水泥改性膨胀土施工工艺关键技术

刘 鸣，刘 军，龚壁卫，牟 伟

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710016)



水泥改性膨胀土施工工艺关键技术

刘 鸣1，刘 军1，龚壁卫1，牟 伟2

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710016)

针对膨胀土水泥改性处理施工技术中出现的问题，在总结相关文献及参考石灰改性膨胀土工法的基础上，通过膨胀土水泥改性施工工艺现场试验，对施工中3个关键技术(开挖料高含水率速降、开挖料超径土团破碎、改性土填筑施工时效性)进行了系统研究。对于现场施工中采用的破碎机、旋耕机、条筛、机械组合等碎土施工工法，分析比较了土团破碎效果、工程适用性以及水泥掺拌均匀程度；总结得出了膨胀土含水率速降施工方法、土团破碎施工方法以及水泥改性土填筑施工要求。研究成果可为改性膨胀土工程施工工艺提供借鉴。

水泥改性膨胀土；施工工艺；含水率速降；土团破碎；EDTA滴定

1 研究背景

针对膨胀土矿物化学组成与微结构，为改善其不良工程特性，通常处理方法有换土法、湿度控制法、桩基础法和化学改良法，其中化学改良法是通过在膨胀土中掺加有机类或无机类改良剂，降低膨胀土的膨胀性[1]。目前使用较多的无机类改良剂有石灰、水泥等。

近年来随着膨胀土研究的发展，在改良膨胀土方面所取得的技术进展主要有：石灰改性膨胀土，使膨胀土的性能大为改善，将改性后的膨胀土作为公路路基填料，满足规范要求[2]；粉煤灰改性膨胀土改善了膨胀土的不良特性[3]；水泥改性膨胀土的胀缩特性试验表明，水泥改性对降低膨胀潜势有显著效果。无侧限抗压强度、压缩等力学性质试验表明，水泥改性能起到抑制膨胀土强度软化、模量减小等作用[4]；在石灰、普通水泥改良膨胀土比较研究中，得出水泥改性膨胀土拌和施工工艺较石灰改性困难，但改性效果比石灰土要明显[5]等结论。

上述技术为膨胀土的改性提供了多种方式，但在现场施工工艺方面还缺少研究，主要有以下2个方面的原因：

(1) 膨胀土开挖料进行水泥掺拌施工中，较为困难的是拌合的均匀性。这主要受2个因素影响，一是开挖土料含水率偏高，可达32%以上，水泥掺拌时，水泥易聚集，不易分布均匀；二是开挖土料常存在大量20～40 cm超径土团，膨胀土属于高液限黏土，透水性差，水泥掺拌的过程中，土团内部无法掺入水泥。

(2) 水泥改性土碾压施工，不同于常规土方填筑，要控制好碾压填筑施工时间，历时过长，易破坏改良土颗粒胶结强度，同时增加土料含水率损耗，影响压实密度等。

膨胀土开挖料高含水率和大量超径土团是直接影响改性剂拌和均匀的主要因素。在文献[6]与文献[7]论著中，提到石灰改良膨胀土采用路拌法的“二次掺灰”施工工艺，基本解决了开挖料高含水率降低和超径土团破碎的难题。所谓“二次掺灰”施工工艺，简单来说就是掺灰分2次进行，第1次掺少量灰使膨胀土砂化，易于土团破碎和降低土料含水率，然后在此基础上再进行第2次掺灰。该施工工艺仍存在费工、费时、易破坏土颗粒胶结结构等问题。

南水北调工程涉及膨胀土(岩)地层长达380 km，需要进行膨胀土改性。如果土料含水率降得过低、土团破碎过细，则需要投入过高的施工成本。如果借鉴“二次掺灰”施工工艺，对于如此大的工程量，难以保证施工进度、施工质量要求。鉴于此，国家“十二五”科技支撑计划“南水北调中线工程膨胀土和高填渠道建设关键技术研究与示范”项目中将“膨胀土水泥改性处理施工技术”(2011BAB10B05)专门列入子课题，从而开展施工工艺研究。2012—2013年期间，在河南省镇平1标(桩号52+100至64+100)开展了水泥改性处理施工工艺的现场试验研究，主要内容为水泥改性施工中含水率速降、土团破碎、改性土搁置(或闷料)时间等施工工艺。本文介绍该项试验研究的基本情况和成果，并总结出了一套膨胀土改性施工方法。

2 含水率速降施工工艺

开挖土料含水率高，通常采用自然翻晒降低含水率方法，比如：在多风地段采用“土堆过风法”；在土料场，采用“犁耕法”就地晾晒，然后再按犁耕深度进行开挖；在土料场，开挖“通风槽”，加速土体失水。现场试验表明，如果采用自然翻晒降低土料含水率，一昼夜也仅能降低3%，效率较低。

为了提高翻晒的效率、加快土料含水率降低的速度，引用了一种旋耕机进行翻晒试验(见图1)，取得了显著的效果。旋耕机属耕耘使用的农具，与拖拉机配套一次完成耕、耙、翻晒、碎土作业。旋耕机安装的刀头长15 cm，间距30 cm，具有较强翻晒、碎土能力。现场试验按场地约20 m×20 m，单次循环作业间隔时间约40 min，旋耕土有效深度约15 cm，铺土厚度20 cm，其成果如表1所示。

图1 现场试验旋耕机碎土翻晒Fig.1 Smashing large size of soil aggregate by rotavator and tedding soil in sunshine

温度/℃翻晒遍数含水率/%试验间隔时间23～28028.4226.1423.2621.7820.01019.81219.0整个试验累积耗时约8h,单次循环间隔40min

试验表明土料为直接开挖料，起始含水率为28.4%，排除大气温度差异，旋耕机翻晒0,2,4,6,8,

图2 旋耕机旋耕遍数与土料含水率关系Fig.2 Relationship between moisture content of soil and rotary times of rotavator

10,12遍，分别检测翻晒土块级配和含水率，整个试验累积耗时8 h完成。当旋耕翻晒第8遍时，土料含水率已降至20.0%，接近该土料塑限值，耗时5～6 h。再进一步翻晒开挖土料，含水率继续降低却很有限，如翻晒12遍的含水率相对翻晒8遍仅降低1.0%。

此外，现场施工时可根据图2得到任何含水率对应的翻晒次数，亦即可得到某土料需降低含水率所需旋耕翻晒的次数和耗时，这对于工程施工具有一定的指导意义。

3 超径土团破碎施工工艺

3.1 开挖土料基本情况

开挖膨胀土料存在大量超径尺土团，如图3所示，经现场取代表性土样进行筛分，测得团径分布曲线如图4所示。团径是指土团最短边的长度。从其平均线看，>100 mm超大团径占总质量60%以上，<5 mm仅为5%左右。

图3 膨胀土料开挖超径尺土团Fig.3 Oversize soil aggregate in the excavation of expansive soil

图4 开挖土料土团团径分布曲线Fig.4 Grading curves of excavated soil

经检测，开挖土料天然含水率为21.0%～32.6%，黏粒含量为36.5%，塑性含水率Wp=21%，塑性指数为24.6，自由膨胀率为50%，最大干密度为1.71 g/cm3，最优含水率为20%。

3.2 机械碎土

3.2.1 破碎机功效

现场采用的土壤破碎机为XTP-600A型铣削式破碎机(图5)，设计碎土功效200～300 m3/h，其工作原理是在高速旋转的破碎刀鼓上安装多组拆卸式硬质合金刀头，对土块进行高速铣削，并达到强制筛分的目的。

图5 XTP-600A型铣削式土壤破碎机Fig.5 XTP-600A soil crusher with milling cutter

现场试验表明，如将开挖土料直接输入到破碎机碎土，极易造成机械堵塞，功效低下，如图6所示。主要有2个方面的原因：①超大土团易造成料斗卡死，机械无法连续运转；②碎土机械内高速旋转的破碎刀鼓上安装的是刀头，由于土料含水率高，土块、土团多，易将高塑性土挤压成面饼状导致机器堵死。

图6 XTP-600A型铣削式土壤破碎机料斗淤堵Fig.6 The stucked hopper of XTP-600A soil crusher by soil aggregate

试验中进行了土料含水率与破碎机功效试验，料源是利用旋耕机翻晒后含水率逐步降低的碎土，成果汇总如表2所示。

表2 旋耕机翻晒遍数、含水率、破碎机功效汇总

可见，当旋耕机翻晒遍数增至8遍，含水率降低至20.0%，低于土料塑限值，破碎机功效达到100 m3/h；当含水率降低至19%，破碎机功效达到150 m3/h，仍低于设计碎土额定功效200 m3/h。也就是说，采用破碎机碎土，要求土料含水率至少要低于塑限Wp以下，如要实现满负荷碎土功效，土料含水率应要降低至Wp-2%以下。

3.2.2 拌和机功效

现场采用WC600型拌和机进行水泥拌和施工，如图7所示。拌和原理类似碎土机，机械在拌和过程实际上也有一定程度碎土功效。现场试验表明，掺拌土料含水率不能超过Wp+2%，一方面拌和机由于黏土相互依附、粘连，使机械负荷过重易导致电机烧毁，机械时常清理，生产效率低下；另一方面含水率过高，水泥拌和不易均匀。为了达到拌和机生产功效(120 m3/h)，土料进入拌和机前含水率应控制在塑限Wp以下。

图7 WC600型拌和机Fig.7 WC600 mixer

3.3 旋耕机碎土

在进行旋耕机翻晒试验时，土料含水率降低同时，土团得到破碎，各翻晒遍数下土团团径分布如图8所示。

图8 旋耕机碎土前后土团团径分布曲线Fig.8 Grading curve of soil aggregate before and after the breakage by rotavator

试验成果表明：开挖料土团团径分布，以>50 mm团径含量为主，占73%，而50～5 mm和<5 mm含量则分别为23%和4%。当旋耕机旋耕翻晒4遍后，>50 mm团径含量降至20%，50～5 mm土团团径含量为69%，<5 mm含量为17%；当旋耕机翻晒8遍后，中间团径50～5 mm含量达79%，>50 mm含量仅4%；当旋耕机翻晒10遍以上，基本没有>50 mm团径含量。由此说明，旋耕机在粉碎50 mm以上超大土团团径方面效果明显，粉碎后的团径以中间团径50～5 mm含量为主。当旋耕机翻晒6遍以上后，土团团径进一步破碎细化的效果开始减缓。

3.4 条筛碎土

如上所述，旋耕机翻晒12遍以上，土料含水率降低19%以下，碎土机碎土功效可提高到200 m3/h，碎土功效仍然不高。为此，现场试验还尝试采用了另一种碎土工法——条筛碎土施工。

条筛为工型钢蓖结构，筛网间距10 cm，长6 m、宽4 m、高5 m。图9为型钢条筛施工图。施工原理为：利用反铲抓斗提升高度，将土料抛下，自重过筛，使土块、泥团经条筛碰撞进行粉碎。开挖料土块通过条筛破碎后，基本上没有团径大于100 mm的团块，条筛碎土前后土团团径分布曲线如图10和表3所示。

图9 型钢条筛现场施工图Fig.9 Site construction of steel strip sieve

图10 条筛碎土前后土团团径分布曲线Fig.10 Grading curves of soil aggregate before and after the breakage by strip sieve

试验成果表明，就土团团径分布的平均线而言，比较开挖料>100 mm,100～50 mm,50～5 mm土团团径含量分别为60%,12%,23%，条筛碎土后，>100 mm土团团径含量降为0，团径含量主要集中在50～5 mm

表3 条筛碎土、旋耕机翻晒土团分布成果对比

范围，含量为73%，与旋耕机翻晒6～8遍土团团径分布曲线基本接近。条筛碎土工法最大优点是使开挖土料超大团径土团快速破碎，但降低含水率很有限，因此要求条筛碎土，土料含水率应控制在Wp+2%以下。

3.5 机械组合碎土

3.5.1 旋耕机+破碎机

旋耕机翻晒碎土虽然能大大减少土团超大团径土量，但对50～5 mm中间团径进一步破碎细化有限，因此开挖料在旋耕机翻晒基础上，与破碎机组合再进行粉碎，试验成果如图11和表4所示。

图11 破碎机碎土后土团团径分布曲线Fig.11 Grading curves of soil aggregate after breakage by crusher

成果表明：开挖土料含水率降低至20%以下，再进行碎土机碎土，破碎土团团径集中在50～5 mm范围，<5 mm团径含量增加。如，当旋耕机翻晒8遍再进行破碎机破碎，>50 mm土团含量已降至0，50～5 mm团径含量从79%减少到65%，<5 mm团径含量从17%增至35%；当旋耕机翻晒12遍进行破碎机破碎，50～5 mm团径含量从79%减少到51%，<5 mm团径含量从18%增至49%。随着旋耕机翻晒遍数的进一步增加，50～5 mm团径含量减少幅度及<5 mm团径增加幅度均呈现增大趋势，进一步说明旋耕机翻晒后，土料含水率降低，破碎机功效得到发挥。

表4 破碎机碎土前后土团团径分布成果对比

3.5.2 条筛+拌和机

拌和机进行水泥掺拌同时，土团也得到破碎，图12绘制了拌和机碎土前后级配曲线。

图12 拌和机碎土前后土团团径分布曲线Fig.12 Grading curves of soil blocks before and after the breakage by mixer

成果表明：根据图12级配曲线，就平均线而言，条筛下20～10 mm团径含量31%，拌和机拌和后降为16%；<10 mm团径含量，从拌和前44%增加为65%；<5 mm团径含量，从拌和前17%增加为37%，说明经拌和机拌和水泥后，土料土团团径细化10%～20%。

3.6 均匀性验证

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[8]，掺拌水泥或石灰稳定材料，其剂量的测定方法采用EDTA滴定。EDTA二钠是乙二胺四乙酸二钠(Ethylene Diamine Tetra Acetic Acid Disodium Salt)的简称，分子式为C10H14N2Na2O8。EDTA二钠易溶于水，且与多种金属离子形成十分稳定的混合物，是一种重要的络合剂。在进行EDTA滴定测试时，EDTA二钠消耗量反映了Ca2+的含量，而Ca2+的含量又反映了土料改良剂含量，并呈线性关系。

膨胀土掺拌改性剂均匀程度，可采用标准差评定判定，即根据一组EDTA滴定测试剂量数据值，再进行标准差计算，判定其是否满足均匀标准。标准差是反映数据离散程度最常用的一种量化形式，是表示精确度的重要指标，即反映出大部分数值和其平均值之间差异性，标准差越大，说明数据离散程度越大，反映到改良剂掺量就越不均匀。目前水泥改性膨胀土施工，设计规定标准差评定值为：弱膨胀土≤0.7，中膨胀土≤0.5。

按上述剂量测定方法和均匀性评判标准，分别对第3.3节旋耕机翻晒8遍土料和3.4节条筛碎后土，掺拌4%水泥，进行6组以上EDTA滴定测试剂量，标准差计算为0.8～1.0。由于试验用料为弱膨胀土，按≤0.7的标准，判定不满足掺拌均匀要求，说明仅采用旋耕机和条筛碎土，虽能一定程度破碎开挖料超大团径土团和降低含水率，但破碎程度仍不够，不足以使水泥掺拌达到均匀。如果将旋耕机翻晒或条筛碎土+机械碎土组合，碎土后同样掺4%水泥，进行EDTA滴定标准差评定，其结果均在0.2～0.6范围，低于标准值0.7。由此，说明机械组合碎土后，土料团径和含水率能满足水泥掺拌均匀性要求。

4 水泥改性土施工时效性

由于水泥掺入土体中会产生一系列物理化学反应形成改性土，如果改性土到碾压填筑阶段搁置(或闷料)时间过长，会影响土体强度特性，主要原因是水泥水化反应产生的，附着在颗粒表面凝胶物质在压实过程会破坏土颗粒胶结，这对改性土碾压填筑后强度、密度极为不利。另外，土料在掺灰后水泥土化学反应产生大量的热量，加速了水分蒸发，这种蒸发对土的含水率损失比自然蒸发更为严重。因此，如果改性土搁置(或闷料)时间过长，到碾压填筑时，土体含水率难以保持在最优含水率附近，就直接影响到碾压密实程度。

4.1 试验方案

水泥改性土料拌和后到开始碾压施工，分别按2，3，4，5，6 h搁置时间进行，施工碾压机具为20 t凸块振动碾，碾压虚铺30 cm，每时段均碾压6遍即检测密度、含水率。具体试验方案见表5，图13显示现场施工场景。

4.2 成果分析

试验成果如图14所示，水泥改性土搁置4 h干密度、含水率开始出现明显下降，搁置6 h后下降开始加速，干密度从1.74 g/cm3降到1.7 g/cm3，相差0.04 g/cm3；含水率从22.7%降至20.9%，减少近2%；如果搁置时间从6 h延至8 h，2 h内干密度将减小近0.05 g/cm3，含水率下降近1.9%。由此可见，为避免水泥拌和搁置时间过长，而导致改性土料砂化严重和含水率损失，水泥拌和后改性土应在4 h内完成碾压填筑施工。

表5 改性土施工时效碾压试验参数组合

图13 时效性试验现场碾压场景Fig.13 Test of time effect of in-situ rolling compaction

图14 水泥改性土填筑施工搁置时间与干密度、含水率关系Fig.14 The relations of time interval of cement mixing and rolling compaction for expansive soil vs. dry density and water content

5 结 语

通过现场试验，对水泥改性施工中开挖土料高含水率降低方法、土团破碎方法、水泥拌合均匀性和水泥改性土施工时效性等施工技术和工艺进行了初步的研究，得到以下认识和结论：

(1) 含水率速降施工方法。自然翻晒降低土料含水率速度较慢，采用旋耕机法，按20 m×20 m场地，开挖土料初始含水率从25%～28%，一次作业时间(旋耕翻晒+间隔时间)30～40 min，经旋耕机翻晒5～8遍后，含水率能降至塑限值内。

(2) 土团破碎施工方法。对于膨胀土开挖料存在超大土团，如含水率远高于塑限Wp的情况，采用通常的破碎机碎土，无法实现有效碎土功效。采用旋耕机翻晒或条筛碎土(条筛筛网间距为10 cm，筛高5 m)+机械组合施工，克服了机械碎土的缺陷，大大提高了降低土料含水率和破碎土团功效，减少了施工难度。开挖料碎土施工工法如下：①天然含水率≤Wp,直接采用机械碎土。②Wp+2%>天然含水率>Wp,采用条筛+机械组合碎土；③天然含水率>Wp+2%,采用旋耕机+机械组合碎土。根据旋耕机遍数与土料含水率关系图估算旋耕次数。该碎土施工工法，经EDTA滴定测试及标准差评判，可满足水泥拌和均匀性要求。

(3) 水泥改性土填筑施工要求。为避免水泥改性土搁置时间过长，使得水泥水化反应在颗粒表面产生的凝胶物质在压实过程破坏，以及水化反应产生的大量热量加速土料水分蒸发损耗，导致改性土料填筑强度、压实密度降低，要求水泥拌和后改性土应在4 h内完成碾压填筑施工。

同时，为了弥补水泥水化反应土料水分蒸发损耗，要求土料含水率在Wp+1%～Wp+2%基础上，再增加2%水量，这与拌和机要求土料含水率不高于Wp相矛盾。为此，水泥拌和施工工序为：碎土后含水率仍控制在Wp以下，输入拌和机后，应先进行水泥拌和，均匀后再进行增补3%水分。

[1] 刘特洪．工程建设中膨胀土问题[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[2] 郭爱国，刘观仕，孔令伟，等．高速公路建设中中膨胀土特性的试验研究[J]．岩土力学，2005，26(3)：397-403．

[3] 冯美果，陈善雄，余 颂，等．粉煤灰改性膨胀土水稳定性试验研究[J]．岩土力学，2007，28(9)：1889-1893．

[4] 黄 斌，聂 琼，徐言勇，等．膨胀土水泥改性试验研究[J]．长江科学院院报，2009，26(11)：27-30.

[5] 阎 飞.膨胀土改性试验研究[J]．土工基础，2012，26(3)：104-111.

[6] 王保田，张福海．膨胀土的改良技术与工程应用[M]．北京：科学出版社，2009．

[7] 李庆鸿．新建时速200公里铁路改良膨胀土路基施工技术[M]．北京：中国铁道出版社，2007．

[8] JTJ 034—2000，公路路面基层施工技术规范[S]．北京：人民交通出版社，2008.

(编辑：黄 玲)Key Technologies in the Construction ofCement-improved Expansive Soil

LIU Ming1，LIU Jun1，GONG Bi-wei1，MU Wei2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；2.China Water Conservancy and Hydropower Third Engineering Bureau Ltd.， Xi’an 710016, China)

In order to solve problems in the cement-improved treatment for expansive soil, we conducted a field test of the construction techniques according to summary of relevant literatures and construction method of expansive soil improved by lime. Furthermore, three key methods in construction were studied, including reduction of high water content in the excavated soil, breakage of oversize soil aggregate, and time effect of filling construction of cement-improved expansive soil. Then, uniformity of blending cement and the applicability and feasibility of construction process using crusher, rotavator, strip sieve, machine combination ,etc were systematically analyzed.Finally, a construction method for improving expansive soil by cement was put forward. The results can provide

for the construction techniques of improving expansive soil.

cement-improved expansive soil；construction technology；reduction rate of moisture content；breakage of soil aggregate；EDTA titration

2014-07-17；

2014-10-22

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAB10B05)

刘 鸣(1963-)，男，浙江奉化人，高级工程师，主要从事岩工工程试验、安全监测等方面的研究工作，(电话)18627112217(电子信箱)lmoyq6763@sina.com。

10.11988/ckyyb.20140593

2016,33(01):89-94，100

TU443

A

1001-5485(2016)01-0089-06