淺析引江濟(jì)漢工程水泥改性土路拌法工藝試驗

李小兵，王 焱，余 偉

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430064)

1 工程概況

引江濟(jì)漢工程作為南水北調(diào)中線水源區(qū)四大補(bǔ)償性工程之一，是從長江荊江河段附近引水至漢江興隆河段，補(bǔ)濟(jì)漢江下游流量的一項大型輸水工程，干渠全長67.23km。干渠中段從太湖港至西荊河(樁號7+400～55+800)為崗波狀、垅崗狀平原地貌，屬于長江、漢江的二級階地，堆積物為Q3老黏土，為膨脹土分布區(qū)，全長48.4km，占渠線總長的72%，其中弱偏中及中膨脹土渠段長17.376km，占總長的25.8%。膨脹土多呈層狀交錯分布，開挖過程中土料混雜，不易分離。

2 路拌法工藝試驗的目的

膨脹土改性有路拌和廠拌兩種方法，其中廠拌法由于采用碎土機(jī)碎土、電腦控制投放水泥、拌和機(jī)攪拌等專職設(shè)備，水泥在改性土中的均勻性較好，改性土自由膨脹率降低，質(zhì)量可靠。不足之處是前期設(shè)備投入較大、單價高、效率較低、占地面積大，單套設(shè)備難以滿足高峰期施工強(qiáng)度要求，而路拌法其施工工藝相對簡單，設(shè)備通用，同時可根據(jù)進(jìn)度要求多點施工，相比廠拌法而言，路拌改性土的均勻性、壓實度及改性后的膨脹率能否得到有效控制是試驗工藝必須解決的三個問題。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 基本要求

(1)主要機(jī)械設(shè)備：所用機(jī)型應(yīng)為市場上常見的旋耕機(jī)械，通用性良好，可根據(jù)各標(biāo)段自身情況自由選擇。本次路拌試驗選定機(jī)型為WB-5000-6型，設(shè)計拌和寬度1.58m、10～12個刀片、拌和深度設(shè)計值20～30cm；20t振動碾。

(2)試驗材料：符合國標(biāo)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；后期用于施工的開挖膨脹土料。

(3)試驗檢測項目：①土料天然含水量、自由膨脹率、最優(yōu)含水率、最大干密度等；②現(xiàn)場取樣檢測土料破碎后顆粒級配：>10cm，10～5cm，5cm～5mm；③對每組試驗的改性土采用室內(nèi)EDTA滴定試驗，以開始摻入水泥后0.5h、2h、4h、6h、12h為時間參變量繪制水泥含量標(biāo)準(zhǔn)曲線；④對每組試驗改性土取樣，通過室內(nèi)擊實試驗，確定改性土最優(yōu)含水率、最大干密度；⑤對不同水泥摻量的改性土取樣檢測12h、24h、2d、3d、4d、5d、6d、7d自由膨脹率。

3.2 試驗流程及方法

路拌工藝試驗流程如圖1所示。

圖1 路拌試驗流程圖

為了掌握改性土的顆粒級配組成及與碎土次數(shù)的關(guān)系，為后期施工提供參考，在試驗過程中，特別增加了篩分這個環(huán)節(jié)。

現(xiàn)場準(zhǔn)備孔徑為10cm、5cm、5mm三種土工篩，第一遍破碎完成后，在試驗區(qū)均勻取樣3組，每組重約1t，采用篩分法進(jìn)行檢測，根據(jù)《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》，初擬級配要求：最大粒徑不大于10cm，10～5cm粒徑含量不大于5%，5cm～5mm粒徑含量小于50%。如第一遍破碎后粒徑檢測不滿足要求，再進(jìn)行一遍破碎并檢測。檢測成果見詳表1。

表1 素土破碎后篩分結(jié)果一覽表 單位：%

試驗表明，在碎土及篩分過程中，同等條件下，發(fā)現(xiàn)弱膨脹土、混合料較中膨脹土易于破碎，獲得更多的小顆粒含量；大于5cm的顆粒含量少，而經(jīng)過多次碎土后5cm～5mm粒徑含量無法達(dá)到規(guī)定要求比例。

3.3 試驗后檢測結(jié)果

經(jīng)過現(xiàn)場不同標(biāo)段、不同時間、不同土料的4次獨立試驗，同時由湖北正平及中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)兩家獨立的第三方檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場同時取樣，各自出具檢測報告，最終的檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。從自由膨脹率隨水泥改性齡期的變化規(guī)律可以看到：

(1)未添加水泥時，混合土的自由膨脹率為62%，中膨脹土的自由膨脹率分別為74%、78%，均在膨脹土膨脹等級的界定范圍內(nèi)。

(2)同種膨脹土，摻水泥含量越高改性效果越好。

(3)膨脹土改性后的自由膨脹率應(yīng)該是隨著時間的增加而降低，圖中出現(xiàn)反復(fù)，說明試樣中水泥含量均勻性存在差異，但仍屬可控范圍。

圖2 地質(zhì)大學(xué)測定的兩種摻量自由膨脹率結(jié)果圖

圖3 湖北正平測定的兩種摻量自由膨脹率結(jié)果圖

3.4 土體顆粒對試驗結(jié)果的影響

在試驗過程中，我們還發(fā)現(xiàn)水泥含量的均勻性、改性土自由膨脹率與土料顆粒粒徑級配關(guān)系密切，即使是在同一試塊中取回的同一袋土，在檢測其自由膨脹率時，選取不同顆粒大小的土樣進(jìn)行測試，多組試驗說明土顆粒粒徑與自由膨脹率成反比關(guān)系。比較來看，中等偏大的團(tuán)粒樣結(jié)果較中等顆粒水泥土高7個百分點左右，盡管如此，偏大團(tuán)粒樣的總體值仍在40%以下。這說明盡管水泥含量均勻性上稍差，但是總體來說膨脹性能仍然得到了有效控制。這一現(xiàn)象進(jìn)一步說明了在施工過程中要盡可能經(jīng)過碎土產(chǎn)生更多小顆粒含量的重要性及改性作用的顯著性。

基于此，在進(jìn)行水泥土自由膨脹率檢測時，為了能真實反映實際改性效果，必須選擇有“代表性土顆粒大小”的樣品，這直接影響著檢測結(jié)果的科學(xué)性和可信程度，該次試驗既不選取很大的水泥土團(tuán)粒，亦不選取很細(xì)的土顆粒，基本能反映水泥拌和土整體破碎顆粒分布狀態(tài)和膨脹性的整體水平。

表2 改性土碾壓試驗檢測結(jié)果

路拌施工中，由于受破碎拌和機(jī)作業(yè)能力及現(xiàn)場土樣含水狀態(tài)的影響，均會導(dǎo)致膨脹土難于均勻破碎至充分與水泥顆粒有效接觸的程度，影響了水泥與土團(tuán)粒內(nèi)部黏土礦物的充分作用，從而導(dǎo)致自由膨脹率指標(biāo)降低程度發(fā)生明顯差異。從現(xiàn)場試驗觀察及室內(nèi)試驗結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，混合料拌和程度好，破碎粒徑較中膨脹土小，從而導(dǎo)致混合料在水泥改性后，膨脹率降低速率及程度均比中膨脹土明顯。

3.5 碾壓試驗結(jié)果

試驗采用20t振動碾碾壓，進(jìn)退錯距法和“靜壓-弱振-強(qiáng)振”碾壓方式，進(jìn)退錯距50cm。碾壓時先靜壓1遍，然后弱振1遍，再強(qiáng)振2遍、4遍、6遍后分別進(jìn)行環(huán)刀取樣，測定含水率、壓實度及干密度。碾壓后測量試驗區(qū)高程與碾壓前測量高程比較，計算沉降量。

每個試驗小塊同時進(jìn)行，碾壓至設(shè)定的遍數(shù)后在填筑層下部約1/3處取樣，測其干密度及含水率，單個試驗小區(qū)每次取樣數(shù)為6個，按規(guī)范測算出試樣的干密度及填筑層體的壓實度。

多組試驗表明，不管是哪組摻量的水泥改性土，在靜壓2遍、振碾2遍、4遍、6遍的條件下，累計相對沉降率分別在26%、30%及32%左右。靜壓2遍、振碾4遍后壓實度均在0.96以上，干密度在1.6g/cm3左右；同時層間結(jié)合面較好。碾壓試驗檢測結(jié)果詳見表2。

3.6 試驗結(jié)果分析

(1)根據(jù)以上試驗檢測結(jié)果來看，經(jīng)過不停的探索與工藝改進(jìn)，結(jié)合引江濟(jì)漢工程自身特點，該工程在膨脹土路拌法施工工藝條件下，按照弱膨脹土和中膨脹土混合土料摻加4%的水泥，中膨脹土土料摻加6%的水泥，嚴(yán)格中間過程控制，在土料破碎充分的條件下，是可以滿足膨脹土改性“水泥改性土壓實度不小于0.96；水泥改性土改性后自由膨脹率小于40%”的技術(shù)要求的。

(2)對于原先提出的土料破碎后粒徑的控制指標(biāo)“改性土料源破碎后土料粒徑要求為：最大粒徑不大于10cm，10～5cm粒徑含量不大于5%，5cm～5mm粒徑含量小于50%”的要求，由于受到土料含水率、旋耕機(jī)刀片間距、旋耕機(jī)刀片轉(zhuǎn)速等一系列因素的影響，這一指標(biāo)在路拌法施工中很難達(dá)到。但是經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格按照試驗指導(dǎo)意見進(jìn)行施工后，改性土的自由膨脹率和壓實度均能夠滿足要求，所以我們根據(jù)試驗的實際情況對土料破碎后的粒徑要求進(jìn)行了調(diào)整。最終將膨脹土路拌法施工中土料顆粒級配的要求確定為：最大粒徑不大于10cm，10～5cm的粒徑含量不大于5%。并且只將這一指標(biāo)作為現(xiàn)場施工中的中間控制性指標(biāo)，不作為最終的硬性檢測指標(biāo)。

(3)總體來看，路拌法與廠拌法相比較，最大的區(qū)別有三個方面：一是土料的顆粒級配組成，廠拌法由于進(jìn)行過粗碎及碎土機(jī)的細(xì)碎，小于5mm粒徑的小顆粒含量較高，而路拌法由于只采用了路拌機(jī)的翻耕“破碎”，在各級配顆粒含量上與之存在差異；二是水泥含量的均勻分布上存在差別，廠拌法是細(xì)微顆粒含量較高、機(jī)械投撒、拌和均勻，路拌法由人工撒布，帶梨刀的路拌機(jī)翻拌，致使水泥分布均勻性稍差，但仍能有效降低其膨脹性；三是廠拌法受設(shè)備制約改性土生產(chǎn)強(qiáng)度相對較低，路拌法可多點同時施工。

4 主要結(jié)論及成果

正是根據(jù)路拌法生產(chǎn)性試驗成果，針對路拌法存在的客觀不利因素，我們要求在改性土施工過程中，必須做到參建各方如建辦、監(jiān)理、質(zhì)檢及設(shè)計等單位有關(guān)人員在各改性土作業(yè)面現(xiàn)場監(jiān)督、加強(qiáng)現(xiàn)場質(zhì)量管理、嚴(yán)格操作工藝，將路拌法改性過程中的差別及不足降低到最小程度。按照質(zhì)量要求對各填筑面取樣試驗，發(fā)現(xiàn)均能滿足“改性土壓實度不小于0.96，自由膨脹率小于40%”的技術(shù)要求，足以說明路拌法改性在引江濟(jì)漢工程中的應(yīng)用是成功的。

同時對比集中廠拌工藝，路拌法施工靈活性高，工程費用低，前期無需大量投資及新增臨時占地新建拌合區(qū)，可根據(jù)現(xiàn)場需要多作業(yè)面同時開工，避免了由于廠拌法供料不足形成瓶頸而影響工期的情況發(fā)生，因此，路拌法工藝可為同類工程施工提供借鑒。