改良膨脹土的拌和料質(zhì)量指標(biāo)

張官珍，謝 娟

（1.河南省河川工程監(jiān)理有限公司，450016，鄭州；2.河南省開封市水利工程施工總隊(duì)，475000，開封）

河南省南陽地區(qū)土料大多具有膨脹性，自由膨脹率小于40%的非膨脹土料源非常少，且往往距離工地較遠(yuǎn)，現(xiàn)場施工受交通影響，因此在南水北調(diào)中線穿越南陽市膨脹土地區(qū)的渠段，普遍采用了水泥改性土換填或渠堤包邊的膨脹土治理方式。水泥改性土填筑施工過程中，包括料場復(fù)勘、碎土、拌和、土料壓實(shí)等工序，其中改性土料拌和和壓實(shí)是評價水泥改性土填筑質(zhì)量的主要指標(biāo)。目前尚沒有水泥改性土質(zhì)量方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此南水北調(diào)中線建設(shè)管理局發(fā)布了水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定作為工程建設(shè)質(zhì)量控制及評價的依據(jù)。在水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定和南陽市段施工實(shí)踐的基礎(chǔ)上，本文對水泥改性土拌和質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)水泥改性土施工技術(shù)成果。

南水北調(diào)中線南陽市段工程水泥改性土拌和采用集中廠拌法施工。膨脹土改性拌和料施工質(zhì)量管理包括7個過程：試驗(yàn)設(shè)計水泥摻量比，確定水泥摻量標(biāo)準(zhǔn)曲線，水泥改性土拌和試驗(yàn)確定設(shè)備運(yùn)行控制參數(shù)，按確定的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置拌和稱量系統(tǒng)土料、水泥和水的流速或摻量，拌和出料后采用EDTA滴定法測定水泥含量，采用水泥含量標(biāo)準(zhǔn)差判斷均勻性，檢測合格后運(yùn)至工作面用于填筑。

一、膨脹改性拌和料相關(guān)質(zhì)量要求

用于改性的原土料采用弱膨脹土，自由膨脹率在20%～65%之間，禁止使用中、強(qiáng)膨脹土。

采用強(qiáng)度等級為#42.5的普通硅酸鹽水泥，拌和采用飲用水。

改性拌和前對土料進(jìn)行破碎，要求土塊粒徑不大于10 cm，其中5～10 cm粒徑含量不多于5%，5 mm～5 cm粒徑含量不多于50%（不計礓石含量）。

采用EDTA滴定法測定水泥摻量平均值，該值均不小于設(shè)計摻量，標(biāo)準(zhǔn)差均不大于0.7。

二、水泥摻量比設(shè)計

在確定水泥摻量比試驗(yàn)前，首先對取土場進(jìn)行地質(zhì)復(fù)勘，按照水泥改性土技術(shù)規(guī)定的取樣方法在土場制取試樣，劃分范圍不大于100 m×100 m的開采片區(qū)，每片區(qū)豎向分層取樣不少于9個。以南水北調(diào)中線南陽市段工程某土場為例，土場占地面積1 293畝（15畝=1 hm2），總儲量230萬m3，某取土片區(qū)土料自由膨脹率28%～49%，最大干密度1.57～1.69 g/cm3，數(shù)據(jù)分布范圍廣、無規(guī)律，完成試驗(yàn)后按照自由膨脹率大小排序、分組，取每組試樣自由膨脹率平均值由小到大標(biāo)記為A、B、C，A、C兩組差值不大于20%。根據(jù)表1要求，選取自由膨脹率平均值最大的C組土料，按3%、4%、5%三種水泥摻量比，進(jìn)行改性土混合料性能試驗(yàn)，并設(shè)計水泥摻量比。為便于項(xiàng)目現(xiàn)場管理，每個施工合同標(biāo)段改性土水泥摻量比不宜超過兩個。

三、水泥摻量施工配比計算方法

水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定中的水泥摻量比與公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的水泥劑量算法不同，在《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034—2000）中，水泥劑量以水泥質(zhì)量占全部粗細(xì)土顆粒（即礫石、砂粒、粉粒和粘粒）和干質(zhì)量的百分率表示，即水泥劑量=水泥質(zhì)量/干土質(zhì)量。在水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定中，水泥摻量比計算公式如下：

式中，Gs為摻入水泥重量，Gc為被改性土重量，S為水泥摻量百分?jǐn)?shù)，ω0為在室內(nèi)改性試驗(yàn)確定水泥摻量比時被改性土試驗(yàn)在改性拌和前含水率，ω為被改性土試驗(yàn)在改性拌和前含水率。

公式可推導(dǎo)為：

從公式（2）中可以看出，當(dāng)被改性土在拌和前含水率（簡稱現(xiàn)場含水率）等于室內(nèi)試驗(yàn)確定水泥摻量時拌和前的含水率（簡稱基準(zhǔn)含水率），即ωω0=0，水泥摻量比公式為S=Gs/Gc，這種情況下與公路行業(yè)水泥劑量計算公式一致。

在施工過程中，在水泥摻量施工配比時應(yīng)進(jìn)行含水率修正系數(shù)計算。以南水北調(diào)中線南陽市段工程某土場Ⅰ區(qū)弱膨脹土土樣為例，土場土料最大擊實(shí)干密度1.74 g/cm3，最優(yōu)含水量18.1%，水泥摻量比4%。假設(shè)室內(nèi)試驗(yàn)確定水泥摻量比時拌和前最優(yōu)含水率18.1%，分析拌和站現(xiàn)場最優(yōu)含水率-2%～2%范圍內(nèi)1/（1+ω-ω0）含水率修正系數(shù)對水泥摻量比的影響，計算結(jié)果見表2，可以看出現(xiàn)場土料含水率在最優(yōu)含水率-1%～1%范圍內(nèi)時，施工水泥摻量比與設(shè)計摻量比基本沒有變化，超出這個土料含水率范圍則對水泥摻量比有0.1%的影響，相對較大；拌和用土料含水率較最優(yōu)含水率偏離越大，對改性土混合料水泥摻量比影響越大。

公式（1）中，ω0為室內(nèi)試驗(yàn)確定水泥摻量比時拌和前的含水率，實(shí)際應(yīng)為復(fù)核試驗(yàn)中被改性土在拌和前的含水率。由于姜石或礫石不需改性處理，被改性土中含有姜石或礫石，在水泥摻量比性能指標(biāo)施工復(fù)核試驗(yàn)時，應(yīng)進(jìn)行剔除。為減少試驗(yàn)因素影響，在進(jìn)行EDTA法測定水泥摻量比標(biāo)準(zhǔn)曲線試驗(yàn)和確定水泥摻量比試驗(yàn)設(shè)計時，用到的土樣試樣含水率宜控制在最優(yōu)含水率的-1%～1%范圍內(nèi)。

施工過程中應(yīng)區(qū)分清楚水泥摻量比和水泥用量這兩個不同概念，如果混淆容易導(dǎo)致質(zhì)量問題。假設(shè)現(xiàn)場土料含水率為21.1%，若不考慮含水率修正系數(shù)影響，其水泥與被改性土用量重量比為4∶96，實(shí)際應(yīng)換算為4.1∶95.9，概念不清容易引起系統(tǒng)性錯誤。

表1 改性水泥摻量比室內(nèi)試驗(yàn)控制指標(biāo)參考值

表2 拌和前土料含水率與施工水泥摻量比關(guān)系

四、拌和料生產(chǎn)中的水泥摻量比檢測

1.EDTA法測定水泥摻量比標(biāo)準(zhǔn)曲線試驗(yàn)

如圖1，選取不同土料場、不同施工標(biāo)段摻量比標(biāo)準(zhǔn)曲線成果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)水泥摻量比越小，試驗(yàn)檢測消耗的EDTA二鈉量波動范圍越小，試驗(yàn)對水泥摻量質(zhì)量檢測成果影響越小。設(shè)計水泥摻量比越大影響越大。水泥摻量比標(biāo)準(zhǔn)曲線不同，主要是受不同單位現(xiàn)場試驗(yàn)室取樣和制樣規(guī)范性，水泥品牌不同，土料顆粒種類變化等影響。作為檢測水泥摻量比的基準(zhǔn)EDTA試驗(yàn)，影響因素很多，各個操作步驟都應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)重新標(biāo)定水泥摻量標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.室內(nèi)EDTA法測定水泥摻量比時間關(guān)系試驗(yàn)

T 0809—2009水泥或石灰穩(wěn)定材料中水泥或石灰劑量測定方法（EDTA滴定法）適用于水泥終凝前的水泥含量測定。《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）中，要求普通硅酸鹽水泥初凝不小于45 min，終凝不大于600 min。水泥改性土技術(shù)規(guī)定中，要求每層改性土填筑完成碾壓后，宜在4 h內(nèi)完成質(zhì)量檢測，在6～8 h內(nèi)完成上土覆蓋。

圖1 EDTA法測定水泥摻量比標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 EDTA法測定水泥摻量比—時間關(guān)系

通過現(xiàn)場選取的土樣繪制5%和10%水泥摻量比—時間關(guān)系曲線（圖2），圖中顯示一種水泥摻量比的檢測值隨時間下降而下降，在拌和后的2 h內(nèi)為穩(wěn)定期，超過2 h且水泥摻量大于4%的改性土，EDTA滴定法測出的摻灰量隨齡期發(fā)生明顯衰減，試驗(yàn)成果印證了河海大學(xué)張星辰等水泥摻量測定齡期效應(yīng)研究成果。所以現(xiàn)場施工改性土水泥摻量檢測應(yīng)及時進(jìn)行，宜在拌和站出料口取料后立即完成試驗(yàn)檢測，盡量減少試驗(yàn)偏差對質(zhì)量控制的影響。

3.改性土拌和料生產(chǎn)中的質(zhì)量指標(biāo)

由于水泥摻量比測定受齡期效應(yīng)影響，相比較而言，穩(wěn)定土拌和站生產(chǎn)改性土?xí)r的配比控制更容易操作，并有預(yù)控作用。與混凝土拌和站不同，穩(wěn)定土拌和站的水泥摻量施工配比，是通過控制水泥流量和補(bǔ)充水量的方法滿足質(zhì)量要求。以南水北調(diào)中線南陽市段工程某拌合工藝試驗(yàn)為例，其原土最佳含水率19.2%，最大干密度1.69 g/cm3；改性土最佳含水率20.7%，水泥劑量4%，最大干密度1.64 g/cm3；碎土后進(jìn)行不同含水率原土的改性土拌制，試驗(yàn)成果見表3。

由于拌和過程中水泥的水化反應(yīng)和現(xiàn)場含水量損失，拌和過程中需加水高于最優(yōu)含水率4～5個百分點(diǎn)，拌和出的成品料宜稍高于最優(yōu)含水量。從表3可以看出，拌和后改性土含水率在最佳含水率0%～3%之內(nèi)，拌和后改性土水泥劑量在（4%±0.5%）的質(zhì)量要求范圍內(nèi)。通過對不同原土含水率調(diào)整水泥摻量和加水量，對改性土水泥劑量影響變化不大，都在要求的3%～5%范圍之內(nèi)；水泥摻量和需加水量與原土含水率成反比，含水率越大水泥摻量和加水量越小，反之越大。

表3 水泥改性土拌制數(shù)據(jù)統(tǒng)計

五、討 論

水泥改性土填筑連續(xù)施工對取土場土料含水率要求高。技術(shù)規(guī)定要求水泥改性土從拌和到試驗(yàn)檢測完成，時間不能超過4個小時，下層覆蓋不能超過8個小時。如果取土場土料含水率不在最優(yōu)含水率范圍內(nèi)，水泥改性土就難以連續(xù)施工。如某標(biāo)土料場天然含水率平均在23%（汛期高達(dá)27%），而土料填筑最優(yōu)含水率在16.5%，由于土料含水率較高，現(xiàn)實(shí)中無法在6～8 h內(nèi)完成下層施工。

水泥改性土接合層是填筑質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)。改性土的變形特征因水泥摻量比不同處于不同的彈塑體區(qū)間，水泥摻量比越小，水泥改性土與土的性能接近，越大越容易產(chǎn)生脆性破壞，也就是說在水泥改性土填筑層出現(xiàn)時間間隔后，水泥摻量比越大其接合質(zhì)量越難保證。工程實(shí)踐中由于施工線長面廣，在4%～5%水泥摻量比情況下出現(xiàn)了層間難以接合現(xiàn)象，在削坡后邊角部位接合層出露明顯。所以，渠道全斷面換填的部位不宜采用改性土換填；對于渠堤，包邊的改性土接合層質(zhì)量對工程整體性影響較小部位，可采用水泥改性土換填。

摻加一定比例的水泥對膨脹土進(jìn)行改良處理，已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。改良后的土料用于渠堤填筑或基礎(chǔ)處理時，其拌和質(zhì)量是關(guān)鍵指標(biāo)之一。南水北調(diào)中線建設(shè)管理局發(fā)布的水泥改性土技術(shù)規(guī)定在工程建設(shè)中起到了規(guī)范施工評價質(zhì)量等作用，但也存在不完善之處。通過對改性土拌和料質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)分析、總結(jié)，為深入研究水泥改性土質(zhì)量管理提供依據(jù)。

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