大量水，这部分水游离在强风化千枚岩土体颗粒的表面，使得颗粒之间的水膜变得更厚，对土体颗粒之间的相对移动起到润滑作用，也导致了土颗粒之间的排斥力增大，在外力作用下颗粒之间在受到扰动时更易发生相对错动，最终表现为改良后强度下降。
3.2 浸泡条件下无侧限抗压强度研究
将静压法压制好的试样按试验设计的养护龄期在自然环境中进行养护，试样在养护龄期的最后一天放入水中浸泡，将水泥掺量低的试样放入水中后迅速冒出大量气泡，同时伴有明显崩解剥落现象，可见有大量水分进入试样，该现象是由试样的空隙率较大、水分渗流通道畅通导致的。随着水泥掺量的增加，气泡逐渐减少，崩解剥落现象不明显。可见，水泥水化作用产生的胶凝物质不仅提高了强风化千枚岩填料的整体性，而且由于胶凝物质的水稳定性好，封闭了水流通道，有效降低了侵入强风化千枚岩内部的水量，减小了试样发生崩解剥离的可能性。所有试样浸水养护后均不出现整体崩解现象，从宏观定性角度可见经过改良后千枚岩的整体性及水稳定性得到显著提高。
如图4所示为强风化千枚岩填料改良后在养护龄期的最后一天进行泡水养护在不同条件下的无侧限抗压强度值，从中可以看出水泥掺量对整体强度影响最大，养护龄期次之，含石率及含水量分列第三和第四位，表明水泥掺量对强度影响最大，养护龄期影响排名第二，而后是含石率及含水量的影响。通过均值趋势图不难看出，在养护方式2的最优水平组合为：水泥掺量25%、含水量25%、含石率20%、养护龄期28d，验证性试验强度为3.98MPa，试验验证成功，并且该养护方式下的强度也达到了目标设计强度。与养护方式1进行对比可知，该养护条件下各因素对强度影响的变化趋势类似。由此可知，水泥在强风化千枚岩改良后的强度增长中作用仍然最显著，该养护方式下的强度增长原因与养护方法1中类似，并且影响因素对强度的变化趋势不受最后一天的浸泡影响。
图4 养护方式2不同条件对水泥改良强风化千枚岩试样无侧限抗压强度的影响
普通硅酸盐水泥主要由硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)及铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3Fe2O3)等成分组成，其中硅酸钙占绝大部分。水泥加入强风化千枚岩填料后与水发生反应，反应形成Ca(OH)2及其他水化物，水化物随时间增长逐渐硬化并具有强度，在土中起骨架作用；
同时，水化物还会与土体及空气进行反应，促进土体强度进一步增长。水泥对强风化千枚岩路基填料的强度增长机理主要通过硅酸盐水泥的水化反应、离子交换及团粒化反应、硬凝反应以及碳化反应等四个过程，其中水泥掺入到强风化千枚岩填料中首先是水泥与水分进行一系列复杂反应，生成各种水化物。这一阶段是水泥改良千枚岩填料的基础反应，也是水泥加固千枚岩的物质来源，而水泥与水反应后生成大量Ca(OH)2等水化物，Ca(OH)2也会以Ca2+及OH-的形式存在，水化物中的Ca2+与千枚岩土体颗粒中的Na+、K+发生置换反应，使得土体颗粒表面水膜变薄，颗粒之间连接更加紧密，该反应的结果是促使土粒凝结成大颗粒土团。同时，水化物以条带状围绕在土颗粒周围，Ca(OH)2具有强烈的吸附作用，缩小土体之间的空隙，使土体更加紧密地结合在一起[13]。
综上可知，水泥改良强风化千枚岩填料的强度增长机理是水泥、水、空气以及千枚岩颗粒之间进行的一系列复杂的物理化学反应，反应生成Ca(OH)2等水化物及其他水稳定物，减小了千枚岩颗粒之间的空隙，使得千枚岩颗粒凝聚成更大的团粒；
同时，随着养护龄期的延长，强风化千枚岩填料的强度提升也更加明显。
(1)将水泥当成改良剂掺入千枚岩中进行改良，其无侧限抗压强度随着水泥掺量的增加呈明显增高趋势，其中最佳配比推荐为水泥掺量25%、含水量25%、含石率20%进行施工，此时能够满足Ⅰ、Ⅱ级路基填料的设计要求。
(2)强风化千枚岩填料经过改良后的强度主要由三部分组成，即填料本身强度、物理改良强度及化学改良强度。千枚岩颗粒形成的土骨架的强度决定了填料的基本强度；
物理改良强度是水泥反应后形成的水化物与强风化千枚岩填料掺杂后填充在填料的间隙中，减小了填料的空隙，增大了填料颗粒之间的有效接触面积，可有效提高其抗压性能，达到提高抗压强度的目的。
(3)水泥改良后强风化千枚岩填料的强度随养护龄期的延长而增大，随着时间的延长，水泥的水化反应持续进行，越来越多水泥水化产生的胶凝物质在强风化千枚岩周围硬化，导致强风化千枚岩填料的强度出现持续提高；
同时，填料内部的大部分水分被前期未反应完全的水泥逐步吸收反应，多余的水分则在养护过程中蒸发成气体，另外一方面则是水泥反应后已经生成的胶凝物质随着养护龄期的延长而进一步硬化。
(4)改良后的试样在不同养护条件下呈现出不同的力学特性，因此在工程实际活动过程中应注意施工完成后的养护工作。
(5)强度增长机理主要由水泥、水、空气以及千枚岩颗粒等因素之间所产生的反应，反应所生成的水化物及其他水稳定物，降低了千枚岩颗粒间的空隙，从而保证颗粒间能够形成更大的团粒；
同时，随着养护龄期的延长水泥的水化反应越彻底，使得千枚岩的整体力学性能得到了改善。