不同水泥掺量对膨胀土的特性影响的试验研究

纪安康 曹广勇 李永彪 丁三宝 笪伟

摘 要：为研究膨胀土在不同水泥掺量情况下各种特性，本文以合肥地区膨胀土为例，采用控制变量进行多组试验的方式，比较不同普通矿渣硅酸盐水泥掺量下，膨胀土的液塑限、自由膨脹率以及抗剪强度特性的变化特征，并绘制变化特征曲线.实验结果表明：随着水泥掺量的增加，膨胀土的液限逐渐降低了8.8%，而塑限逐渐升高了25.3%;膨胀土的自由膨胀率显著下降了20%;膨胀土的抗剪强度逐渐增加.研究表明，在工程实践中，通过掺入水泥对提高边坡和路基工程的稳定性有重要的意义.

关键词：膨胀土;抗剪强度;水泥掺量;液塑限;自由膨胀率

中图分类号：TU443  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）10-0088-03

膨胀土具有吸水膨胀失水收缩的性质，其各项特性如液塑限、自由膨胀率及抗剪强度等都在一定程度上影响着路基及其他建筑的安全.

锁文韬[1]以南阳膨胀土为研究对象，提出膨胀土的抗剪强度随着石灰掺量的增加而增加;谢长征[2]提出，干密度、含水率、石灰掺量、养护时间均影响石灰改良膨胀土剪切强度，其中，干密度、含水率、养护时间主要影响黏聚力，石灰掺量主要影响内摩擦角;Jack Byers[3]提出，当水泥掺量增加时，液限降低而塑限增加，其自由膨胀率也随之增加.宋亚提出[4]，经过掺石灰改性后的合肥膨胀土，最佳含水率大幅度提高，并提高了土体的抗压强度，满足路基强度要求.张永生提出[5]：液限指数随掺灰率的増大均呈下降趋势，塑限随掺灰率的增大呈增大趋势.掺入石灰后其自由膨胀率会下降.合肥地区掺石灰膨胀土的粘聚力和内摩擦角随着掺灰率的增大而增大.蒋晓庆提出[6]：随着掺灰率的增加，膨胀土的最大干密度逐渐降低.

水泥通过团粒作用、离子交换作用、凝结反应和碳酸反应从而改变膨胀土的特性.如：当水泥掺量增加时，液限降低而塑限增加，其自由膨胀率也随之增加，粘聚力和内摩擦角也增加等.

国内外很多学者在采用胶凝材料对膨胀土进行改性的研究大多采用石灰进行改性研究.而相对于石灰，水泥同石灰的价格差不多的基础上，具有易储存、易运输的优点.同时相对于石灰改性土，水泥改性土具有更好的剪切性能、塑限、自由膨胀率.所以在工程实践中，通过掺入水泥对提高边坡和路基工程的稳定性有重要的意义.

1 膨胀土试样的基本性质

试验采用膨胀土试样取自安徽合肥蜀山区，主要成分是高岭石和蒙脱石等矿物质，且内部含少量钙质等成分，土的外表面呈现棕褐色（如图1），试验所需膨胀土试样的基本力学性质如表1所示.试验用普通矿渣硅酸盐水泥，标号为GB175-2007[7].为保证实验数据具有参考性，在对膨胀土进行液塑限、自由膨胀率以及抗剪强度等试验时所确定使用的基本物理指标来源于《公路土工试验规程》[6].膨胀土的基本力学参数如表1所示，膨胀土的基本性质如表2所示.

2 不同水泥掺量对膨胀土液塑限影响研究

2.1 试样制备及方法

（1）取适量原状膨胀土放入烘干箱（如图2）烘干12h后取出冷却，放入磨矿功指数球磨机（如图3）中粉碎1h后过0.5mm的筛.因为水泥通过团粒作用和凝结作用可以改变膨胀土的特性，若土颗粒小于0.5mm，掺入水泥会产生较多大颗粒，影响实验结果.

（2）取出五份200g筛出后的土样分别掺入0%，1%，2%，3%，4%的水泥并搅拌均匀，用保鲜膜密封后放入养护箱中养护7d后进行液塑限试验.

2.2 试验结果分析

实验结果如图4所示，从曲线图中可以看出，水泥掺量逐渐增加时，膨胀土的塑限随之增加，而液限指数逐渐下降，具体体现为：

（1）当水泥掺量在0%也即为素土时，膨胀土的液塑限分别为51.7%和26.1%;

（2）当水泥掺量提升至4%时，其液塑限变化为47.2%和32.1%，相比较素土，液限下降了8.8%，塑限上升了25.3%.

（3）试验结果表明，土的塑性指数与水泥掺量之间的关系成反比.

3 不同水泥掺量对膨胀土自由膨胀率影响研究

3.1 试样制备及方法

（1）取冷却后的膨胀土分别掺入0%，1%，2%，3%，4%的水泥配置成试样后密封放入养护箱中养护7d后进行试验.

（2）在自由膨胀率实验中，严格控制在10s内大约完成10次的搅拌，搅拌过程充分以后再向其中加水到50ml的刻度处，然后静置24h以后测试膨胀率[8].

3.2 试验结果分析

由图5可知，随着水泥掺量的增加，自由膨胀率呈现稳步下降的趋势.具体表现为：

（1）当水泥掺量在0%也即为素土时，其自由膨胀率为52%.

（2）当水泥掺量为1%时，自由膨胀率为48%.

（3）当水泥掺量为2%时，自由膨胀率为42%.

（4）当水泥掺量为3%时，自由膨胀率为38%.

（5）当水泥掺量为4%时，自由膨胀率为32%.

（6）根据膨胀土规范，自由膨胀率的临界值为40%.随着水泥产量的增加，膨胀土的自由膨胀率低于40%，表明随着掺量的增加，水泥抑制膨胀性的效果越好.

4 不同水泥掺量对膨胀土抗剪强度影响研究

4.1 试样制备及方法

进行膨胀土抗剪强度试验过程中各方法及步骤均需参照《公路土工试验规范》进行.

（1）取原状土烘干12h后放入磨矿功指数球磨机中粉碎1h，取出碎土过0.3mm筛得到重塑膨胀土粉末.

（2）用该粉末配制含水率为16.3%，掺灰比分别为0%，1%，2%，3%，4%的试样，每组需要5个试样.

（3）试样压制完成后需放入恒温养护箱养护7d后进行直剪试验.每组取4个试样进行100kPa、200kPa、300kPa、400kPa竖向正应力下的剪切试验，另一预留样进行饱和试验[7].

4.1.1 压制试样

将配制好含水率与掺灰比的膨胀土混合料放入模具中进行液压压实，为保证压实密度且土体不分层，压样应分四次以上压实且每次压实后将表面刮粗糙，使上下层土充分接触.每次将混合料铺至与环刀口平齐，盖上环刀盖进行压实，如此重复直至环刀盖无法进入环刀，代表试样压制成功.压制过程如图6所示.

4.1.2 剪切试验

进行直剪试验采用如图7所示的全自动残余强度试验仪，已经配制的每组四个试样分别控制在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的竖向正应力，0.8 mm/min的快剪速率.实验前应首先启动设备排尽连接水管中气泡、体变仪中气泡以及剪切盒下盒底槽气泡，将陶土板饱和后进行装样后密封试验仪，然后开启控制器输入每个试样的含水率、饱和度、初始密度及干密度等基本参数.试验分为数值采集阶段、竖向压力固结阶段及剪切阶段三个阶段.

4.2 试验结果分析

将五组试样分别进行试验后所得出20组实验数据，通过摩尔-库伦公式，计算得出不同掺灰比下膨胀土的抗剪强度，并根据公式？子f=？滓·tan？渍+c计算粘聚力与内摩擦角.所得数据如表3所示，并绘制水泥掺量与抗剪强度的关系曲线如8所示.

由图4-3可知，控制竖向正应力与不变时，膨胀土的掺灰比越大，抗剪强度越大.具体表现为：

（1）同为100kpa正压力下，当掺灰比为1%时，其抗剪强度为136kpa，掺灰比为4%时，抗剪强度为195kpa.

（2）掺灰比从3%增加到4%时，其抗剪强度变化幅度最大.

（3）竖向正应力从300kPa增加到400kPa时，其抗剪强度变化幅度最大.

5 结论

文中详细介绍了不同水泥掺量对膨胀土的各项特性的影响情况，并通过三组试验对膨胀土的液塑限、自由膨胀率、抗剪强度三种特性进行分析研究，并得出相关结论如下：

（1）随着水泥掺量的增加，膨胀土的液限随之减小而塑限随之增加，且塑限增加的幅度略大于液限降低的幅度.

（2）随着水泥掺量的增加，膨胀土的自由膨胀率逐渐减小，且随着水泥掺量的增加，自由膨胀率的降低幅度在增加.

（3）水泥掺量与膨胀土抗剪强度成正比，随着掺量的增加抗剪强度的增长幅度越来越大.

（4）当同一水泥掺量时，竖向正应力的增大会使膨胀土的抗剪强度增大且增大幅度不断增加.

参考文献：

〔1〕锁文韬，李新明，孙玉周.石灰改良南阳膨胀土的强度特征与微观机理研究[J].路基工程，2018，200（05）：37-41+71.

〔2〕谢长征，吴巍，等.石灰改良膨胀土强度影响因素研究[J].路基工程，2017（2）：106-109.

〔3〕Jack Byers. Treatment of Expansive Clay Canal Lining[J]. Proceeding of the 4th International Conference on Expansive Soils.1980.

〔4〕宋亞.合肥地区膨胀土的石灰改良试验研究[D].合肥工业大学，2009.

〔5〕张永生.合肥市膨胀土的综合研究[D].2015.

〔6〕蒋晓庆.合肥地区膨胀土基本力学特性试验研究[D].安徽建筑工业学院，2010.

〔7〕D.N.Kulkarni and N.R.Sawaleshwarkar. Expansive Soils in Canals;Puma project—A Case Study[J]. Proceeding of the 6th  International Conference on Expansive Soils，1987.

〔8〕蒋晓庆，丁三宝， 黄益顺，等.初始含水率与竖向应力对弱膨胀土残余强度的影响[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（06）：148-155.

〔9〕李永彪，丁三宝，沈慧，et al.水泥掺量对改良膨胀土抗剪强度的影响[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2018，36（04）：16-18.

〔10〕余颂，陈善雄.膨胀土的自由膨胀比分级标准研究[J].西部探矿工程，2019，31（04）：7-9.