水泥改性膨胀土击实试验研究

魏让鹏

(甘肃省水利水电勘测设计研究院,兰州 730000)

水泥改性膨胀土击实试验研究

魏让鹏

(甘肃省水利水电勘测设计研究院,兰州 730000)

根据实际工程中水泥改性膨胀土填筑压实度达不到设计要求的问题，通过一系列击实试验成果资料的对比分析，得出随着膨胀土掺加水泥拌和后击实试验时间不同对最大干密度和最优含水率的影响规律，提出了应采用和现场碾压工况相匹配的击实试验参数，用于现场压实度检测，解决了施工填筑质量的控制问题。

水泥改性；膨胀土；击实试验；作用机理；时间关系

0 前 言

膨胀土是一种典型的非饱和土，对环境的湿热变化较敏感，具有显著的吸水膨胀软化和失水收缩开裂的特性，对水利、公路、铁路等工程建设的危害较大[1-2]。

在南水北调中线工程建设中，当遇到膨胀土区段时，一般采用水泥改性膨胀土进行换填，来保证挖方渠道的渠坡和渠堤填筑的抗滑稳定性及抗渗性等要求。水泥掺入膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物，一部分水泥水化物与黏土颗粒相互作用。水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧化碳发生碳化作用，降低膨胀土的自由膨胀率，达到改良膨胀土的目的。可将其作用机理总结为以下3点。

(1) 团粒作用：水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘接起来，提高土体稳定性和耐水性。

(2) 离子交换作用：水泥与膨胀土发生离子交换作用改变了膨胀土颗粒与水分子作用力。

(3) 凝硬反应和碳酸反应：水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙，提高膨胀土的强度[3]。

1 问题的出现

南水北调中线一期工程总干渠禹州长葛段工程位于河南省禹州市及长葛市境内，设计段长53.7 km。其中，明渠长52.323 km，建筑物长1.377 km。本渠段工程分布的膨胀土共24.09 km，属于中膨胀土和弱膨胀土，设计采用掺加水泥的方式进行膨胀土换填处理。

水泥改性膨胀土在用于施工之前，必须通过标准击实试验来确定其最大干密度和最优含水率，以此作为碾压试验的参数和控制碾压质量的依据[4]。

在现场水泥改性膨胀土施工当中发现，在对碾压完成的水泥改性膨胀土进行压实度检测时，会出现压实度有时不能满足技术要求，即使在现场增加碾压遍数也达不到指定的压实度。针对这一现象，在现场试验室进行水泥改性膨胀土击实试验的分析比对，选择合理的击实试验参数来有效地指导施工就显得尤为重要了。下面就南水北调中线工程总干渠禹州长葛段现场试验室所做的水泥改性膨胀土击实试验为例，进行深入的分析和探讨。

2 试验材料选择与试验方法

按照SL237-1999《土工试验规程》中轻型击实试验的试验步骤进行。

2.1 样品选择

(1) 土样：在施工现场选取膨胀土样，按照NSBD-ZGJ-1-37《南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定》规定，土样自由膨胀率不大于65%，筛除大于5 mm的颗粒含量，当土料中姜石和砾石含量较多时测定其含量[5]。

(2) 改性材料：采用天瑞集团许昌水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥。

2.2 水泥掺量

水泥改性膨胀土的水泥掺量根据天然土料膨胀特性，经室内试验最终确定。本次击实试验采用4%的水泥掺量。

2.3 试样制备

采用干法制备，将膨胀土分为5组，并根据膨胀土的塑限预估最优含水率，依次约相差2%的含水率配置土样，每组5个，5组土样的含水率配置相同，用公式计算出相应的加水量[6]。按照4%的水泥掺量在膨胀土的总量中扣除，水泥的风干含水率以0计，将每一级所需的用水量全部加到已扣除水泥重量的膨胀土中，拌和均匀并静置24 h备用(在此期间不掺加水泥)。

2.4 击实试验

按照水泥掺加到配置好的膨胀土中拌和后放置的时间不同，分为0.5、1、2、4和8 h五个时间段,按照试验步骤开始试样击实，计算含水率和干密度，并绘制干密度和含水率关系曲线。水泥改性膨胀土击实试验数据见表1，掺加水泥拌和后各时间段的击实曲线见图1。

表1 水泥改性膨胀土击实试验数据表

图1 掺加水泥拌和后各时间段的击实曲线图

根据干密度和含水率的关系曲线得到掺加水泥拌和后各时间段的击实试验参数，见表2。

根据表2绘制水泥拌和时间与最大干密度和最优含水率之间的关系曲线，见图2～3。

3 水泥改性膨胀土击实试验比对分析

本次试验通过掺加水泥拌和后0.5、1、2、4和8 h的击实试验比对，分析随着掺加水泥拌和后击实试验时间的延长对最大干密度和最优含水率的影响。根据图2、3所示，可将最大干密度和最优含水率随着试验时间延长发生的变化分为4个阶段：

表2 各时间段水泥改性膨胀土击实试验参数表

图2 掺加水泥拌和后时间与最大干密度关系曲线图

图3 掺加水泥拌和后时间与最优含水率关系曲线图

第1阶段，在掺加水泥拌和后1 h内的击实试验。最大干密度呈现上升趋势，最优含水率呈现下降趋势。

第2阶段，在掺加水泥拌和后1～2 h之间的击实试验。最大干密度呈现下降趋势，最优含水率呈现缓慢下降趋势。

第3阶段，在掺加水泥拌和后2～4 h之间的击实试验。最大干密度呈现下降趋势，最优含水率呈现上升趋势。

第4阶段，在掺加水泥拌和后4～8 h之间的击实试验。最大干密度呈现缓慢下降趋势，最优含水率呈现缓慢上升趋势。

4 结 语

通过击实试验的比对分析，可以看出水泥掺加拌和后的击实参数在2～4 h之间变化的规律性较强，最大干密度有明显下降趋势，最优含水率有明显上升趋势，在4 h之后，变化逐渐趋于稳定。因此，水泥掺入膨胀土到击实试验的完成时间宜控制在2～4 h之间，不宜超过4 h，在这个时间段的击实参数能较为准确地反映施工现场的实际情况。

建议在水泥改性膨胀土施工中，水泥拌和完成后及时铺筑碾压，碾压完成后及时进行现场压实度检测，水泥拌和到碾压完成时间应与击实试验完成的时间接近，这样才能保证所提供击实参数的准确性和可靠性，并对现场碾压水泥改性膨胀土的压实质量控制起到指导作用。

[1] 熊海帆.膨胀土水泥改性试验研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[2] 刘志文. 膨胀土水泥改性拌和工艺研究与实践[J].西北水电，2014，(01)：96-98，102.

[3] 薛丽皎.水泥改性膨胀土试验研究[J].陕西理工学院学报:自然科学版,2011,(4):35-37.

[4] SL260-98,堤防工程施工规范[S].北京：中国水利水电出版社,1998.

[5] NSBD-ZGJ-1-37,南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定[J].(试行) 2011.

[6] SL237-1999,土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社,1999.

Study on Compaction Test of Swelling Soil Modified by Cement

WEI Rang-peng

(Water Resources and Hydroelectric Investigation Design and Research Institute of Gansu Province, Lanzhou 730000, China)

In engineering practice, the compaction degree of the cement-modified soil cannot satisfy the design requirement. Through comparison and analysis on data of a series of compaction tests, the law impacting the maximum dry intensity and the optimum moisture content with different compaction duration after the soil being mixed with cement is derived. Parameters of the compaction tests matching the site compaction conditions to be applied are raised, which can be utilized to inspect the site compaction degree, providing the solution of the quality control of embankment construction.

property modified by cement; swelling soil; compaction test; function mechanism; time relationship

1006—2610(2015)02—0084—03

2015-03-15

魏让鹏(1973- )，男，甘肃省兰州市皋兰县人，工程师，主要从事混凝土工程试验、岩土工程试验和工程地质勘测试验研究.

TV443.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.022