水泥土配合比及有關試驗的探討

謝明勇，王 新，孫宏昌，劉玉杰，馬 強

(1.巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設計院，新疆 庫爾勒 841000；2.新疆維吾爾自治區塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000；3.中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

希尼爾水庫位于新疆巴州尉犁縣境內，是一座以灌溉為主的注入式反調節平原水庫，水庫原壩基防滲采取垂直防滲與水平防滲相組合的形式。水平鋪蓋防滲采用0.75mmPE復合膜防滲，垂直防滲分明槽鋪復合膜防滲、攪拌樁及澆筑塑性混凝土防滲墻。樁號0+000-4+350、6+000-7+650壩段為明槽開挖鋪復合膜防滲；樁號4+430-6+100壩段采用深層水泥土、塑性混凝土防滲墻形式防滲。采用上述防滲措施后，對壩基防滲起到一定的效果，但部分壩段防滲深度偏淺，壩基仍存在滲漏問題。根據現場調查，在現狀庫水位下(910.6m)，壩后出現明顯滲漏范圍(壩后集水)的樁號為3+300-3+400段及3+900-7+000段。為了達到正常的蓄水位和保證水庫的安全運行，在滿足抗滲要求下，將水泥土防滲墻與混凝土防滲墻做比較，水泥土防滲墻工藝具有非常明顯的經濟效益，在現有的資金情況下，經專家研究對樁號2+436-4+350段采用雙排帷幕灌漿、樁號4+350-6+700段采用銑削攪拌水泥土防滲墻的施工工藝進行除險加固處理[1-2]。

2 設計參數要求

為了準確掌握不同水泥摻量下水泥土不同齡期的強度和滲透系數關系及相同水泥摻量下不同黏土含量下水泥土不同齡期強度與滲透系數的關系，塔里木河流域工程建設處委托我設計院承接了對該項目水泥土配合比的初步設計及試驗數據研究工作。希尼爾水庫深攪銑水泥土設計技術指標，見表1。

表1 希尼爾水庫深攪銑水泥土設計技術指標

3 原材料及檢測結果

水泥土配合比主要原材料包括：水泥、現場土樣。結合經濟效益以及供貨的及時有效性，水泥采用巴州青松綠原建材有限責任公司生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。土樣采用現場的7+100處的泥巖和放水閘處的砂巖1∶1混合制成。

3.1 水泥

水泥物理性能檢測結果符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007的質量指標具體檢測數據，水泥物理性能一覽表，見表2。

表2 水泥物理性能一覽表

3.2 土樣

土樣經現場不同部位，不同深度取回做顆粒分析、密度、滲透系數、抗壓強度檢測，試驗后將剩余土樣烘干混合敲打粉碎，過篩后備用，土樣顆粒分析、密度、滲透系數、抗壓強度檢測數據表，見表3。

表3 土樣顆粒分析、密度、滲透系數、抗壓強度檢測數據表

圖1 7+100處土樣顆粒大小分配曲線

圖2 放水閘處土樣顆粒大小分配曲線

3 配合比設計方案

塔里木河流域希尼爾水庫除險加固工程，使用銑削深攪的施工工藝，在通過注入水泥漿與攪碎的土體一起混合從而形成水泥土防滲墻，達到水庫防滲的效果。依據施工工藝特點影響水泥土主要力學物理指標的主要因素是滲透系數和強度指標經過和業主商議最終確定不同水泥摻量和不同黏土摻量的試驗方案。

本配合比結合《水泥土配合比設計規程》JGJ/T 233-2011[3]、《等厚度水泥土攪拌墻技術規程》DGTJ 08-2248-2017[4]及工地現場實際施工原理設計，現場采用銑削深攪工藝先將土體攪碎成泥漿，在邊注入水泥漿邊攪拌混合形成水泥土，現場存在地下水，無法控制實際水量，因注漿設備的局限性，水泥漿中水和水泥的比例為1:1有便于施工，本配合比原材料水泥，土(砂性黏土)全都取自施工現場，所以本配合比采用同樣原理將1:1的水泥漿摻入到一定比例的泥漿中混合拌勻制作成水泥土試件，水泥質量占土質量的7%、11%、13%、15%、17%，在不同齡期下測定抗壓強度和滲透系數。同時在制作一批水泥土試件，水泥摻量仍然為土質量的7%、11%、13%、15%、17%，同時再摻入土質量的5%的黏土，在不同齡期下測定抗壓強度和滲透系數，根據試驗結果對數據進行分析。

水泥土配合比配置表，見表4。

表4 水泥土配合比配置表

水泥土配合比試驗主要儀器，見表5。

表5 水泥土配合比試驗主要儀器

水泥土滲透系數試驗試模(PVC管自制)，見圖3。

圖3 水泥土滲透系數試驗試模(PVC管自制)

由于水泥土的滲透系數較低，也沒有具體的試驗規范指導，在環境、設備及人為因素等約束影響下，無法采用傳統的變水頭滲透試驗和常水頭的滲透試驗。在這我們另辟蹊徑，采用了SL6A型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀完成水泥土的抗滲試驗，試驗工作原理是通過恒定的周圍壓力(水壓)，待土樣固結(恢復應力)完成后，對土樣兩端施加恒定的水頭(應力差)進行滲透試驗，滲透壓力遠遠<圍壓，根據滲水量可調節滲透壓力大小改變水頭，根據電腦采集的試驗數據，按達西定律公式計算滲透系數。由于水泥土強度很低，采用等級為0.5級的微機控制電子萬能試驗機，試驗速率為0.03kN/s，檢測抗壓強度(3塊為1組)。

將取回的黏性土和砂性土磨細過篩按1:1混合，在按表3數據分別稱取各個原材料備用。

抗壓試模采用水泥砂漿試模規格70.7×70.7×70.7mm，抗滲試模采用PVC管自制而成，將內徑為59mm的PVC管切割成高度120±10mm的試模。

先將水倒入砌墻磚抗壓強度專用攪拌機(原理和水泥膠砂強度攪拌機類似)，再將稱量好的水泥和土樣拌和均勻后倒入攪拌鍋，攪拌2min后取出，裝入70.7×70.7×70.7mm的砂漿試模中成型抗壓試件，裝入直徑59mm，高度120±10mm的試模(PVC管自制)成型抗滲試塊，第2天(24h)脫模。

試塊脫模后放入溫度20±2℃，濕度95%的養護室進行養護，待齡期達到7d、14d、28d后分別檢測抗壓強度和滲透系數。

水泥土抗壓強度和滲透系數試驗結果匯總表，見表6。

表6 水泥土抗壓強度和滲透系數試驗結果匯總表

成型后抗滲試塊及現場實際鉆芯滲透試塊圖片對比，見圖4。

圖4 試驗室成型水泥土試件(左側2個)與實際鉆芯試樣(右側4個)對比

5 試驗結論

通過目前的試驗數據分析研究初步得到以下結論：

1)水泥土的強度和水泥摻量成正比，水泥摻量越高強度越高；水泥土滲透系數和水泥摻量成反比，能明顯降低滲透系數，水泥摻量達到一定程度在繼續增加時滲透系數降低效果不再那么明顯。

2)水泥土的強度和齡期成正比，隨著齡期的增長，水泥土強度有明顯的提高；水泥土滲透系數隨著齡期的增長卻沒有明顯變化。

3)增加一定的黏性土，水泥土強度明顯降低，滲透系數也明顯降低，通過目前的數據比較增加水泥土強度對滲透系數的降低沒有過于明顯的變化。改變水泥土內部結構，不同的顆粒級配，更能有效降低水泥土的滲透系數。

6 結 語

本次試驗結論只是基于本工程項目中有限的試驗數據，有待大量的試驗數據進一步考證和分析研究，對抗滲性能要求不是很高的工程中利用水泥土做防滲材料可以節約成本能達到很高的經濟效益、社會效益和環境效益，水泥土的研究與應用對未來工程中的發展有很大的實用價值。