水泥改性膨胀土膨胀率试验研究

梁 剑 史振防 田进宽

（1河南省沙颍河涡河近期治理工程建管局 漯河 462003 2黄河咨询监理有限责任公司 郑州 450000）

1 引言

膨胀土是土中粘粒成份，主要由亲水性强的蒙脱石、伊利石和高岭土等矿物成分组成,吸水后体积膨胀，失水干缩，具有超固结性和多裂隙性,是一种具有膨胀结构的高液限粘土。南水北调中线总干渠，穿越南阳膨胀土地区渠长279.7km，占南水北调中线总干渠总长的22.5%。如何破解膨胀土渠坡处理的这一技术难题，建立一套适合膨胀土渠道开挖及处理的施工技术与工艺，对于南水北调中线工程具有重要的意义。

2 水泥改性膨胀土膨胀率试验研究的目的

膨胀土掺加水泥进行改性是为了消除膨胀土的膨胀性对渠坡的破坏影响，而膨胀土的胀缩是由膨胀率来体现的，所以研究水泥改性膨胀土的膨胀率是一个重要的突破点。通过试验，水泥改性膨胀土的膨胀率是由水泥的掺加量、水泥膨胀土作用时间、含水量及外约束力的因素决定的。因此，加强对水泥改性膨胀土的膨胀率试验方法的研究，合理选择水泥掺量、最佳的含水量及把握施工中的合理碾压时间对降低工程投资、缩短建设工期和节约施工成本具有重要的指导意义。本文将在大量室内、外试验的基础上，对水泥改性膨胀土的膨胀率的影响因素进行探讨。

3 试验材料选择与试验方法

膨胀土采用南阳试验段中膨胀土，自由膨胀率Fs为83%。试验前，进行碎土处理，使其破碎后的土料粒径≤10cm，且大于5mm粒径的颗粒含量不超过50%。水泥采用中国联合水泥集团有限公司南阳分公司生产的复合硅酸盐水泥（P.C32.5）。《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）推荐膨胀土评判指标为：自由膨胀率Fs≥40%，判定为膨胀土，中膨胀土的自由膨胀率Fs判别标准为：60≤Fs＜90。

按照《土工试验规程》，水泥改性膨胀土自由膨胀率试验方法氯离子滴定法，最大干密度采用轻型击实试验，不同压力下的膨胀率试验采用压缩仪试验测定。

4 水泥改性膨胀土膨胀率的影响因素分析

影响水泥改性膨胀土膨胀率的因素有多方面。水泥改性膨胀土的水泥掺加量、干密度、含水率、水泥与膨胀土的作用时间及外界压力等因素，都会对水泥改性膨胀土的膨胀率有不同程度的影响。本文将针对影响水泥改性膨胀土的这些因素，通过一系列的试验数据来分析揭示水泥改性膨胀土的特性与胀缩规律。

4.1室内试验

4.1.1不同水泥掺量下水泥改性土干密度表（见表1）

4.1.2击实试验前不同水泥掺量水泥改性土自由膨胀率表（见表2）

4.2水泥的掺加量对水泥改性膨胀土自由膨胀率的影响

水泥掺量的多少决定着水泥改性膨胀土的自由膨胀率的大小，提高水泥掺量可适当提高水泥膨胀土的干密度、压实度，相应地可降低水泥改性膨胀土的自由膨胀率（见表3）。以水泥不同掺量为横坐标，以自由膨胀率为竖坐标，击实试验前不同水泥掺量的自由膨胀率的变化曲线如图1。由图可知，当水泥掺量为6%以上时，水泥改性膨胀土的自由膨胀率都能达到小于40%的要求，改性土符合非膨胀土的要求，或继续增加掺加比例，自由膨胀率减小幅度不明显，经各方比选，6%的水泥掺量为水泥改性土的最佳掺加比例。

表1 不同水泥掺量下水泥改性土干密度表

4.3含水率对水泥改性膨胀土自由膨胀率的影响

膨胀土的胀缩变形与含水量的变化密切相关，吸水膨胀脱水收缩。改良后的水泥膨胀土和非膨胀土在对含水量的敏感性方面有较强的相似性。现对水泥掺量6%的水泥改性膨胀土样品，通过击实试验（25击）和自由膨胀率试验，分别寻找水泥改性膨胀土在不同含水量下的干密度和自由膨胀率。结果表明，6%掺量的水泥改性膨胀土随着样品含水率的增大，干密度呈现逐渐增大又减小的趋势，最大干密度为1.62g/cm3，对应的最佳含水量为20.3%，而自由膨胀率随着含水率的增大而增大，增大幅度越来越小。

4.4作用时间对水泥改性膨胀土的自由膨胀率的影响

击实试验后，将水泥改性膨胀土样放置一定时间，在1天、5天、10天、15天、20天和30天，分别测定2%、4%、6%、8%和10%水泥含量改性膨胀土的自由膨胀率，见表4。

表2 击实试验前不同水泥掺量下水泥改性土自由膨胀率表

表36%水泥掺量水泥改性膨胀土含水率、干密度和自由膨胀率表

表4 不同水泥掺量击实后一定时间的自由膨胀率表

表5 各级压力下的膨胀率表

以放置时间为横轴，以自由膨胀率为纵横，分别绘出各不同水泥掺量下的自由膨胀率变化曲线图，如图2。

根据上图不同水泥掺量的水泥改性膨胀土的自由膨胀率的变化曲线可知，击实后的不同时间进行试验，随时间增长，不同水泥掺量的水泥改性土自由膨胀率前10天逐渐减小，减小幅度很大，第10天达到极点，掺加6%水泥改性膨胀土料膨胀率最低为原土膨胀率的38.8%，降低61.2%，10天后自由膨胀率略有增加并逐渐趋于稳定，变化幅度很小。说明水泥改性膨胀土掺合后应尽早压实，这样有利于减小水泥改性膨胀土的膨胀率，降低其膨胀性。4.5不同压力对水泥改性土膨胀率的影响

对6%掺量水泥改性土进行室外碾压，经室内试验，压实度达到95%，符合设计要求，相应最优含水量20.6%,干密度1.62g/cm3,取试样面积为3000mm2、高20mm的试样3组，采用压缩仪仪器，按土工规程要求做压缩试验，对试样连续在 1～2 分钟内施加 0kPa、15kPa、30kPa、50kPa、80 kPa压力，读出各压力下的百分表读数。掺加6%的水泥改性膨胀土经过碾实后，亲水能力明显降低，膨胀率随压力的增加而逐渐减小，无荷膨胀率约为改性前的30%,其最大膨胀力约为42kPa，通过试验资料和校核，运用公式计算各级压力的膨胀率，见表5。

5 结语

水泥改性膨胀土随水泥的掺量增加而干密度、压实度相应增加，其自由膨胀率逐渐减小，从经济效益分析，最佳水泥掺量为6%，自由膨胀率为35%，比原土减少61%，对应最优含水量20.6%,干密度1.62g/cm3，改性后的水泥膨胀土达到了非膨胀土（膨胀率小于40%）的要求；随着水泥改性土击实后的作用时间延长，膨胀率逐渐减小，开始降幅较大，随后降幅不明显。施工中应选择改性后的10天内施工，并尽早施工。由于水泥改性膨胀土随压力的增大而减小，设计中应尽量避免薄壁结构，可适宜增加换填水泥改性土的厚度。膨胀率的影响因素很多，胀缩机理复杂，破解膨胀土处理难题仍属具有世界前沿的重要课题。本文的研究成果对南水北调渠坡基础的设计、施工等具有一定的参考价值,但由于受试验条件的限制,对影响水泥改性膨胀土膨胀率的因素仍未能完全揭示,还有待于进一步研究完善■