引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程弱膨脹土水泥改性配方實(shí)驗(yàn)

李 峰 姚開想 吳建濤 施賽杰 李國(guó)維

（1.安徽省投資集團(tuán)控股有限公司 安慶 246000 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210098 3.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所 南京 210098）

1 引言

膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性黏土礦物成分組成的特殊土，其中的黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石等礦物組成，具有吸水膨脹崩解、失水收縮干裂和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘性土。膨脹土分布范圍廣泛，且由于膨脹土特殊的工程特性，使膨脹土地區(qū)的建筑、鐵路、公路、水利工程等經(jīng)常遭受嚴(yán)重的破壞，全球每年因膨脹土的工程問(wèn)題而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。20世紀(jì)80年代以前，在對(duì)因膨脹土造成經(jīng)濟(jì)損失的估算中，全世界每年的損失超過(guò)了50億美元，中國(guó)每年因膨脹土工程災(zāi)害中造成的直接損失也在數(shù)億元以上。因此膨脹土引起的工程問(wèn)題及相應(yīng)的解決方法日益受到人們的重視。

引江濟(jì)淮工程是集供水、航運(yùn)、灌溉等功能于一身的大型綜合水利工程，全線輸水總長(zhǎng)1048.68km，且須經(jīng)過(guò)大量膨脹土地區(qū)，膨脹土具有反復(fù)脹縮、裂隙發(fā)育、易崩解的特性，反復(fù)的脹縮變形會(huì)使土體產(chǎn)生方向不一的裂隙，在雨水及其他自然環(huán)境的影響下，水體會(huì)不斷沿著這些裂隙下滲，從而使土體強(qiáng)度降低，這是膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要原因之一。為保證邊坡穩(wěn)定性及渠道的正常使用，必須對(duì)膨脹土區(qū)段加以改良。

在實(shí)際工程中，常用的膨脹土改良方法是摻石灰、水泥、粉煤灰等，本文依托引江濟(jì)淮工程，采用水泥作為改性劑，選取引江濟(jì)淮工程典型膨脹土，通過(guò)對(duì)水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期等指標(biāo)的控制，對(duì)改性土進(jìn)行了自由膨脹率、液塑限、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、摻加水泥后不同時(shí)間段擊實(shí)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，揭示了水泥對(duì)膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料取自合肥引江濟(jì)淮工程，土樣為黃夾灰白土樣，自由膨脹率53%，屬于弱膨脹土，測(cè)得其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1，水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥P.C32.5。

取代表性土樣，風(fēng)干后碾碎過(guò)篩，采用濕摻法進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，水泥摻量分別為0、2%、3%、4%、5%、7%（摻入水泥的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值），每個(gè)摻灰比做兩次擊實(shí)計(jì)算其干密度，取兩次平均值作為該土樣的干密度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

在擊實(shí)試驗(yàn)得到不同水泥摻量下改性土干密度的基礎(chǔ)上，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（SL237-1999）制備試樣。用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣采用擊樣法制樣，擊實(shí)桶尺寸Φ50mm×130mm，試樣尺寸為Φ50mm×90mm。將試樣放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到1d、3d、7d及28d養(yǎng)護(hù)齡期后即進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后破壞的試樣進(jìn)行液塑限及自由膨脹率試驗(yàn)。

表1 膨脹土基本物理力學(xué)指標(biāo)表

表2 改性土最大干密度與最優(yōu)含水率表

表3 素土及改性土自由膨脹率表

表4 素土及改性土不同齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表

表5 不同悶料時(shí)間改性土擊實(shí)特性表

圖1 素土及改性土自由膨脹率與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖

圖2 素土及改性土液限與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖

圖3 塑性指數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系圖

圖4 素土及改性土不同養(yǎng)護(hù)齡期下無(wú)側(cè)限壓強(qiáng)度圖

圖5 摻加水泥拌合后不同時(shí)間擊實(shí)特性圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 自由膨脹率

水泥摻量0、2%、3%、4%、5%、7%水泥改性土養(yǎng)護(hù)齡期1d、3d、7d及28d后自由膨脹率見(jiàn)表3，自由膨脹率與摻灰率關(guān)系見(jiàn)圖1。

由圖1可知，未摻加水泥前，膨脹土自由膨脹率為53%，水泥摻量2%、養(yǎng)護(hù)齡期28d改性土自由膨脹率已降至36%，自由膨脹土較素土有明顯降低，隨著摻灰率和養(yǎng)護(hù)齡期的增大，改性土自由膨脹率進(jìn)一步降低且養(yǎng)護(hù)齡期7d和28d改性土自有膨脹率近似呈直線下降。養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到3d時(shí)各摻灰比改性土自由膨脹率降到40%以下，已不屬于膨脹土范圍，水泥改性效果明顯。

3.2 界限含水率

界限含水率及塑性指數(shù)是反應(yīng)黏土與水相互作用靈敏性的指標(biāo)，在一定程度上反映了土的親水性能，是估價(jià)土的工程特性的主要參數(shù)。改性土液限、塑性指數(shù)與摻灰率的關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3。

圖2和圖3表明，改性土的液限及塑性指數(shù)均比素土低，當(dāng)摻灰率和養(yǎng)護(hù)齡期增加時(shí)，改性土的液限與塑性指數(shù)也隨之降低，且養(yǎng)護(hù)齡期7d和28d時(shí)，改性土液限和塑性指數(shù)與摻灰率有較好的線性相關(guān)關(guān)系。通常膨脹土都有高液限的特征，即WL＞50%，從試驗(yàn)結(jié)果可知，摻灰率3%養(yǎng)護(hù)齡期3d改性土液限小于50%，水泥可很好地改善膨脹土的親水性。

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是土體在無(wú)側(cè)向壓力條件下抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，是反應(yīng)改性土體后物理力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)指標(biāo)之一。改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰率的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4表明，摻加水泥后，改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土有明顯提高，養(yǎng)護(hù)齡期7d及28d時(shí)，隨摻灰率的增加，改性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度近似呈線性增大。3d養(yǎng)護(hù)齡期摻灰率2%、4%、5%比同一摻灰率1d養(yǎng)護(hù)齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小，表明在膨脹土水泥改性的初期，其力學(xué)性能尚不穩(wěn)定，改良過(guò)程是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。工程弱膨脹素土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是0.44MPa，經(jīng)28d養(yǎng)護(hù)齡期摻灰率7%水泥改性后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大到1.77MPa，表明摻灰率及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高有重要意義。3.4水泥初凝時(shí)間影響

膨脹土水泥改性施工中，由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件、自然環(huán)境因素等影響，水泥拌和完成后往往不能及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回填鋪筑碾壓，受水泥初凝時(shí)間的影響，不同時(shí)間鋪筑碾壓的改性土其干密度也不盡相同。本研究通過(guò)一系列擊實(shí)試驗(yàn)得出隨著膨脹土摻加水泥拌合到擊實(shí)完成時(shí)間不同對(duì)最大干密度和最優(yōu)含水率的影響規(guī)律，從而為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)提供相匹配的擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)。水泥摻量為5%，在膨脹土中摻加5%水泥攪拌均勻后分別放置 0、0.5h、1h、2h及4h后進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到膨脹土摻加水泥后放置不同時(shí)間的最優(yōu)含水率和最大干密度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，改性土最優(yōu)含水率和最大干密度與悶料時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖5。

由圖5可知，在摻加水泥拌合后1h內(nèi)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)。在摻加水泥拌合后1～4h內(nèi)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)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，受水泥初凝時(shí)間的影響，不同時(shí)間段擊實(shí)的改性土其最大干密度和最優(yōu)含水率也不盡相同，因此水泥拌和完成后應(yīng)盡快進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回填鋪筑碾壓，壓實(shí)度檢測(cè)時(shí)應(yīng)選取同時(shí)間段的擊實(shí)參數(shù)，這樣才能對(duì)改性土的壓實(shí)質(zhì)量控制起到指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

本文選取引江濟(jì)淮典型膨脹土，通過(guò)自由膨脹率、液塑限、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、不同時(shí)間段擊實(shí)等室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)膨脹土水泥改性效果進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）在膨脹土中摻加水泥后，改性土自由膨脹率、液限、塑性指數(shù)均減小了，且隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改性土自由膨脹率、液限、塑性指數(shù)進(jìn)一步減小。在膨脹土中摻加水泥能夠有效抑制其膨脹性、改善膨脹土親水性能，且隨著摻灰率和養(yǎng)護(hù)齡期的增大，改性效果越明顯。

（2）摻加水泥后，改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較素土有明顯提高，且隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，改性土強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但是在改性初期，改性土強(qiáng)度波動(dòng)較大，表明水泥對(duì)膨脹土的改性是一個(gè)復(fù)雜的、長(zhǎng)期的過(guò)程。

（3）水泥拌和完成后應(yīng)及時(shí)鋪筑碾壓，壓實(shí)度檢測(cè)時(shí)應(yīng)選取同時(shí)間段的擊實(shí)參數(shù)，這樣才能對(duì)改性土的壓實(shí)質(zhì)量控制起到指導(dǎo)作用