水泥改性膨脹土擊實試驗研究

魏讓鵬

(甘肅省水利水電勘測設計研究院,蘭州 730000)

水泥改性膨脹土擊實試驗研究

魏讓鵬

(甘肅省水利水電勘測設計研究院,蘭州 730000)

根據實際工程中水泥改性膨脹土填筑壓實度達不到設計要求的問題，通過一系列擊實試驗成果資料的對比分析，得出隨著膨脹土摻加水泥拌和后擊實試驗時間不同對最大干密度和最優含水率的影響規律，提出了應采用和現場碾壓工況相匹配的擊實試驗參數，用于現場壓實度檢測，解決了施工填筑質量的控制問題。

水泥改性；膨脹土；擊實試驗；作用機理；時間關系

0 前 言

膨脹土是一種典型的非飽和土，對環境的濕熱變化較敏感，具有顯著的吸水膨脹軟化和失水收縮開裂的特性，對水利、公路、鐵路等工程建設的危害較大[1-2]。

在南水北調中線工程建設中，當遇到膨脹土區段時，一般采用水泥改性膨脹土進行換填，來保證挖方渠道的渠坡和渠堤填筑的抗滑穩定性及抗滲性等要求。水泥摻入膨脹土中后，會引起水泥的水解和水化反應，產生水泥水化物，一部分水泥水化物與黏土顆粒相互作用。水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發生碳化作用，降低膨脹土的自由膨脹率，達到改良膨脹土的目的。可將其作用機理總結為以下3點。

(1) 團粒作用：水泥水化反應的膠凝產物將土顆粒粘接起來，提高土體穩定性和耐水性。

(2) 離子交換作用：水泥與膨脹土發生離子交換作用改變了膨脹土顆粒與水分子作用力。

(3) 凝硬反應和碳酸反應：水泥凝硬反應以及氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發生反應生成耐水的碳酸鈣，提高膨脹土的強度[3]。

1 問題的出現

南水北調中線一期工程總干渠禹州長葛段工程位于河南省禹州市及長葛市境內，設計段長53.7 km。其中，明渠長52.323 km，建筑物長1.377 km。本渠段工程分布的膨脹土共24.09 km，屬于中膨脹土和弱膨脹土，設計采用摻加水泥的方式進行膨脹土換填處理。

水泥改性膨脹土在用于施工之前，必須通過標準擊實試驗來確定其最大干密度和最優含水率，以此作為碾壓試驗的參數和控制碾壓質量的依據[4]。

在現場水泥改性膨脹土施工當中發現，在對碾壓完成的水泥改性膨脹土進行壓實度檢測時，會出現壓實度有時不能滿足技術要求，即使在現場增加碾壓遍數也達不到指定的壓實度。針對這一現象，在現場試驗室進行水泥改性膨脹土擊實試驗的分析比對，選擇合理的擊實試驗參數來有效地指導施工就顯得尤為重要了。下面就南水北調中線工程總干渠禹州長葛段現場試驗室所做的水泥改性膨脹土擊實試驗為例，進行深入的分析和探討。

2 試驗材料選擇與試驗方法

按照SL237-1999《土工試驗規程》中輕型擊實試驗的試驗步驟進行。

2.1 樣品選擇

(1) 土樣：在施工現場選取膨脹土樣，按照NSBD-ZGJ-1-37《南水北調中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術規定》規定，土樣自由膨脹率不大于65%，篩除大于5 mm的顆粒含量，當土料中姜石和礫石含量較多時測定其含量[5]。

(2) 改性材料：采用天瑞集團許昌水泥有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥。

2.2 水泥摻量

水泥改性膨脹土的水泥摻量根據天然土料膨脹特性，經室內試驗最終確定。本次擊實試驗采用4%的水泥摻量。

2.3 試樣制備

采用干法制備，將膨脹土分為5組，并根據膨脹土的塑限預估最優含水率，依次約相差2%的含水率配置土樣，每組5個，5組土樣的含水率配置相同，用公式計算出相應的加水量[6]。按照4%的水泥摻量在膨脹土的總量中扣除，水泥的風干含水率以0計，將每一級所需的用水量全部加到已扣除水泥重量的膨脹土中，拌和均勻并靜置24 h備用(在此期間不摻加水泥)。

2.4 擊實試驗

按照水泥摻加到配置好的膨脹土中拌和后放置的時間不同，分為0.5、1、2、4和8 h五個時間段,按照試驗步驟開始試樣擊實，計算含水率和干密度，并繪制干密度和含水率關系曲線。水泥改性膨脹土擊實試驗數據見表1，摻加水泥拌和后各時間段的擊實曲線見圖1。

表1 水泥改性膨脹土擊實試驗數據表

圖1 摻加水泥拌和后各時間段的擊實曲線圖

根據干密度和含水率的關系曲線得到摻加水泥拌和后各時間段的擊實試驗參數，見表2。

根據表2繪制水泥拌和時間與最大干密度和最優含水率之間的關系曲線，見圖2～3。

3 水泥改性膨脹土擊實試驗比對分析

本次試驗通過摻加水泥拌和后0.5、1、2、4和8 h的擊實試驗比對，分析隨著摻加水泥拌和后擊實試驗時間的延長對最大干密度和最優含水率的影響。根據圖2、3所示，可將最大干密度和最優含水率隨著試驗時間延長發生的變化分為4個階段：

表2 各時間段水泥改性膨脹土擊實試驗參數表

圖2 摻加水泥拌和后時間與最大干密度關系曲線圖

圖3 摻加水泥拌和后時間與最優含水率關系曲線圖

第1階段，在摻加水泥拌和后1 h內的擊實試驗。最大干密度呈現上升趨勢，最優含水率呈現下降趨勢。

第2階段，在摻加水泥拌和后1～2 h之間的擊實試驗。最大干密度呈現下降趨勢，最優含水率呈現緩慢下降趨勢。

第3階段，在摻加水泥拌和后2～4 h之間的擊實試驗。最大干密度呈現下降趨勢，最優含水率呈現上升趨勢。

第4階段，在摻加水泥拌和后4～8 h之間的擊實試驗。最大干密度呈現緩慢下降趨勢，最優含水率呈現緩慢上升趨勢。

4 結 語

通過擊實試驗的比對分析，可以看出水泥摻加拌和后的擊實參數在2～4 h之間變化的規律性較強，最大干密度有明顯下降趨勢，最優含水率有明顯上升趨勢，在4 h之后，變化逐漸趨于穩定。因此，水泥摻入膨脹土到擊實試驗的完成時間宜控制在2～4 h之間，不宜超過4 h，在這個時間段的擊實參數能較為準確地反映施工現場的實際情況。

建議在水泥改性膨脹土施工中，水泥拌和完成后及時鋪筑碾壓，碾壓完成后及時進行現場壓實度檢測，水泥拌和到碾壓完成時間應與擊實試驗完成的時間接近，這樣才能保證所提供擊實參數的準確性和可靠性，并對現場碾壓水泥改性膨脹土的壓實質量控制起到指導作用。

[1] 熊海帆.膨脹土水泥改性試驗研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[2] 劉志文. 膨脹土水泥改性拌和工藝研究與實踐[J].西北水電，2014，(01)：96-98，102.

[3] 薛麗皎.水泥改性膨脹土試驗研究[J].陜西理工學院學報:自然科學版,2011,(4):35-37.

[4] SL260-98,堤防工程施工規范[S].北京：中國水利水電出版社,1998.

[5] NSBD-ZGJ-1-37,南水北調中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術規定[J].(試行) 2011.

[6] SL237-1999,土工試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社,1999.

Study on Compaction Test of Swelling Soil Modified by Cement

WEI Rang-peng

(Water Resources and Hydroelectric Investigation Design and Research Institute of Gansu Province, Lanzhou 730000, China)

In engineering practice, the compaction degree of the cement-modified soil cannot satisfy the design requirement. Through comparison and analysis on data of a series of compaction tests, the law impacting the maximum dry intensity and the optimum moisture content with different compaction duration after the soil being mixed with cement is derived. Parameters of the compaction tests matching the site compaction conditions to be applied are raised, which can be utilized to inspect the site compaction degree, providing the solution of the quality control of embankment construction.

property modified by cement; swelling soil; compaction test; function mechanism; time relationship

1006—2610(2015)02—0084—03

2015-03-15

魏讓鵬(1973- )，男，甘肅省蘭州市皋蘭縣人，工程師，主要從事混凝土工程試驗、巖土工程試驗和工程地質勘測試驗研究.

TV443.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.022