膨脹土水泥改性試驗研究

黃 斌，聶 瓊，徐言勇，羅 菊

（1．長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2．中國地質大學（武漢）研究生院，武漢 430074）

膨脹土含有較多的黏粒及親水性強的蒙脫石、伊利石和高嶺土等礦物成分，具有遇水膨脹、崩解、軟化，失水收縮、干裂、硬化等工程特性［1］。在我國膨脹土分布較廣的地區(qū)，往往又存在著土地資源匱乏的問題，因此不得不利用工程性質不良的膨脹土作為工程材料。這時為保證工程質量，需對膨脹土進行性質改良，方可作為填料，比如對于引水工程中遇到的膨脹土可采用加強水穩(wěn)性的改良方法，而水泥就是一種水穩(wěn)定性好的無機化學改性劑［2］。

本文選取南水北調中線工程南陽段中膨脹土，采用水泥對其改性，通過室內(nèi)試驗研究了水泥最佳摻量的確定方法及水泥改性對脹縮特性、強度軟化、模量降低的抑制效果。為膨脹土現(xiàn)場水泥改性的設計施工提供科學的、有價值的依據(jù)。

1 素土及改性土基本物理性質

選取南水北調中線工程南陽段中膨脹土料進行均勻拌和，采用復合硅酸鹽水泥P．C32．5對素土進行水泥改性。中膨脹土及改性土的物理性試驗成果見表1?？芍?/p>

（1）南陽中膨脹土的液限平均為64．8%，塑性指數(shù)平均為39．6，屬高液限黏土；水泥摻量為6%的改性土的液限為61．4%，塑性指數(shù)為26．6?？梢姡男酝恋囊合蘼孕∮谒赝粒苄灾笖?shù)明顯較素土小，表明中膨脹土經(jīng)改性后土中結合水的可能含量顯著減小。

表1 膨脹土及改性土物理性質成果表Table 1 The results of physical properties for expansive soil and improved expansive soil

（2）南陽中膨脹土的自由膨脹率為73%～80%，平均為77%，屬中膨脹土，膠粒含量高達29．5%。

2 水泥改性土擊實試驗

中膨脹水泥改性土的擊實特性與水泥摻量的關系如圖1、圖2所示?？芍?/p>

（1）中膨脹改性土重型擊實得到的最優(yōu)含水率較輕型擊實的低6．3%～7．2%，最大干密度較輕型擊實的大0．21～0．23 g／cm3。

（2）水泥摻量越高，改性土的最大干密度越大，且最大干密度與水泥摻量成較好的線性增長關系；水泥摻量越高，最優(yōu)含水率越小，且最優(yōu)含水率與水泥摻量成較好的線性下降關系。

圖1 改性土最大干密度與水泥摻量的關系Fig．1 The relationship between maximum dry density and cement content for improved expansive soil

圖2 改性土最優(yōu)含水率與水泥摻量的關系Fig．2 The relationship between optimum water content and cement content for improved expansive soil

3 水泥改性土脹縮性試驗

3．1 水泥改性土的自由膨脹率試驗

對中膨脹水泥改性土進行了自由膨脹率試驗，水泥改性土在恒溫、恒濕條件下進行養(yǎng)護；水泥改性膨脹土料為素土散樣拌水泥，一定齡期的養(yǎng)護后進行試驗；擊實水泥改性土樣為素土拌水泥后進行擊實，一定齡期的養(yǎng)護后再人工碾碎進行試驗。改性土28 d齡期自由膨脹率與水泥摻量關系見圖3所示；0 d齡期水泥改性膨脹土料的自由膨脹率與水泥摻量的關系見圖4所示。由圖可知：

（1）隨水泥摻量的增加，自由膨脹率越低。中膨脹素土擊實水泥改性樣28 d齡期的自由膨脹率隨水泥摻量的增加而變化，且存在1個拐點。當水泥摻量小于6%時，隨摻量的增加，自由膨脹率變化較大；水泥摻量大于6%時，隨摻量的增加，自由膨脹率變化較小，因此，對于中膨脹素土，水泥改性的摻量以6%為宜。同時，為了考慮拌和工藝、造價及現(xiàn)場施工等因素，還需在一定齡期后取樣進行校核試驗，以綜合確定施工用的水泥摻量。

（2）擊實水泥改性樣較水泥改性土料的自由膨脹率低，水泥摻量超過8%后，水泥改性土料的自由膨脹率與擊實水泥改性樣的自由膨脹率較接近，表明水泥摻量超過某一值后擊實對改善水泥、膨脹土之間的水化作用效果不顯著。

（3）水泥的自由膨脹率為1%，素膨脹土的自由膨脹率為77%，圖4中這2個數(shù)據(jù)點的連線的物理意義為：在假定水泥對膨脹土不發(fā)生水化作用的條件下，水泥改性膨脹土料的自由膨脹率隨水泥摻量變化的關系曲線。由圖4可見，水泥改性膨脹土料的自由膨脹率比假定水泥跟土不發(fā)生相互作用的自由膨脹率要小，表明膨脹土摻入水泥后，發(fā)生了較大程度的膠結水化作用、陽離子交換作用，膨脹土黏粒附近的水膜厚度大大減薄。

圖3 改性土28 d齡期的自由膨脹率與水泥摻量關系Fig．3 The relationship of free expansion ratio and cement content for improved expansive soil with curing time of28 d

圖4 改性土0 d齡期的自由膨脹率與水泥摻量關系Fig．4 The relationship of free expansion ratio and cement content for improved expansive soil with curing time of 0d

3．2 水泥改性土的有荷膨脹率試驗

進行了水泥改性土與素土的有荷膨脹率試驗，土樣制備含水率為21．0%，壓實度為93%，采取輕型擊實標準；水泥改性土在恒溫、恒濕條件下進行一定齡期的養(yǎng)護。有荷膨脹率試驗成果見圖5、圖6。由圖可知：

（1）中膨脹素土摻水泥后的有荷膨脹率明顯降低，尤其在低壓力作用下的膨脹率降低幅度更加顯著；素土的無荷膨脹率為13．6%，水泥摻量6%的水泥改性土28 d齡期的無荷膨脹率為0．11%。

（2）中膨脹素土及其水泥改性土的有荷膨脹率在壓力由0～6．25 kPa之間發(fā)生陡降，之后素土隨壓力的增加降低幅度變緩，而改性土的有荷膨脹率隨壓力的增加幾乎不變；可見在荷載施加的初期，外加荷載對膨脹量的抑制作用十分顯著。

（3）隨著齡期的增加，水泥改性土的膨脹率變??；水泥摻量為6%的改性土0 d齡期時的無荷膨脹率為6．28%，而7 d，28 d齡期的無荷膨脹率分別降低了5．06%（差值）和6．17%（差值）。

圖5 改性土0 d齡期膨脹率與壓力關系Fig．5 The relationship of expansion ratio and pressure for improved expansive soilwith curing time of0 d

圖6 水泥摻量6%的改性土膨脹率與壓力的關系Fig．6 The relationship of expansion ratio and pressure for improved expansive soil with cement content of6%

3．3 水泥改性土的收縮試驗

采用輕型擊實法，對水泥改性土與素土進行了收縮試驗，土樣制備含水率均為21．0%，壓實度為93%。水泥改性土在恒溫、恒濕條件下進行一定齡期的養(yǎng)護。改性土收縮特性試驗成果見表2?？芍?/p>

表2 改性土收縮特性試驗成果Table 2 The test results of shrinkage characteristics for improved expansive soil

（1）隨水泥摻量的增加，線縮率、收縮系數(shù)、體縮率均減小。水泥摻量為6%時膨脹土的收縮特性明顯降低，超過6%摻量后其改性效果不顯著?？梢娭信蛎浰喔男酝恋淖罴褤搅繛?%。

（2）素土的線收縮率為5．01%，水泥摻量6%的改性土28 d齡期的線收縮率為1．23%，收縮特性顯著降低。

（3）隨齡期的增加，線縮率、收縮系數(shù)、體縮率均減小，水泥摻量低的膨脹土其收縮特性受齡期的影響更加顯著。

4 水泥改性土力學性質試驗

4．1 水泥改性土無側限抗壓強度試驗

采用輕型擊實法，對水泥改性土與素土進行了飽和無側限抗壓強度試驗，改性土樣水泥摻量為6%，改性土及素土的制備含水率為21．0%，壓實度為93%，水泥改性土在恒溫、恒濕條件下進行了一定齡期的養(yǎng)護。飽和狀態(tài)的無側限抗壓強度試驗成果見表3，飽和改性土無側限抗壓強度試驗應力應變關系如圖7。由圖表可知：

表3 飽和狀態(tài)無側限抗壓強度試驗成果Table 3 The unconfined compressive strength test results under saturated state

圖7 飽和改性土單軸試驗的應力應變關系Fig．7 The relationship of stress and strain of uniaxial compressive strength test for saturated improved expansive soil

（1）飽和素土的無側限抗壓強度試驗應力應變關系呈硬化型，破壞應變?nèi)?5%。飽和改性土的無側限抗壓強度試驗的應力應變均為應變軟化型，破壞應變小于1%，為脆性破壞。

（2）飽和素土的抗壓強度為41．6 MPa，初始切線模量為1．35 MPa；28 d齡期的飽和改性土的抗壓強度為247．2 MPa，初始切線模量為46．4 MPa；水泥的摻入對齡期28 d后的飽和強度提高非常顯著，能很好地抑制強度軟化。

（3）抗壓強度、初始切線模量、破壞應變均隨齡期的增加而變大，且隨齡期的增長其影響程度減小。

4．2 水泥改性土壓縮試驗

采用輕型擊實法，對中膨脹水泥改性土及素土進行了飽和壓縮試驗，改性土樣水泥摻量為6%，改性土及素土的土樣制備含水率為21．0%，壓實度為93%；水泥改性土在恒溫、恒濕條件下進行了一定齡期的養(yǎng)護。飽和中膨脹水泥改性土壓縮試驗成果見表4。由表可知：

表4 飽和改性土壓縮試驗成果Table 4 The compression test results of saturated improved expansive soil

（1）飽和素土的壓縮系數(shù)為0．868 MPa－1，屬高壓縮性土，摻6%水泥以后，壓縮系數(shù)明顯小于0．1 MPa－1，呈低壓縮性。素土的飽和壓縮模量為2．60 MPa，摻入6%水泥改性后，28 d的飽和壓縮模量增加到69．4 MPa，充分表明中膨脹土摻入水泥改性能很好地抑制素土的模量降低。

（2）隨齡期的增加，飽和水泥改性土的壓縮模量增大，且隨齡期的增長其影響程度減小。

5 結 語

本文通過對膨脹土水泥改性試驗研究，得出以下結論：

（1）水泥摻量越高，改性土的最大干密度越大，且最大干密度與水泥摻量成較好的線性增長關系；水泥摻量越高，最優(yōu)含水率越小，且最優(yōu)含水率與水泥摻量成較好的線性減小關系。

（2）隨水泥摻量的增加，脹縮特性降低，但摻量達一定程度后，摻量的增加對脹縮特性的抑制效果并不明顯，這個結論可用于水泥最佳摻量的確定。

（3）飽和膨脹土的應力應變關系為應變硬化型，而飽和改性土表現(xiàn)為應變軟化，呈脆性破壞，且水泥的摻入對齡期28 d后的飽和強度提高非常顯著，表明它能很好地抑制強度軟化。

（4）飽和膨脹土屬高壓縮性土，摻入6%水泥后呈低壓縮性，表明水泥改性能很好地抑制膨脹土的模量降低。

［1］ 廖世文．膨脹土與鐵路工程［M］．北京：中國鐵道出版社，1984．

［2］ 賀行洋，陳益民，張文生，等．膨脹土化學固化現(xiàn)狀及展望［J］．硅酸鹽學報，2003，31（11）：1101－1106．

［3］ 楊果林，劉義虎，黃向京．膨脹土處置理論與工程建造新技術［M］．北京：人民交通出版社，2008．

［4］ 王保田．膨脹土的改良技術與工程應用［M］．北京：科學出版社，2008．