水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)研究

魏讓鵬

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,蘭州 730000)

水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)研究

魏讓鵬

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,蘭州 730000)

根據(jù)實(shí)際工程中水泥改性膨脹土填筑壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，通過(guò)一系列擊實(shí)試驗(yàn)成果資料的對(duì)比分析，得出隨著膨脹土摻加水泥拌和后擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)間不同對(duì)最大干密度和最優(yōu)含水率的影響規(guī)律，提出了應(yīng)采用和現(xiàn)場(chǎng)碾壓工況相匹配的擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)，用于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，解決了施工填筑質(zhì)量的控制問(wèn)題。

水泥改性；膨脹土；擊實(shí)試驗(yàn)；作用機(jī)理；時(shí)間關(guān)系

0 前 言

膨脹土是一種典型的非飽和土，對(duì)環(huán)境的濕熱變化較敏感，具有顯著的吸水膨脹軟化和失水收縮開(kāi)裂的特性，對(duì)水利、公路、鐵路等工程建設(shè)的危害較大[1-2]。

在南水北調(diào)中線工程建設(shè)中，當(dāng)遇到膨脹土區(qū)段時(shí)，一般采用水泥改性膨脹土進(jìn)行換填，來(lái)保證挖方渠道的渠坡和渠堤填筑的抗滑穩(wěn)定性及抗?jié)B性等要求。水泥摻入膨脹土中后，會(huì)引起水泥的水解和水化反應(yīng)，產(chǎn)生水泥水化物，一部分水泥水化物與黏土顆粒相互作用。水泥水化物中的氫氧化鈣又與二氧化碳發(fā)生碳化作用，降低膨脹土的自由膨脹率，達(dá)到改良膨脹土的目的?？蓪⑵渥饔脵C(jī)理總結(jié)為以下3點(diǎn)。

(1) 團(tuán)粒作用：水泥水化反應(yīng)的膠凝產(chǎn)物將土顆粒粘接起來(lái)，提高土體穩(wěn)定性和耐水性。

(2) 離子交換作用：水泥與膨脹土發(fā)生離子交換作用改變了膨脹土顆粒與水分子作用力。

(3) 凝硬反應(yīng)和碳酸反應(yīng)：水泥凝硬反應(yīng)以及氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成耐水的碳酸鈣，提高膨脹土的強(qiáng)度[3]。

1 問(wèn)題的出現(xiàn)

南水北調(diào)中線一期工程總干渠禹州長(zhǎng)葛段工程位于河南省禹州市及長(zhǎng)葛市境內(nèi)，設(shè)計(jì)段長(zhǎng)53.7 km。其中，明渠長(zhǎng)52.323 km，建筑物長(zhǎng)1.377 km。本渠段工程分布的膨脹土共24.09 km，屬于中膨脹土和弱膨脹土，設(shè)計(jì)采用摻加水泥的方式進(jìn)行膨脹土換填處理。

水泥改性膨脹土在用于施工之前，必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)確定其最大干密度和最優(yōu)含水率，以此作為碾壓試驗(yàn)的參數(shù)和控制碾壓質(zhì)量的依據(jù)[4]。

在現(xiàn)場(chǎng)水泥改性膨脹土施工當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，在對(duì)碾壓完成的水泥改性膨脹土進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓實(shí)度有時(shí)不能滿足技術(shù)要求，即使在現(xiàn)場(chǎng)增加碾壓遍數(shù)也達(dá)不到指定的壓實(shí)度。針對(duì)這一現(xiàn)象，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室進(jìn)行水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)的分析比對(duì)，選擇合理的擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)來(lái)有效地指導(dǎo)施工就顯得尤為重要了。下面就南水北調(diào)中線工程總干渠禹州長(zhǎng)葛段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室所做的水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)為例，進(jìn)行深入的分析和探討。

2 試驗(yàn)材料選擇與試驗(yàn)方法

按照SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》中輕型擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

2.1 樣品選擇

(1) 土樣：在施工現(xiàn)場(chǎng)選取膨脹土樣，按照NSBD-ZGJ-1-37《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，土樣自由膨脹率不大于65%，篩除大于5 mm的顆粒含量，當(dāng)土料中姜石和礫石含量較多時(shí)測(cè)定其含量[5]。

(2) 改性材料：采用天瑞集團(tuán)許昌水泥有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。

2.2 水泥摻量

水泥改性膨脹土的水泥摻量根據(jù)天然土料膨脹特性，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)最終確定。本次擊實(shí)試驗(yàn)采用4%的水泥摻量。

2.3 試樣制備

采用干法制備，將膨脹土分為5組，并根據(jù)膨脹土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率，依次約相差2%的含水率配置土樣，每組5個(gè)，5組土樣的含水率配置相同，用公式計(jì)算出相應(yīng)的加水量[6]。按照4%的水泥摻量在膨脹土的總量中扣除，水泥的風(fēng)干含水率以0計(jì)，將每一級(jí)所需的用水量全部加到已扣除水泥重量的膨脹土中，拌和均勻并靜置24 h備用(在此期間不摻加水泥)。

2.4 擊實(shí)試驗(yàn)

按照水泥摻加到配置好的膨脹土中拌和后放置的時(shí)間不同，分為0.5、1、2、4和8 h五個(gè)時(shí)間段,按照試驗(yàn)步驟開(kāi)始試樣擊實(shí)，計(jì)算含水率和干密度，并繪制干密度和含水率關(guān)系曲線。水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，摻加水泥拌和后各時(shí)間段的擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1。

表1 水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖1 摻加水泥拌和后各時(shí)間段的擊實(shí)曲線圖

根據(jù)干密度和含水率的關(guān)系曲線得到摻加水泥拌和后各時(shí)間段的擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表2。

根據(jù)表2繪制水泥拌和時(shí)間與最大干密度和最優(yōu)含水率之間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2～3。

3 水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)比對(duì)分析

本次試驗(yàn)通過(guò)摻加水泥拌和后0.5、1、2、4和8 h的擊實(shí)試驗(yàn)比對(duì)，分析隨著摻加水泥拌和后擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)最大干密度和最優(yōu)含水率的影響。根據(jù)圖2、3所示，可將最大干密度和最優(yōu)含水率隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)發(fā)生的變化分為4個(gè)階段：

表2 各時(shí)間段水泥改性膨脹土擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)表

圖2 摻加水泥拌和后時(shí)間與最大干密度關(guān)系曲線圖

圖3 摻加水泥拌和后時(shí)間與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線圖

第1階段，在摻加水泥拌和后1 h內(nèi)的擊實(shí)試驗(yàn)。最大干密度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

第2階段，在摻加水泥拌和后1～2 h之間的擊實(shí)試驗(yàn)。最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

第3階段，在摻加水泥拌和后2～4 h之間的擊實(shí)試驗(yàn)。最大干密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

第4階段，在摻加水泥拌和后4～8 h之間的擊實(shí)試驗(yàn)。最大干密度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，最優(yōu)含水率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)的比對(duì)分析，可以看出水泥摻加拌和后的擊實(shí)參數(shù)在2～4 h之間變化的規(guī)律性較強(qiáng)，最大干密度有明顯下降趨勢(shì)，最優(yōu)含水率有明顯上升趨勢(shì)，在4 h之后，變化逐漸趨于穩(wěn)定。因此，水泥摻入膨脹土到擊實(shí)試驗(yàn)的完成時(shí)間宜控制在2～4 h之間，不宜超過(guò)4 h，在這個(gè)時(shí)間段的擊實(shí)參數(shù)能較為準(zhǔn)確地反映施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

建議在水泥改性膨脹土施工中，水泥拌和完成后及時(shí)鋪筑碾壓，碾壓完成后及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，水泥拌和到碾壓完成時(shí)間應(yīng)與擊實(shí)試驗(yàn)完成的時(shí)間接近，這樣才能保證所提供擊實(shí)參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓水泥改性膨脹土的壓實(shí)質(zhì)量控制起到指導(dǎo)作用。

[1] 熊海帆.膨脹土水泥改性試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[2] 劉志文. 膨脹土水泥改性拌和工藝研究與實(shí)踐[J].西北水電，2014，(01)：96-98，102.

[3] 薛麗皎.水泥改性膨脹土試驗(yàn)研究[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,(4):35-37.

[4] SL260-98,堤防工程施工規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,1998.

[5] NSBD-ZGJ-1-37,南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定[J].(試行) 2011.

[6] SL237-1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,1999.

Study on Compaction Test of Swelling Soil Modified by Cement

WEI Rang-peng

(Water Resources and Hydroelectric Investigation Design and Research Institute of Gansu Province, Lanzhou 730000, China)

In engineering practice, the compaction degree of the cement-modified soil cannot satisfy the design requirement. Through comparison and analysis on data of a series of compaction tests, the law impacting the maximum dry intensity and the optimum moisture content with different compaction duration after the soil being mixed with cement is derived. Parameters of the compaction tests matching the site compaction conditions to be applied are raised, which can be utilized to inspect the site compaction degree, providing the solution of the quality control of embankment construction.

property modified by cement; swelling soil; compaction test; function mechanism; time relationship

1006—2610(2015)02—0084—03

2015-03-15

魏讓鵬(1973- )，男，甘肅省蘭州市皋蘭縣人，工程師，主要從事混凝土工程試驗(yàn)、巖土工程試驗(yàn)和工程地質(zhì)勘測(cè)試驗(yàn)研究.

TV443.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.022