引江濟淮試驗工程弱膨脹土水泥改性配方實驗

李 峰 姚開想 吳建濤 施賽杰 李國維

（1.安徽省投資集團控股有限公司 安慶 246000 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室南京 210098 3.河海大學道路與鐵道工程研究所 南京 210098）

1 引言

膨脹土是一種主要由強親水性黏土礦物成分組成的特殊土，其中的黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石等礦物組成，具有吸水膨脹崩解、失水收縮干裂和強度衰減性的高塑性粘性土。膨脹土分布范圍廣泛，且由于膨脹土特殊的工程特性，使膨脹土地區(qū)的建筑、鐵路、公路、水利工程等經常遭受嚴重的破壞，全球每年因膨脹土的工程問題而造成巨大的經濟損失。20世紀80年代以前，在對因膨脹土造成經濟損失的估算中，全世界每年的損失超過了50億美元，中國每年因膨脹土工程災害中造成的直接損失也在數億元以上。因此膨脹土引起的工程問題及相應的解決方法日益受到人們的重視。

引江濟淮工程是集供水、航運、灌溉等功能于一身的大型綜合水利工程，全線輸水總長1048.68km，且須經過大量膨脹土地區(qū)，膨脹土具有反復脹縮、裂隙發(fā)育、易崩解的特性，反復的脹縮變形會使土體產生方向不一的裂隙，在雨水及其他自然環(huán)境的影響下，水體會不斷沿著這些裂隙下滲，從而使土體強度降低，這是膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要原因之一。為保證邊坡穩(wěn)定性及渠道的正常使用，必須對膨脹土區(qū)段加以改良。

在實際工程中，常用的膨脹土改良方法是摻石灰、水泥、粉煤灰等，本文依托引江濟淮工程，采用水泥作為改性劑，選取引江濟淮工程典型膨脹土，通過對水泥摻量、養(yǎng)護齡期等指標的控制，對改性土進行了自由膨脹率、液塑限、無側限抗壓強度、摻加水泥后不同時間段擊實試驗。通過對試驗結果的分析，揭示了水泥對膨脹土物理力學性質的影響。

2 試驗材料及試驗方案

試驗材料取自合肥引江濟淮工程，土樣為黃夾灰白土樣，自由膨脹率53%，屬于弱膨脹土，測得其物理力學性質見表1，水泥采用復合硅酸鹽水泥P.C32.5。

取代表性土樣，風干后碾碎過篩，采用濕摻法進行重型擊實試驗，水泥摻量分別為0、2%、3%、4%、5%、7%（摻入水泥的質量與干土質量的比值），每個摻灰比做兩次擊實計算其干密度，取兩次平均值作為該土樣的干密度。試驗結果見表2。

在擊實試驗得到不同水泥摻量下改性土干密度的基礎上，按照《土工試驗方法標準》（SL237-1999）制備試樣。用于無側限抗壓強度試驗的試樣采用擊樣法制樣，擊實桶尺寸Φ50mm×130mm，試樣尺寸為Φ50mm×90mm。將試樣放入養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，待達到1d、3d、7d及28d養(yǎng)護齡期后即進行無側限抗壓強度試驗，取無側限抗壓強度試驗后破壞的試樣進行液塑限及自由膨脹率試驗。

表1 膨脹土基本物理力學指標表

表2 改性土最大干密度與最優(yōu)含水率表

表3 素土及改性土自由膨脹率表

表4 素土及改性土不同齡期無側限抗壓強度表

表5 不同悶料時間改性土擊實特性表

圖1 素土及改性土自由膨脹率與養(yǎng)護齡期的關系圖

圖2 素土及改性土液限與養(yǎng)護齡期的關系圖

圖3 塑性指數與養(yǎng)護齡期的關系圖

圖4 素土及改性土不同養(yǎng)護齡期下無側限壓強度圖

圖5 摻加水泥拌合后不同時間擊實特性圖

3 試驗結果與分析

3.1 自由膨脹率

水泥摻量0、2%、3%、4%、5%、7%水泥改性土養(yǎng)護齡期1d、3d、7d及28d后自由膨脹率見表3，自由膨脹率與摻灰率關系見圖1。

由圖1可知，未摻加水泥前，膨脹土自由膨脹率為53%，水泥摻量2%、養(yǎng)護齡期28d改性土自由膨脹率已降至36%，自由膨脹土較素土有明顯降低，隨著摻灰率和養(yǎng)護齡期的增大，改性土自由膨脹率進一步降低且養(yǎng)護齡期7d和28d改性土自有膨脹率近似呈直線下降。養(yǎng)護齡期達到3d時各摻灰比改性土自由膨脹率降到40%以下，已不屬于膨脹土范圍，水泥改性效果明顯。

3.2 界限含水率

界限含水率及塑性指數是反應黏土與水相互作用靈敏性的指標，在一定程度上反映了土的親水性能，是估價土的工程特性的主要參數。改性土液限、塑性指數與摻灰率的關系見圖2和圖3。

圖2和圖3表明，改性土的液限及塑性指數均比素土低，當摻灰率和養(yǎng)護齡期增加時，改性土的液限與塑性指數也隨之降低，且養(yǎng)護齡期7d和28d時，改性土液限和塑性指數與摻灰率有較好的線性相關關系。通常膨脹土都有高液限的特征，即WL＞50%，從試驗結果可知，摻灰率3%養(yǎng)護齡期3d改性土液限小于50%，水泥可很好地改善膨脹土的親水性。

3.3 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是土體在無側向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強度，是反應改性土體后物理力學性質的重要參數指標之一。改性土無側限抗壓強度試驗結果見表4，無側限抗壓強度與摻灰率的關系見圖4。

圖4表明，摻加水泥后，改性土的無側限抗壓強度較素土有明顯提高，養(yǎng)護齡期7d及28d時，隨摻灰率的增加，改性土的無側限抗壓強度近似呈線性增大。3d養(yǎng)護齡期摻灰率2%、4%、5%比同一摻灰率1d養(yǎng)護齡期無側限抗壓強度小，表明在膨脹土水泥改性的初期，其力學性能尚不穩(wěn)定，改良過程是一個漫長的過程。工程弱膨脹素土的無側限抗壓強度是0.44MPa，經28d養(yǎng)護齡期摻灰率7%水泥改性后無側限抗壓強度增大到1.77MPa，表明摻灰率及養(yǎng)護齡期對改性土無側限抗壓強度的提高有重要意義。3.4水泥初凝時間影響

膨脹土水泥改性施工中，由于受現(xiàn)場施工條件、自然環(huán)境因素等影響，水泥拌和完成后往往不能及時進行現(xiàn)場回填鋪筑碾壓，受水泥初凝時間的影響，不同時間鋪筑碾壓的改性土其干密度也不盡相同。本研究通過一系列擊實試驗得出隨著膨脹土摻加水泥拌合到擊實完成時間不同對最大干密度和最優(yōu)含水率的影響規(guī)律，從而為現(xiàn)場壓實度檢測提供相匹配的擊實試驗參數。水泥摻量為5%，在膨脹土中摻加5%水泥攪拌均勻后分別放置 0、0.5h、1h、2h及4h后進行擊實試驗，得到膨脹土摻加水泥后放置不同時間的最優(yōu)含水率和最大干密度。試驗結果見表5，改性土最優(yōu)含水率和最大干密度與悶料時間的關系見圖5。

由圖5可知，在摻加水泥拌合后1h內擊實試驗，最大干密度呈現(xiàn)上升趨勢，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)下降趨勢。在摻加水泥拌合后1～4h內擊實試驗，最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)上升趨勢。由試驗結果可知，受水泥初凝時間的影響，不同時間段擊實的改性土其最大干密度和最優(yōu)含水率也不盡相同，因此水泥拌和完成后應盡快進行現(xiàn)場回填鋪筑碾壓，壓實度檢測時應選取同時間段的擊實參數，這樣才能對改性土的壓實質量控制起到指導作用。

4 結論

本文選取引江濟淮典型膨脹土，通過自由膨脹率、液塑限、無側限抗壓強度、不同時間段擊實等室內試驗對膨脹土水泥改性效果進行研究，得出以下結論：

（1）在膨脹土中摻加水泥后，改性土自由膨脹率、液限、塑性指數均減小了，且隨著水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加，改性土自由膨脹率、液限、塑性指數進一步減小。在膨脹土中摻加水泥能夠有效抑制其膨脹性、改善膨脹土親水性能，且隨著摻灰率和養(yǎng)護齡期的增大，改性效果越明顯。

（2）摻加水泥后，改性土無側限抗壓強度較素土有明顯提高，且隨著水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加，改性土強度進一步提高。但是在改性初期，改性土強度波動較大，表明水泥對膨脹土的改性是一個復雜的、長期的過程。

（3）水泥拌和完成后應及時鋪筑碾壓，壓實度檢測時應選取同時間段的擊實參數，這樣才能對改性土的壓實質量控制起到指導作用