水泥摻量對膨脹土抗剪強(qiáng)度的改性影響

孫 超

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

膨脹土是一種具有失水收縮、遇水膨脹等工程特性的高塑性黏土[1]，其廣泛分布于六大洲40多個國家和地區(qū)，在我國20多個省、市、自治區(qū)如安徽省[2-3]、湖北省[4]及干旱、半干旱地區(qū)均有分布[5]。膨脹土主要由蒙脫石、高嶺石和伊利石等組成，而蒙脫石是引發(fā)膨脹土工程問題的主要成因。據(jù)20世紀(jì)80年代美國學(xué)者統(tǒng)計(jì)，截至1986年在美國因膨脹土問題造成的損失達(dá)70億美元，大于其他自然災(zāi)害損失的總和[5]。我國從20世紀(jì)50年代修建成渝鐵路開始，膨脹土被國內(nèi)學(xué)者廣為研究，其工程性質(zhì)差的成因源于其強(qiáng)脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性等特性。我國南水北調(diào)中線工程也涉及膨脹土地區(qū)，其造成的建筑物、構(gòu)筑物破壞類型復(fù)雜，且具有反復(fù)脹縮、強(qiáng)度降低特性和潛在性危險[6-7]。

1 膨脹土改性方法

在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時，通常采用物理、化學(xué)和生物等方法對膨脹土進(jìn)行相應(yīng)處理以降低或消除膨脹土的脹縮性，使處理后的土體擁有較小變形、較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以此來達(dá)到施工條件和要求。

物理方法主要有換填法、機(jī)械法、隔水法。對于工程量不大的基礎(chǔ)工程，可采用換填法；強(qiáng)夯法等機(jī)械法主要通過機(jī)械夯實(shí)提升膨脹土體干密度，減少含水率來提升膨脹土強(qiáng)度；隔水法以設(shè)置地下連續(xù)墻或土體格柵的形式來增強(qiáng)土體的摩阻力和咬合力，達(dá)到抑制土體脹縮的目的[8-9]。

化學(xué)方法主要是通過摻加有機(jī)或無機(jī)化學(xué)材料，使其與土體中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以減少膨脹土脹縮，常用的無機(jī)化學(xué)材料有水泥、粉煤灰、生石灰、熟石灰和水玻璃等[10]；常用的有機(jī)化學(xué)材料有丙烯酸鹽等。其廣泛用于鐵路路基加固，加固邊坡支護(hù)、樁基礎(chǔ)支撐荷載傳遞平臺等工程[11-12]。

常用的生物方法有土工織物改性法和植物改性法，用以達(dá)到護(hù)坡和防止滑坡的目的[13]。

2 材料與方法

本文中試驗(yàn)土樣取自南水北調(diào)中線一期引江濟(jì)漢工程渠道地區(qū)，其重塑土樣在25%配水率下的基礎(chǔ)物理特性見表1。選取M32.5級水泥對重塑土樣進(jìn)行改性后，測量其抗剪強(qiáng)度并與未經(jīng)改性的土樣對比，探究M32.5級水泥對于重塑土樣的改性效果及其改性機(jī)理。

表1 原狀重塑土在25%配水率下的基礎(chǔ)物理性質(zhì)

試驗(yàn)步驟如下：首先，將原狀土樣放入DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干，用粉碎機(jī)粉碎并研磨后，用篩子篩選出粒徑小于等于0.3mm的膨脹土顆粒，分別混合占土樣總質(zhì)量5%、9%、11%、13%的M32.5級水泥，配成質(zhì)量為600g、25%配水率(水與混合土粉末質(zhì)量之比為1 ∶4)的水泥改性土樣。其中，膨脹土粉末用托盤去皮稱量，M32.5級水泥用玻璃板去皮稱量，配水用噴霧瓶去皮稱量。在制作完樣本后，立即進(jìn)行直剪試驗(yàn)。先用凡士林涂抹環(huán)刀內(nèi)壁，再用環(huán)刀取出直徑61.8mm、高20mm的樣本，將環(huán)刀里的土樣兩面各放一片濾紙和一塊透水石，緩慢將土樣壓入ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀的剪切盒中，隨后，分別在直剪儀的砝碼盤上添加相應(yīng)質(zhì)量的砝碼，在土樣上方施加大小分別為50kPa、100kPa和200kPa的垂直壓力σ，然后轉(zhuǎn)動手輪，以0.8mm/min的剪切速度對土樣進(jìn)行直剪，觀察應(yīng)變?nèi)ι系陌俜直磙D(zhuǎn)動，當(dāng)其出現(xiàn)峰值時，記錄下讀數(shù)R，此時，認(rèn)為土樣被剪壞，但依舊進(jìn)行剪切直至剪切位移達(dá)到4mm時停止。若剪切位移在4mm內(nèi)未出現(xiàn)峰值，則剪切至剪切位移6mm時停止，若剪切位移在4～6mm間出現(xiàn)峰值，則記錄峰值時百分表讀數(shù)R；若剪切位移在4～6mm間仍未出現(xiàn)峰值，記錄下剪切位移為6mm時的百分表讀數(shù)R。其他平行試驗(yàn)的土樣放入保鮮袋中密封，放入SHBY-60B型恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)機(jī)中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為恒溫15℃、濕度為98%，在養(yǎng)護(hù)時間為1d、3d、7d、28d后以上述相同的試驗(yàn)方法剪切試樣并記錄數(shù)據(jù)。最后土樣的剪切強(qiáng)度由式(1)算得，其中，τf為土樣的抗剪強(qiáng)度，K為應(yīng)變?nèi)ο禂?shù)，本文中取1.534，R為每組剪切試驗(yàn)百分表讀數(shù)。

τf=KR

(1)

3 試驗(yàn)結(jié)果與機(jī)理分析

3.1 養(yǎng)護(hù)時間對改性土抗剪強(qiáng)度的影響

圖1展示的是5%～13%水泥摻量改性后的膨脹土土樣在50kPa、100kPa、200kPa垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度，由圖可知抗剪強(qiáng)度與垂直壓力基本成線性關(guān)系，滿足庫侖定律。在0d養(yǎng)護(hù)時間下，5%～13%水泥摻量的改性土的抗剪強(qiáng)度變化范圍分別為27.61～55.22kPa、33.75～70.59kPa、35.28～73.63kPa和35.28～72.10kPa。而在經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)后，5%～13%水泥摻量的改性土的抗剪強(qiáng)度變化范圍分別為98.18～187.15kPa、144.20～248.51kPa、164.14～266.92kPa和182.55～286.86kPa，改性效果顯著，提升幅度約為養(yǎng)護(hù)前的4倍，同一水泥摻量改性土的抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大。

圖1 不同水泥摻量改性土在不同垂直壓力下抗剪強(qiáng)度曲線

圖2展示的是5%～13%水泥摻量改性后的膨脹土土樣在不同養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)的抗剪強(qiáng)度，強(qiáng)度提升最快的養(yǎng)護(hù)時間段為0～1d，提升最慢的養(yǎng)護(hù)時間段為7～28d，即養(yǎng)護(hù)前期抗剪強(qiáng)度提升快，養(yǎng)護(hù)后期抗剪強(qiáng)度提升較慢。養(yǎng)護(hù)7d后的抗剪強(qiáng)度已能達(dá)到養(yǎng)護(hù)28d后抗剪強(qiáng)度的50%以上，表明水泥的改性作用主要是由于水泥的水化作用產(chǎn)生凝膠體，起到連接土顆粒從而增加強(qiáng)度的作用。

圖2 不同水泥摻量改性土在不同養(yǎng)護(hù)時間下抗剪強(qiáng)度曲線

3.2 水泥摻量對改性土抗剪強(qiáng)度的影響

圖3為養(yǎng)護(hù)28d后不同水泥摻量改性土與未改性重塑土的抗剪強(qiáng)度比較，由圖3可知，水泥改性土在養(yǎng)護(hù)28d后，相同垂直壓力條件下，5%水泥摻量改性土與未改性重塑土相比，抗剪強(qiáng)度有了顯著的提升；隨著摻量的增大，水泥改性土的抗剪強(qiáng)度仍有提升，但提升幅度不斷減少?？傮w來說，水泥摻量越大，水泥改性土的抗剪強(qiáng)度越高，相對于未改性重塑土改性效果越好。

圖3 養(yǎng)護(hù)28d后不同水泥摻量改性土與未改性重塑土抗剪強(qiáng)度比較

圖4揭示了抗剪強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系，相同垂直壓力條件下，隨著水泥摻量的增大，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，成近似線性關(guān)系，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出圖中曲線，為其他水泥摻量改性后的膨脹土提供了剪切強(qiáng)度的預(yù)測范圍。此外，隨著垂直壓力的增大，曲線斜率越大，意味著在相對較高的垂直壓力情況下，水泥摻量對改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響越大。

圖4 抗剪強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系

3.3 改性機(jī)理

應(yīng)用庫侖定律，即公式(2)，其中c是黏聚力，φ是內(nèi)摩擦角，黏聚力為抗剪強(qiáng)度—垂直壓力曲線在y軸上的截距，內(nèi)摩擦角為抗剪強(qiáng)度—垂直壓力曲線的斜率，根據(jù)圖1可計(jì)算出養(yǎng)護(hù)28d后的改性土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，見表2。對比未經(jīng)改性的重塑土樣，黏聚力由10.5kPa提升至68.5～147.8kPa，約提升7～15倍，這是由于水泥水化作用后產(chǎn)生的凝膠體附著在土顆粒間，經(jīng)過水泥養(yǎng)護(hù)后的硬化，對土顆粒產(chǎn)生巨大的膠結(jié)作用；此外，內(nèi)摩擦角由5.6°提升至30.7°～34.8°，約提升6倍，一方面，是由于養(yǎng)護(hù)后硬化的水泥增加了顆粒間的粗糙程度，另一方面，是由于水泥在水化過程中消耗土樣中自由水及黏土顆粒中的結(jié)合水，減弱了水分在顆粒間的潤滑作用。同時，測得改性后土樣的塑限、液限計(jì)算得到的塑性指數(shù)，塑限由20.8%大幅提升至40.5%～43.6%，而液限由63.5%小幅下降至44.6%～57.3%，見表2，說明水泥改性主要對土樣塑限影響較大；根據(jù)Holtz&Gibbs提出的膨脹土分類標(biāo)準(zhǔn)[14]，改性后的膨脹土類型為弱膨脹土，改性效果明顯。

τf=c+σtanφ

(2)

4 結(jié) 論

膨脹土由于其遇水脹縮的特性，易造成建筑工程的安全事故。本文選取南水北調(diào)中線一期引江濟(jì)漢工程渠道地區(qū)的膨脹土樣，通過對M32.5水泥摻量分別為5%～13%的改性土樣與未經(jīng)改性的重塑土樣直剪試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，同一水泥摻量下的改性土其抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而增大，養(yǎng)護(hù)前期抗剪強(qiáng)度提升快，養(yǎng)護(hù)后期抗剪強(qiáng)度提升較慢；此外，水泥摻量越大，水泥改性土的抗剪強(qiáng)度越高，相對于未改性重塑土改性效果越好，且垂直壓力越大，水泥摻量對改性膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響越大。水泥改性膨脹土的機(jī)理主要是水泥的水化作用能產(chǎn)生起到膠結(jié)作用的凝膠體，且該凝膠體經(jīng)養(yǎng)護(hù)后硬化增加了土顆粒間的粗糙程度，此外，水化作用還消耗土體中自由水及黏土顆粒中的結(jié)合水，減少了水分在顆粒間起到的潤滑作用，從而提升膨脹土的抗剪強(qiáng)度。本文為引江濟(jì)漢工程提供膨脹土改性方案可行性的理論依據(jù)，同時，具體施工過程中采用的水泥型號及摻量需綜合考慮經(jīng)濟(jì)及環(huán)境因素進(jìn)行調(diào)整。