淺談水泥改性土性質(zhì)與時間的關(guān)系

陳克政 唐 愷 馬 瑞

一、工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠陶岔～沙河南（委托建管項(xiàng)目）方城段第三施工標(biāo)段，起點(diǎn)設(shè)計樁號138+551～145+651，渠段長度為7.1km。該標(biāo)段以半挖半填為主，土石方開挖約359.5萬m3，渠堤加高部分為“金包銀”。土石方填筑約113.3萬m3，其中水泥改性土回填約63萬m3。

二、問題的提出

該地區(qū)最典型的土質(zhì)就是膨脹土。膨脹土是土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土，性質(zhì)極不穩(wěn)定，常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞。根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，當(dāng)土料的自由膨脹率為36%～45%時，按4%摻加水泥進(jìn)行改性，該標(biāo)段4%摻量水泥改性土的壓實(shí)度要求大于98%，水泥改性土的碾壓時間要求小于4h。

在該標(biāo)段前期水泥改性土的碾壓試驗(yàn)過程中，壓實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計要求，超過一定的碾壓遍數(shù)后，壓實(shí)度逐漸降低，碾壓試驗(yàn)結(jié)果見表1。

三、原因分析

經(jīng)過試驗(yàn)分析，該區(qū)段土的自由膨脹率為40.0%，粉粒含量64.4%，粘粒含量29.4%，土類定名為粉質(zhì)壤土，不易碾壓密實(shí)；當(dāng)摻加一定量的水泥后，土料中的粉粒含量增加，粘粒含量相對降低，土料為顆粒級配不良；并且當(dāng)碾壓時間和擊實(shí)時間不同時，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)用土料沒有完全反應(yīng)現(xiàn)場碾壓時的水泥改性土的情況，故壓實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計要求。

根據(jù)改性土試驗(yàn)技術(shù)要求“擊實(shí)試驗(yàn)要在0.5～1.0h左右完成，超過1h的試驗(yàn)應(yīng)予作廢”；這個時間水泥的水化反應(yīng)剛剛開始，擊實(shí)效果最佳，因此最大干密度也達(dá)到了最大值，但是在水泥改性土的填筑過程中，從拌和、運(yùn)輸、整平、到碾壓完成在3～4h左右，用試驗(yàn)技術(shù)所要求的試驗(yàn)結(jié)果來控制現(xiàn)場壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際施工現(xiàn)場水泥拌和后延遲3～4h才碾壓完畢的情況不相符，導(dǎo)致壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計要求。

四、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)工藝調(diào)整

根據(jù)上述出現(xiàn)的情況，試驗(yàn)室對水泥摻量4%的改性土擊實(shí)試驗(yàn)過程進(jìn)行了調(diào)整，配制不同含水率的素土樣浸潤靜置24h后，然后摻加4%的水泥延時2h、3h、4h進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，隨著擊實(shí)延遲時間的增長，水泥改性土最大干密度在1h最大，之后隨著時間的增長而顯著降低；最優(yōu)含水率則隨時間的增長而增大，2h試驗(yàn)結(jié)果變化最大，4h后變化緩慢，該次試驗(yàn)采用的宛北散裝P.O425水泥，初凝時間130min，終凝時間210min；上述結(jié)果反映出摻加水泥2h后的水泥正處于開始失去塑性時期，對土粒變化影響最大，最大干密度降至1.67g/cm3，最優(yōu)含水率增至20.4%；碾壓試驗(yàn)段的水泥改性土的摻量為4%，試驗(yàn)得到的最大干密度是1.69g/cm3，最優(yōu)含水率為18.1%，試驗(yàn)時間為0.5～1h，現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)就是用這個數(shù)據(jù)控制的，依據(jù)此時段試驗(yàn)結(jié)果確定的最大干密度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，現(xiàn)場壓實(shí)度不易滿足設(shè)計要求。

若采用與現(xiàn)場相符合的4h延遲時間所得最大干密度1.66g/cm3來控制壓實(shí)度，檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，可以看出強(qiáng)震10遍或弱震8遍的壓實(shí)度均能滿足設(shè)計要求。

水泥的初凝時間對水泥改性土的壓實(shí)也有顯著的影響，可使用初凝時間在4～6h的水泥進(jìn)行水泥改性土的拌合施工。

表3可以看出強(qiáng)震12遍和弱8強(qiáng)6遍時的壓實(shí)度顯著降低，說明該土料不宜隨意增加碾壓遍數(shù)，以免出現(xiàn)過度碾壓，給改性土填筑質(zhì)量帶來不利影響，在現(xiàn)場施工控制過程中亦應(yīng)該嚴(yán)格控制碾壓遍數(shù)。

表1 水泥改性土碾壓試驗(yàn)結(jié)果表

表2 土料延時擊實(shí)試驗(yàn)成果表

表3 水泥改性土碾壓試驗(yàn)成果表

表4 4%改性土削坡余料表

五、改性土削坡余料試驗(yàn)

在施工過程中改性土鋪料時需要超填水平寬度不小于75cm，改性土削坡余料總量為88937.15m3，通過削坡余料室內(nèi)試驗(yàn)對改性土后期性質(zhì)進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)用料141+000～141+600段4%削坡余料，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定4%削坡余料技術(shù)參數(shù)。按SL-237-1999方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀輕型擊實(shí)法，單位體積擊實(shí)功能為592.2kJ/m3。

原改性土的土料料源來自渠道開挖，水泥參量為4%，改性前自由膨脹率為29%～58%改性后自由膨脹率為22%～29%，采用改性土拌和機(jī)（MWCB-400）進(jìn)行拌制，拌合后土料的含水率為18.1%，最大干密度為1.69g/cm3。通過削坡余料室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性土在數(shù)月后的改性土最大干密度1.64g/cm3＜1.69g/cm3，檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，從后期削坡土的試驗(yàn)進(jìn)一步論證了時間與干密度的關(guān)系。

六、結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥改性土隨擊實(shí)延遲時間的增長，最大干密度降低而最優(yōu)含水率增加。因此，水泥改性土施工中，采用與現(xiàn)場碾壓時間不符的擊實(shí)試驗(yàn)所獲得的最大干密度來控制壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計要求，一味地增加碾壓遍數(shù)，反而造成壓實(shí)度逐漸降低。如果室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)采用與現(xiàn)場相符合的碾壓時間進(jìn)行，用相應(yīng)的最大干密度作為控制壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，較為科學(xué)合理，壓實(shí)度能夠滿足設(shè)計要求■