膨脹土采用水泥進行化學改性試驗研究

陳娟CHEN Juan

（廣西世誠工程檢測有限公司，柳州545005）

1 工程簡介

在新建南寧至玉林鐵路№RZ1 標施工時，由于路基挖方土體約62 萬立方具有膨脹性，不能直接作為路基填料而丟棄。同時路基土方填筑量達156 萬立方，可用作路基填筑的合格挖方土體及隧道棄碴合計僅為89 萬元立方，即本項目需約借土67 萬立方。大量土體丟棄需設置大面積棄土場，大量借土也需征用大面積取土場，無疑對自然環境造成不良影響及增加施工成本，故本項目擬對挖方的膨脹土進行改良合格后用于路基填筑，不僅能把對環境的破壞降至最低，且節約了施工成本。

2 膨脹土加固方案的選定

國內外對于膨脹土的改良、處治技術分為物理及化學方法。物理方法主要含換填、外加剛性加固物等。物理方法治理膨脹土具有耗時耗力，施工成本高等缺點，在實際施工時應用較少；化學方法主要是摻入固化劑，化學方法因為效果顯著、施工快速及施工成本低而得廣泛的應用。化學固化法也從傳統的水泥、石灰作固化劑發展到有機聚合物再到最新的表面活性劑等；因摻入有機聚合物及表面活性劑技術尚未完全成熟，存在一定的技術風險，故本項目重點還是考慮摻入石灰或是水泥對膨脹土進行化學改良的方法。

經對以往施工的成功經驗進行總結，并結合項目所在地南寧地區石灰和水泥市場供應情況、施工成本等各方面因素進行綜合考慮，本項目決定采用摻入水泥對膨脹土進行改良。

因施工實踐表明，沒有任何一處的膨脹土加固的技術參數是萬能通用的，對于每一個具體的工程項目均需根據該項目的膨脹土特性、工程要求、施工工期、施工機械設備、加固措施及加固成本等因素進行膨脹土加固試驗，以確認該方法的技術可行性和經濟可行性，同時獲得現場施工參數，重點是最佳水泥摻入比例，以達到科學有效，經濟可行的目標。

3 水泥加固膨脹土室內試驗研究

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗土樣的選擇及特性

選取本項目2 處膨脹性最強的土體作為研究對象，分別于施工里程DK104+580、DK125+795 處進行取土，編號分別為A、B。

土樣呈灰色，粘性，表面光滑呈蠟狀，具有膨脹土的典型外觀特征。經過試驗及檢測分析，土樣礦物成分如表1所示，土樣性能指標如表2 所示。

表1 土樣的礦物成分（采用X 射線試驗所得）

表2 膨脹土性能指標

據上述表1、表2 可得，該土樣的礦物成分中蒙脫石含量最高達26%，塑性指數超過25%，自由膨脹率超過60%，根據《膨脹土地區建筑技術規范》（GB50112-2013）、《鐵路工程特殊巖土勘察規程》（TB10038-2012）評判標準，可判定A、B 土樣均是具有中等膨脹性的膨脹土。

3.1.2 加固劑選用

加固劑選用廣西魚峰水泥股份有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥（P.O）。

3.1.3 試驗方法

試驗的目的是驗證水泥處治膨脹土在本項目的技術可行性，并在技術可行的基礎上，通過對比不同水泥摻入量下膨脹土的強度和膨脹性等指標變化情況，得出水泥的最佳摻入量。

水泥摻入量按土體干質量的4%、6%、8%、10%分級進行。

化學處治膨脹土控制土體處于最佳含水量及最大干密度時，可達到最佳的處治效果，故本項目進行驗證試驗時，按最佳含水量及最大干密度進行指標控制。

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 界限含水量試驗研究

在進行工程地質勘察時，土體液限（WL）、塑限（WP）和塑性指數（IP）是進行土樣類別劃分和評價土體工程性質的關鍵依據和指標，由《土工試驗規程》（SL237-199）的相關規定，進行粘性土的工程性能評價時，需進行土體液塑限等項目的試驗。對于膨脹土的工程特性而言，界限含水量也是一個重要指標，能夠反映土體的膨脹特性，其指標值的變化在一定程度上能夠反映水泥改良膨脹土的效果。

采用液塑限聯合測定儀進行液塑限測定，先向土體按干重量4%、6%、8%、10%的比例摻入水泥，按規定的試驗環境及要求進行7d 養護。然后將不同比例的水摻入烘干土體中，使土體具有不同的含水量，然后悶料1d，使水份與土體充分和均勻混合后進行液塑限測定。

本項目土樣界限含水量試驗研究結果匯總于表3，圖1 為水泥不同摻量下液限、塑性指數變化曲線。

表3 土樣液塑限試驗結果

從表3 的試驗數據及圖1 可以看出，摻入水泥后土樣的液限、塑限和塑性指數出現明顯的下降，說明膨脹土的水穩定性在摻入水泥后能夠得到很好的改善，大幅降低了土體顆粒對于液相水的敏感性，即改變了土樣的遇水膨脹性。

由表3 的試驗數據及圖1 還可以看出，隨著水泥摻入比例從由小至大，土樣的液限、塑限降幅較大，但當水泥摻入比例超過6%后，以上指標的降低幅度明顯趨緩，甚至沒有明顯變化，表明就降低土體界限含水量而言，最佳水泥摻入量是6%。

3.2.2 擊實試驗

土體的最大干密度和最佳含水率是本次試驗研究不可或缺的參數指標，故需進行擊實試驗，以測定上述兩個指標在不同水泥摻入量時的變化情況。

采用輕型擊實方法進行擊實試驗，通常取5～6 個不同含水量（不同土樣含水量級差2%）的土樣，拌和均勻后同樣密封悶樣24h，以使土與水充分混合。試驗結果匯總表4中，圖2 為水泥不同摻量下最大干密度變化曲線。

圖1 水泥不同摻量下液限、塑性指數變化曲線

表4 擊實試驗結果表

圖2 水泥不同摻量下最大干密度變化曲線

由表4、圖2 可看出，隨著水泥摻入量的增加，土體的最大干密度值增大，最佳含水量降低，且最大干密度的增長與水泥摻入量基本成正比的關系。

3.2.3 自由膨脹率試驗研究

膨脹土對建（構）筑物造成破壞來自于其膨脹性，故降低其膨脹性能是本次試驗的最重要目的。為對比各種水泥摻入量的加固有效性，通過無荷載膨脹量試驗以驗證不同摻量下的固化效果。試驗結果匯總表5 中，圖3 為自由膨脹率變化曲線圖。

將不同比例的水泥摻入土體后，其膨脹性得到顯著的降低，由表5、圖3 可看出，中等膨脹性的天然原狀土經過水泥化學改良后，其膨脹率顯著下降，隨著水泥摻入比例的上升，自由膨脹率也隨之下降，當水泥摻入量為6%時，A、B 土樣的膨脹率均小于40%，表明已消除膨脹土的膨脹性。當水泥摻入比例為8%時，自由膨脹率為最小，此后隨著水泥摻量達到10%時，自由膨脹率稍有增加，呈現上升趨勢，總體而言，膨脹率的衰減與水泥摻入比例呈下凹曲線形狀。

表5 水泥不同摻量下自由膨脹率變化表

圖3 水泥不同摻量下自由膨脹率變化曲線圖

3.2.4 改良土的力學特性

通過水泥的加固作用，使土樣的細觀結構得到重塑，從而引起土體力學性質發生變化，我們需要知道摻入水泥固化劑后，土體的強度變化情況，評估水泥摻入對土體強度的影響。故進行了不同水泥摻入量下的無側限抗壓強等試驗。

在土樣中摻入不同比例的水泥后，無側限抗壓強度試驗結果匯總表6 中，圖4 為強度指標變化曲線圖。

表6 水泥改良膨脹土強度指標變化表

圖4 水泥不同摻量下土樣強度變化曲線

由表6 數據及圖4 可看出，將水泥摻入膨脹土，對于提高土體抗壓強度的效果非常明顯的，從強度變化曲線來看，隨水泥摻入比例的提高，土體的無側限抗壓強度基本呈線性增長趨勢。說明水泥與膨脹土間出現凝硬的化學反應，生成難溶于水的水化物，提高了土體強度，改善了土體的工程性質，雖然本試驗的主要目的是處治土體的膨脹性，但在處理膨脹性的同時，還提高了土體強度，具有重要的工程意義。

4 加固效果評價及確定最佳摻入量

自由膨脹率和界限含水量是判斷土體膨脹性的兩大指標，而工程設計的重要指標是無側抗壓強度。因此，需根據各比例水泥摻入量得到的各指標變化情況及經濟角度來分析、確定水泥的最佳摻入量具有實際的工程意義。

①膨脹率指標確定：從試驗結果可得知，當水泥摻入量為8%時，自由膨脹率最低，故從膨脹率指標而言，8%為最佳水泥摻入比例。

②塑性指數確定：由表3 的試驗數據及圖1 可以看出，隨著水泥按由小至大比例的摻入，土樣的液限、塑限幅度非常大，但當水泥摻入比例超過6%后，以上指標的降低明顯趨緩，甚至沒有明顯變化，說明從降低土體界限含水量而言，最佳水泥摻入量是6%。

③土體強度確定：因水泥本身具有膠結、凝結固化的作用，故隨著水泥摻入比例的增長，土體無側限抗壓強度與摻入量呈線性正比增長，在各比例水泥摻入量下，其無側限抗壓強度均能滿足鐵路路基規范的強度要求，且遇水不崩解，呈現了較好的抗滲性。圖4 為單增長曲線，即水泥摻入量越大，強度越高。

④從經濟角度確定：水泥摻量越大，施工成本也就最高，經測算，水泥摻入量不超過12%時，對于經濟指標而言是可以接受的。

綜上所述，本次試驗表明，采用水泥進行膨脹土的處理是技術可行的。8%的水泥摻入量是本項目的最佳比例。

5 結束語

試驗研究表明，水泥的摻入能夠顯著改良膨脹土，且提高了土體的強度，改善了土體的工程特性，滿足規范及設計對土體改良的要求。因本項目僅需摻入8%的水泥，成本較低，且該方法改良膨脹土施工簡單，故推廣應用的潛力巨大。

由于膨脹土構成和特性、摻入的固化劑的使用成本具有較強的地域差異，故改良膨脹土的辦法需根據當地情況進行選用，并通過試驗論證其可行性，同時獲取最佳施工參數，達到技術可行，經濟合理的目的。