改良膨胀土的拌和料质量指标

张官珍，谢 娟

（1.河南省河川工程监理有限公司，450016，郑州；2.河南省开封市水利工程施工总队，475000，开封）

河南省南阳地区土料大多具有膨胀性，自由膨胀率小于40%的非膨胀土料源非常少，且往往距离工地较远，现场施工受交通影响，因此在南水北调中线穿越南阳市膨胀土地区的渠段，普遍采用了水泥改性土换填或渠堤包边的膨胀土治理方式。水泥改性土填筑施工过程中，包括料场复勘、碎土、拌和、土料压实等工序，其中改性土料拌和和压实是评价水泥改性土填筑质量的主要指标。目前尚没有水泥改性土质量方面的技术标准，因此南水北调中线建设管理局发布了水泥改性土施工技术规定作为工程建设质量控制及评价的依据。在水泥改性土施工技术规定和南阳市段施工实践的基础上，本文对水泥改性土拌和质量指标进行系统分析，总结水泥改性土施工技术成果。

南水北调中线南阳市段工程水泥改性土拌和采用集中厂拌法施工。膨胀土改性拌和料施工质量管理包括7个过程：试验设计水泥掺量比，确定水泥掺量标准曲线，水泥改性土拌和试验确定设备运行控制参数，按确定的试验参数设置拌和称量系统土料、水泥和水的流速或掺量，拌和出料后采用EDTA滴定法测定水泥含量，采用水泥含量标准差判断均匀性，检测合格后运至工作面用于填筑。

一、膨胀改性拌和料相关质量要求

用于改性的原土料采用弱膨胀土，自由膨胀率在20%～65%之间，禁止使用中、强膨胀土。

采用强度等级为#42.5的普通硅酸盐水泥，拌和采用饮用水。

改性拌和前对土料进行破碎，要求土块粒径不大于10 cm，其中5～10 cm粒径含量不多于5%，5 mm～5 cm粒径含量不多于50%（不计礓石含量）。

采用EDTA滴定法测定水泥掺量平均值，该值均不小于设计掺量，标准差均不大于0.7。

二、水泥掺量比设计

在确定水泥掺量比试验前，首先对取土场进行地质复勘，按照水泥改性土技术规定的取样方法在土场制取试样，划分范围不大于100 m×100 m的开采片区，每片区竖向分层取样不少于9个。以南水北调中线南阳市段工程某土场为例，土场占地面积1 293亩（15亩=1 hm2），总储量230万m3，某取土片区土料自由膨胀率28%～49%，最大干密度1.57～1.69 g/cm3，数据分布范围广、无规律，完成试验后按照自由膨胀率大小排序、分组，取每组试样自由膨胀率平均值由小到大标记为A、B、C，A、C两组差值不大于20%。根据表1要求，选取自由膨胀率平均值最大的C组土料，按3%、4%、5%三种水泥掺量比，进行改性土混合料性能试验，并设计水泥掺量比。为便于项目现场管理，每个施工合同标段改性土水泥掺量比不宜超过两个。

三、水泥掺量施工配比计算方法

水泥改性土施工技术规定中的水泥掺量比与公路行业标准的水泥剂量算法不同，在《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）中，水泥剂量以水泥质量占全部粗细土颗粒（即砾石、砂粒、粉粒和粘粒）和干质量的百分率表示，即水泥剂量=水泥质量/干土质量。在水泥改性土施工技术规定中，水泥掺量比计算公式如下：

式中，Gs为掺入水泥重量，Gc为被改性土重量，S为水泥掺量百分数，ω0为在室内改性试验确定水泥掺量比时被改性土试验在改性拌和前含水率，ω为被改性土试验在改性拌和前含水率。

公式可推导为：

从公式（2）中可以看出，当被改性土在拌和前含水率（简称现场含水率）等于室内试验确定水泥掺量时拌和前的含水率（简称基准含水率），即ωω0=0，水泥掺量比公式为S=Gs/Gc，这种情况下与公路行业水泥剂量计算公式一致。

在施工过程中，在水泥掺量施工配比时应进行含水率修正系数计算。以南水北调中线南阳市段工程某土场Ⅰ区弱膨胀土土样为例，土场土料最大击实干密度1.74 g/cm3，最优含水量18.1%，水泥掺量比4%。假设室内试验确定水泥掺量比时拌和前最优含水率18.1%，分析拌和站现场最优含水率-2%～2%范围内1/（1+ω-ω0）含水率修正系数对水泥掺量比的影响，计算结果见表2，可以看出现场土料含水率在最优含水率-1%～1%范围内时，施工水泥掺量比与设计掺量比基本没有变化，超出这个土料含水率范围则对水泥掺量比有0.1%的影响，相对较大；拌和用土料含水率较最优含水率偏离越大，对改性土混合料水泥掺量比影响越大。

公式（1）中，ω0为室内试验确定水泥掺量比时拌和前的含水率，实际应为复核试验中被改性土在拌和前的含水率。由于姜石或砾石不需改性处理，被改性土中含有姜石或砾石，在水泥掺量比性能指标施工复核试验时，应进行剔除。为减少试验因素影响，在进行EDTA法测定水泥掺量比标准曲线试验和确定水泥掺量比试验设计时，用到的土样试样含水率宜控制在最优含水率的-1%～1%范围内。

施工过程中应区分清楚水泥掺量比和水泥用量这两个不同概念，如果混淆容易导致质量问题。假设现场土料含水率为21.1%，若不考虑含水率修正系数影响，其水泥与被改性土用量重量比为4∶96，实际应换算为4.1∶95.9，概念不清容易引起系统性错误。

表1 改性水泥掺量比室内试验控制指标参考值

表2 拌和前土料含水率与施工水泥掺量比关系

四、拌和料生产中的水泥掺量比检测

1.EDTA法测定水泥掺量比标准曲线试验

如图1，选取不同土料场、不同施工标段掺量比标准曲线成果进行比较，发现水泥掺量比越小，试验检测消耗的EDTA二钠量波动范围越小，试验对水泥掺量质量检测成果影响越小。设计水泥掺量比越大影响越大。水泥掺量比标准曲线不同，主要是受不同单位现场试验室取样和制样规范性，水泥品牌不同，土料颗粒种类变化等影响。作为检测水泥掺量比的基准EDTA试验，影响因素很多，各个操作步骤都应严谨，如发现异常应重新标定水泥掺量标准曲线。

2.室内EDTA法测定水泥掺量比时间关系试验

T 0809—2009水泥或石灰稳定材料中水泥或石灰剂量测定方法（EDTA滴定法）适用于水泥终凝前的水泥含量测定。《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中，要求普通硅酸盐水泥初凝不小于45 min，终凝不大于600 min。水泥改性土技术规定中，要求每层改性土填筑完成碾压后，宜在4 h内完成质量检测，在6～8 h内完成上土覆盖。

图1 EDTA法测定水泥掺量比标准曲线

图2 EDTA法测定水泥掺量比—时间关系

通过现场选取的土样绘制5%和10%水泥掺量比—时间关系曲线（图2），图中显示一种水泥掺量比的检测值随时间下降而下降，在拌和后的2 h内为稳定期，超过2 h且水泥掺量大于4%的改性土，EDTA滴定法测出的掺灰量随龄期发生明显衰减，试验成果印证了河海大学张星辰等水泥掺量测定龄期效应研究成果。所以现场施工改性土水泥掺量检测应及时进行，宜在拌和站出料口取料后立即完成试验检测，尽量减少试验偏差对质量控制的影响。

3.改性土拌和料生产中的质量指标

由于水泥掺量比测定受龄期效应影响，相比较而言，稳定土拌和站生产改性土时的配比控制更容易操作，并有预控作用。与混凝土拌和站不同，稳定土拌和站的水泥掺量施工配比，是通过控制水泥流量和补充水量的方法满足质量要求。以南水北调中线南阳市段工程某拌合工艺试验为例，其原土最佳含水率19.2%，最大干密度1.69 g/cm3；改性土最佳含水率20.7%，水泥剂量4%，最大干密度1.64 g/cm3；碎土后进行不同含水率原土的改性土拌制，试验成果见表3。

由于拌和过程中水泥的水化反应和现场含水量损失，拌和过程中需加水高于最优含水率4～5个百分点，拌和出的成品料宜稍高于最优含水量。从表3可以看出，拌和后改性土含水率在最佳含水率0%～3%之内，拌和后改性土水泥剂量在（4%±0.5%）的质量要求范围内。通过对不同原土含水率调整水泥掺量和加水量，对改性土水泥剂量影响变化不大，都在要求的3%～5%范围之内；水泥掺量和需加水量与原土含水率成反比，含水率越大水泥掺量和加水量越小，反之越大。

表3 水泥改性土拌制数据统计

五、讨 论

水泥改性土填筑连续施工对取土场土料含水率要求高。技术规定要求水泥改性土从拌和到试验检测完成，时间不能超过4个小时，下层覆盖不能超过8个小时。如果取土场土料含水率不在最优含水率范围内，水泥改性土就难以连续施工。如某标土料场天然含水率平均在23%（汛期高达27%），而土料填筑最优含水率在16.5%，由于土料含水率较高，现实中无法在6～8 h内完成下层施工。

水泥改性土接合层是填筑质量薄弱环节。改性土的变形特征因水泥掺量比不同处于不同的弹塑体区间，水泥掺量比越小，水泥改性土与土的性能接近，越大越容易产生脆性破坏，也就是说在水泥改性土填筑层出现时间间隔后，水泥掺量比越大其接合质量越难保证。工程实践中由于施工线长面广，在4%～5%水泥掺量比情况下出现了层间难以接合现象，在削坡后边角部位接合层出露明显。所以，渠道全断面换填的部位不宜采用改性土换填；对于渠堤，包边的改性土接合层质量对工程整体性影响较小部位，可采用水泥改性土换填。

掺加一定比例的水泥对膨胀土进行改良处理，已经是一项比较成熟的技术。改良后的土料用于渠堤填筑或基础处理时，其拌和质量是关键指标之一。南水北调中线建设管理局发布的水泥改性土技术规定在工程建设中起到了规范施工评价质量等作用，但也存在不完善之处。通过对改性土拌和料质量指标进行进一步系统分析、总结，为深入研究水泥改性土质量管理提供依据。

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