水泥改性膨脹土膨脹率試驗研究

梁 劍 史振防 田進寬

（1河南省沙潁河渦河近期治理工程建管局 漯河 462003 2黃河咨詢監(jiān)理有限責(zé)任公司 鄭州 450000）

1 引言

膨脹土是土中粘粒成份，主要由親水性強的蒙脫石、伊利石和高嶺土等礦物成分組成,吸水后體積膨脹，失水干縮，具有超固結(jié)性和多裂隙性,是一種具有膨脹結(jié)構(gòu)的高液限粘土。南水北調(diào)中線總干渠，穿越南陽膨脹土地區(qū)渠長279.7km，占南水北調(diào)中線總干渠總長的22.5%。如何破解膨脹土渠坡處理的這一技術(shù)難題，建立一套適合膨脹土渠道開挖及處理的施工技術(shù)與工藝，對于南水北調(diào)中線工程具有重要的意義。

2 水泥改性膨脹土膨脹率試驗研究的目的

膨脹土摻加水泥進行改性是為了消除膨脹土的膨脹性對渠坡的破壞影響，而膨脹土的脹縮是由膨脹率來體現(xiàn)的，所以研究水泥改性膨脹土的膨脹率是一個重要的突破點。通過試驗，水泥改性膨脹土的膨脹率是由水泥的摻加量、水泥膨脹土作用時間、含水量及外約束力的因素決定的。因此，加強對水泥改性膨脹土的膨脹率試驗方法的研究，合理選擇水泥摻量、最佳的含水量及把握施工中的合理碾壓時間對降低工程投資、縮短建設(shè)工期和節(jié)約施工成本具有重要的指導(dǎo)意義。本文將在大量室內(nèi)、外試驗的基礎(chǔ)上，對水泥改性膨脹土的膨脹率的影響因素進行探討。

3 試驗材料選擇與試驗方法

膨脹土采用南陽試驗段中膨脹土，自由膨脹率Fs為83%。試驗前，進行碎土處理，使其破碎后的土料粒徑≤10cm，且大于5mm粒徑的顆粒含量不超過50%。水泥采用中國聯(lián)合水泥集團有限公司南陽分公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽水泥（P.C32.5）?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》（JTGD30-2004）推薦膨脹土評判指標(biāo)為：自由膨脹率Fs≥40%，判定為膨脹土，中膨脹土的自由膨脹率Fs判別標(biāo)準(zhǔn)為：60≤Fs＜90。

按照《土工試驗規(guī)程》，水泥改性膨脹土自由膨脹率試驗方法氯離子滴定法，最大干密度采用輕型擊實試驗，不同壓力下的膨脹率試驗采用壓縮儀試驗測定。

4 水泥改性膨脹土膨脹率的影響因素分析

影響水泥改性膨脹土膨脹率的因素有多方面。水泥改性膨脹土的水泥摻加量、干密度、含水率、水泥與膨脹土的作用時間及外界壓力等因素，都會對水泥改性膨脹土的膨脹率有不同程度的影響。本文將針對影響水泥改性膨脹土的這些因素，通過一系列的試驗數(shù)據(jù)來分析揭示水泥改性膨脹土的特性與脹縮規(guī)律。

4.1室內(nèi)試驗

4.1.1不同水泥摻量下水泥改性土干密度表（見表1）

4.1.2擊實試驗前不同水泥摻量水泥改性土自由膨脹率表（見表2）

4.2水泥的摻加量對水泥改性膨脹土自由膨脹率的影響

水泥摻量的多少決定著水泥改性膨脹土的自由膨脹率的大小，提高水泥摻量可適當(dāng)提高水泥膨脹土的干密度、壓實度，相應(yīng)地可降低水泥改性膨脹土的自由膨脹率（見表3）。以水泥不同摻量為橫坐標(biāo)，以自由膨脹率為豎坐標(biāo)，擊實試驗前不同水泥摻量的自由膨脹率的變化曲線如圖1。由圖可知，當(dāng)水泥摻量為6%以上時，水泥改性膨脹土的自由膨脹率都能達(dá)到小于40%的要求，改性土符合非膨脹土的要求，或繼續(xù)增加摻加比例，自由膨脹率減小幅度不明顯，經(jīng)各方比選，6%的水泥摻量為水泥改性土的最佳摻加比例。

表1 不同水泥摻量下水泥改性土干密度表

4.3含水率對水泥改性膨脹土自由膨脹率的影響

膨脹土的脹縮變形與含水量的變化密切相關(guān)，吸水膨脹脫水收縮。改良后的水泥膨脹土和非膨脹土在對含水量的敏感性方面有較強的相似性?，F(xiàn)對水泥摻量6%的水泥改性膨脹土樣品，通過擊實試驗（25擊）和自由膨脹率試驗，分別尋找水泥改性膨脹土在不同含水量下的干密度和自由膨脹率。結(jié)果表明，6%摻量的水泥改性膨脹土隨著樣品含水率的增大，干密度呈現(xiàn)逐漸增大又減小的趨勢，最大干密度為1.62g/cm3，對應(yīng)的最佳含水量為20.3%，而自由膨脹率隨著含水率的增大而增大，增大幅度越來越小。

4.4作用時間對水泥改性膨脹土的自由膨脹率的影響

擊實試驗后，將水泥改性膨脹土樣放置一定時間，在1天、5天、10天、15天、20天和30天，分別測定2%、4%、6%、8%和10%水泥含量改性膨脹土的自由膨脹率，見表4。

表2 擊實試驗前不同水泥摻量下水泥改性土自由膨脹率表

表36%水泥摻量水泥改性膨脹土含水率、干密度和自由膨脹率表

表4 不同水泥摻量擊實后一定時間的自由膨脹率表

表5 各級壓力下的膨脹率表

以放置時間為橫軸，以自由膨脹率為縱橫，分別繪出各不同水泥摻量下的自由膨脹率變化曲線圖，如圖2。

根據(jù)上圖不同水泥摻量的水泥改性膨脹土的自由膨脹率的變化曲線可知，擊實后的不同時間進行試驗，隨時間增長，不同水泥摻量的水泥改性土自由膨脹率前10天逐漸減小，減小幅度很大，第10天達(dá)到極點，摻加6%水泥改性膨脹土料膨脹率最低為原土膨脹率的38.8%，降低61.2%，10天后自由膨脹率略有增加并逐漸趨于穩(wěn)定，變化幅度很小。說明水泥改性膨脹土摻合后應(yīng)盡早壓實，這樣有利于減小水泥改性膨脹土的膨脹率，降低其膨脹性。4.5不同壓力對水泥改性土膨脹率的影響

對6%摻量水泥改性土進行室外碾壓，經(jīng)室內(nèi)試驗，壓實度達(dá)到95%，符合設(shè)計要求，相應(yīng)最優(yōu)含水量20.6%,干密度1.62g/cm3,取試樣面積為3000mm2、高20mm的試樣3組，采用壓縮儀儀器，按土工規(guī)程要求做壓縮試驗，對試樣連續(xù)在 1～2 分鐘內(nèi)施加 0kPa、15kPa、30kPa、50kPa、80 kPa壓力，讀出各壓力下的百分表讀數(shù)。摻加6%的水泥改性膨脹土經(jīng)過碾實后，親水能力明顯降低，膨脹率隨壓力的增加而逐漸減小，無荷膨脹率約為改性前的30%,其最大膨脹力約為42kPa，通過試驗資料和校核，運用公式計算各級壓力的膨脹率，見表5。

5 結(jié)語

水泥改性膨脹土隨水泥的摻量增加而干密度、壓實度相應(yīng)增加，其自由膨脹率逐漸減小，從經(jīng)濟效益分析，最佳水泥摻量為6%，自由膨脹率為35%，比原土減少61%，對應(yīng)最優(yōu)含水量20.6%,干密度1.62g/cm3，改性后的水泥膨脹土達(dá)到了非膨脹土（膨脹率小于40%）的要求；隨著水泥改性土擊實后的作用時間延長，膨脹率逐漸減小，開始降幅較大，隨后降幅不明顯。施工中應(yīng)選擇改性后的10天內(nèi)施工，并盡早施工。由于水泥改性膨脹土隨壓力的增大而減小，設(shè)計中應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)，可適宜增加換填水泥改性土的厚度。膨脹率的影響因素很多，脹縮機理復(fù)雜，破解膨脹土處理難題仍屬具有世界前沿的重要課題。本文的研究成果對南水北調(diào)渠坡基礎(chǔ)的設(shè)計、施工等具有一定的參考價值,但由于受試驗條件的限制,對影響水泥改性膨脹土膨脹率的因素仍未能完全揭示,還有待于進一步研究完善■