引江济淮试验工程弱膨胀土水泥改性配方实验

李 峰 姚开想 吴建涛 施赛杰 李国维

（1.安徽省投资集团控股有限公司 安庆 246000 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京 210098 3.河海大学道路与铁道工程研究所 南京 210098）

1 引言

膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物成分组成的特殊土，其中的黏土矿物主要由蒙脱石、伊利石等矿物组成，具有吸水膨胀崩解、失水收缩干裂和强度衰减性的高塑性粘性土。膨胀土分布范围广泛，且由于膨胀土特殊的工程特性，使膨胀土地区的建筑、铁路、公路、水利工程等经常遭受严重的破坏，全球每年因膨胀土的工程问题而造成巨大的经济损失。20世纪80年代以前，在对因膨胀土造成经济损失的估算中，全世界每年的损失超过了50亿美元，中国每年因膨胀土工程灾害中造成的直接损失也在数亿元以上。因此膨胀土引起的工程问题及相应的解决方法日益受到人们的重视。

引江济淮工程是集供水、航运、灌溉等功能于一身的大型综合水利工程，全线输水总长1048.68km，且须经过大量膨胀土地区，膨胀土具有反复胀缩、裂隙发育、易崩解的特性，反复的胀缩变形会使土体产生方向不一的裂隙，在雨水及其他自然环境的影响下，水体会不断沿着这些裂隙下渗，从而使土体强度降低，这是膨胀土边坡失稳的重要原因之一。为保证边坡稳定性及渠道的正常使用，必须对膨胀土区段加以改良。

在实际工程中，常用的膨胀土改良方法是掺石灰、水泥、粉煤灰等，本文依托引江济淮工程，采用水泥作为改性剂，选取引江济淮工程典型膨胀土，通过对水泥掺量、养护龄期等指标的控制，对改性土进行了自由膨胀率、液塑限、无侧限抗压强度、掺加水泥后不同时间段击实试验。通过对试验结果的分析，揭示了水泥对膨胀土物理力学性质的影响。

2 试验材料及试验方案

试验材料取自合肥引江济淮工程，土样为黄夹灰白土样，自由膨胀率53%，属于弱膨胀土，测得其物理力学性质见表1，水泥采用复合硅酸盐水泥P.C32.5。

取代表性土样，风干后碾碎过筛，采用湿掺法进行重型击实试验，水泥掺量分别为0、2%、3%、4%、5%、7%（掺入水泥的质量与干土质量的比值），每个掺灰比做两次击实计算其干密度，取两次平均值作为该土样的干密度。试验结果见表2。

在击实试验得到不同水泥掺量下改性土干密度的基础上，按照《土工试验方法标准》（SL237-1999）制备试样。用于无侧限抗压强度试验的试样采用击样法制样，击实桶尺寸Φ50mm×130mm，试样尺寸为Φ50mm×90mm。将试样放入养护箱内养护，待达到1d、3d、7d及28d养护龄期后即进行无侧限抗压强度试验，取无侧限抗压强度试验后破坏的试样进行液塑限及自由膨胀率试验。

表1 膨胀土基本物理力学指标表

表2 改性土最大干密度与最优含水率表

表3 素土及改性土自由膨胀率表

表4 素土及改性土不同龄期无侧限抗压强度表

表5 不同闷料时间改性土击实特性表

图1 素土及改性土自由膨胀率与养护龄期的关系图

图2 素土及改性土液限与养护龄期的关系图

图3 塑性指数与养护龄期的关系图

图4 素土及改性土不同养护龄期下无侧限压强度图

图5 掺加水泥拌合后不同时间击实特性图

3 试验结果与分析

3.1 自由膨胀率

水泥掺量0、2%、3%、4%、5%、7%水泥改性土养护龄期1d、3d、7d及28d后自由膨胀率见表3，自由膨胀率与掺灰率关系见图1。

由图1可知，未掺加水泥前，膨胀土自由膨胀率为53%，水泥掺量2%、养护龄期28d改性土自由膨胀率已降至36%，自由膨胀土较素土有明显降低，随着掺灰率和养护龄期的增大，改性土自由膨胀率进一步降低且养护龄期7d和28d改性土自有膨胀率近似呈直线下降。养护龄期达到3d时各掺灰比改性土自由膨胀率降到40%以下，已不属于膨胀土范围，水泥改性效果明显。

3.2 界限含水率

界限含水率及塑性指数是反应黏土与水相互作用灵敏性的指标，在一定程度上反映了土的亲水性能，是估价土的工程特性的主要参数。改性土液限、塑性指数与掺灰率的关系见图2和图3。

图2和图3表明，改性土的液限及塑性指数均比素土低，当掺灰率和养护龄期增加时，改性土的液限与塑性指数也随之降低，且养护龄期7d和28d时，改性土液限和塑性指数与掺灰率有较好的线性相关关系。通常膨胀土都有高液限的特征，即WL＞50%，从试验结果可知，掺灰率3%养护龄期3d改性土液限小于50%，水泥可很好地改善膨胀土的亲水性。

3.3 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是土体在无侧向压力条件下抵抗轴向压力的极限强度，是反应改性土体后物理力学性质的重要参数指标之一。改性土无侧限抗压强度试验结果见表4，无侧限抗压强度与掺灰率的关系见图4。

图4表明，掺加水泥后，改性土的无侧限抗压强度较素土有明显提高，养护龄期7d及28d时，随掺灰率的增加，改性土的无侧限抗压强度近似呈线性增大。3d养护龄期掺灰率2%、4%、5%比同一掺灰率1d养护龄期无侧限抗压强度小，表明在膨胀土水泥改性的初期，其力学性能尚不稳定，改良过程是一个漫长的过程。工程弱膨胀素土的无侧限抗压强度是0.44MPa，经28d养护龄期掺灰率7%水泥改性后无侧限抗压强度增大到1.77MPa，表明掺灰率及养护龄期对改性土无侧限抗压强度的提高有重要意义。3.4水泥初凝时间影响

膨胀土水泥改性施工中，由于受现场施工条件、自然环境因素等影响，水泥拌和完成后往往不能及时进行现场回填铺筑碾压，受水泥初凝时间的影响，不同时间铺筑碾压的改性土其干密度也不尽相同。本研究通过一系列击实试验得出随着膨胀土掺加水泥拌合到击实完成时间不同对最大干密度和最优含水率的影响规律，从而为现场压实度检测提供相匹配的击实试验参数。水泥掺量为5%，在膨胀土中掺加5%水泥搅拌均匀后分别放置 0、0.5h、1h、2h及4h后进行击实试验，得到膨胀土掺加水泥后放置不同时间的最优含水率和最大干密度。试验结果见表5，改性土最优含水率和最大干密度与闷料时间的关系见图5。

由图5可知，在掺加水泥拌合后1h内击实试验，最大干密度呈现上升趋势，最优含水率呈现下降趋势。在掺加水泥拌合后1～4h内击实试验，最大干密度呈现下降趋势，最优含水率呈现上升趋势。由试验结果可知，受水泥初凝时间的影响，不同时间段击实的改性土其最大干密度和最优含水率也不尽相同，因此水泥拌和完成后应尽快进行现场回填铺筑碾压，压实度检测时应选取同时间段的击实参数，这样才能对改性土的压实质量控制起到指导作用。

4 结论

本文选取引江济淮典型膨胀土，通过自由膨胀率、液塑限、无侧限抗压强度、不同时间段击实等室内试验对膨胀土水泥改性效果进行研究，得出以下结论：

（1）在膨胀土中掺加水泥后，改性土自由膨胀率、液限、塑性指数均减小了，且随着水泥掺量和养护龄期的增加，改性土自由膨胀率、液限、塑性指数进一步减小。在膨胀土中掺加水泥能够有效抑制其膨胀性、改善膨胀土亲水性能，且随着掺灰率和养护龄期的增大，改性效果越明显。

（2）掺加水泥后，改性土无侧限抗压强度较素土有明显提高，且随着水泥掺量和养护龄期的增加，改性土强度进一步提高。但是在改性初期，改性土强度波动较大，表明水泥对膨胀土的改性是一个复杂的、长期的过程。

（3）水泥拌和完成后应及时铺筑碾压，压实度检测时应选取同时间段的击实参数，这样才能对改性土的压实质量控制起到指导作用