引江济淮工程不同水泥掺量下膨胀土改性试验研究

董 礼

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

引江济淮工程综合了工业和城乡供水、江淮航运、农业灌溉以及改善江淮河湖水系生态环境的重要水利工程[1-2]。其供水范围涵盖了安徽省和河南省共计14个地级市，55个区县，为该地区超过4 000万人的生活提供了便利，是安徽省水资源环境攻坚战略工程和基础建设投资项目中的重大工程项目。该工程施工过程中，需要开挖边坡规模大，数量多，大多数边坡开挖高度在20 m以上，属于高边坡。由于工程沿线属于江淮平原，地下水位埋深浅，水位变幅大，边坡上部多为弱～中膨胀性的粉质黏土，下部为泥页岩等崩解岩，具有吸水软化、失水崩解的特性，导致河道开挖边坡后受地下水和地表降水影响，边坡产生了大量空鼓和裂缝，边坡存在严重的工程地质隐患[3]。这一病害是引江济淮工程通水运行和降水检修过程中可能面临的关键问题和难题。

关于膨胀土特性和膨胀土岩边坡的研究成果如:吴建涛等[4]提出利用石灰加水泥来对膨胀土进行改进，从而降低膨胀土对水质的影响程度；魏存兰[5]研究了膨胀性泥岩在不同浸水方式下的物理力学性质，并探讨了泥岩遇水后的含水率变化规律；熊钦武[6]研究了吉图珲客代表性膨胀土，通过一些列单轴和三轴试验分析了膨胀土在不同含水率条件下的力学性能；黄伟[7]、谭文超[8]等人通过模拟设计外部干湿循环交替环境培养箱，研究了膨胀土受侵蚀和干湿循环作用下的劣化过程和规律；另外，还有其他学者对膨胀土的冻融循环特性、施工均匀性和击实特性等均做了一系列研究[9-12]。

本文以引江济淮试验工程为依托，选取典型膨胀土试验，通过设置不同的水泥掺量，对改性后的膨胀土的膨胀率、界限含水率、抗压抗剪等物理力学特性进行了详细研究，为引江济淮工程中边坡加固和施工工艺研究提供改性配合比建议。

2 试验用材料

试验所用材料主要为膨胀土和水泥，其中膨胀土取自引江济淮河道内J40+700～J42+200工程段内开挖的弱膨胀土(见图1)，室内物理力学试验成果见表1。改性用水泥选自当地水泥厂，普通水泥，其规格为PC32.5。

图1 引江济淮河道内膨胀土样品

表1 试验用膨胀土基本性质

由于膨胀土原装条件下含水率过大，通过对样品在室外进行10 d的翻晒处理，当土体含水率降低至15%以下，进行破碎和过0.5 mm孔筛分。然后利用湿惨法，将不同掺量的混凝土混入膨胀土中，待拌和均匀后使用重型击实试验获取试验用样品。其中每次击实试验需要做2次，取平均值，最大干密度和最优含水率试验成果见表2。

表2 试样样品的击实成果

3 试验项目及成果分析

3.1 膨胀性试验

膨胀率试验分为自由膨胀率和50 kPa有压膨胀率。自由膨胀率试验采用烘干后过0.5 mm筛的膨胀土进行，胀缩性试验采用压样法制备环刀样。每种试验均测试水泥掺量为0、2%、3%、4%、5%和7%，然后分别养护1 d、3 d和7 d后进行测试。不同养护时间和水泥掺量下的膨胀性曲线见图2和图3。

图2 自由膨胀率试验曲线

图3 有荷膨胀率试验曲线

试验结果发现，相比于素土，掺入水泥后样品的自由膨胀率有显著改善，当水泥掺量为2%，养护时间1 d时样品自由膨胀率从51%大幅度降低至42.3%，降低了约18%。同时可以看出在水泥掺量为2%～5%之间时，同样养护时间条件下改性膨胀土的膨胀率总体上下降不明显，但是当掺量达到7%后，改性膨胀土的自由膨胀率陡降至26.9%～32.1%，此时改性后的样品已经属于非膨胀土。

有荷膨胀试验结果表明，当掺入2%水泥后膨胀土的膨胀率明显降低，掺入率在2%～5%范围内，养护时间3 d以内，50 kPa膨胀率范围在0.3%～0.8%之间波动；同时，试验发现，在水泥掺量为7%，养护时间为1 d和3 d条件下，有荷膨胀率反而有所增加，分别从0.47%增加至0.77%，从0.28%增加至0.49%，分析这一产生原因认为由于水泥掺量过大导致水泥发生水化反应进而消耗部分膨胀土表层吸附水，使得膨胀率失水干燥提高了样品的膨胀率，说明水泥改性过程中若水泥掺量过大，将会使得改性反应变得漫长。

3.2 抗压强度试验

无侧限抗压强度是土体在无侧限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。无侧限抗压强度试样采用击样法制样，击实桶尺寸为φ50 mm×130 mm，试样尺寸为φ50 mm×90 mm。

不同掺量水泥改性后的样品的单轴抗压强度试验成果见图4。

图4 不同养护龄期下不同掺灰率改性土无侧限抗压强度

试验结果可知，素膨胀土的单轴抗压强度为0.45 MPa，当加入水泥后抗压强度有显著提高。从养护时间来看，3 d养护周期和1 d养护周期对改性土抗压强度影响不明显，其中在掺量为2%、4%和5%掺量下改性土的抗压强度值反而呈现下降趋势，降低了8%～12%，分析认为由于膨胀土和水泥搅拌初期其力学性能不够，搅拌时间超过水泥初凝时间导致。同时试验发现养护时间不变的条件下，随着水泥掺量的逐步提高，改性土的抗压强度呈缓慢增长态势，当掺量为7%时，增长最为明显。

3.3 液塑限试验

改性土的界限含水率与液塑限对于工程施工和运行期间的水稳定性非常重要。本文采用液塑限联合测定法，测试改性土在各种养护周期下的特性变化规律。试验结果见图5和图6。

图5 液限含水率随养护时间和水泥掺量变化曲线

图6 塑性指数随养护时间和水泥掺量变化曲线

试验结果可知，改性土的液限含水率与水泥掺量和养护时间呈负相关，塑限含水率与水泥掺量和养护时间呈正相关，当采用7%水泥掺量、养护时间7 d时改性土液限含水率达到最低值47.0%，塑限含水率达到最高值26.3，此时改性土的塑性指数达到最低值20.7。同时发现在掺量为2%～5%范围内改性土的塑性指数下降最为显著，当水泥掺量为7%时，塑性指数相比5%条件下仅降低约4%～6%，说明水泥掺量超过5%之后对改性土的液性指数改善效果一般。

3.4 抗剪强度试验

采用四联应变控制式直剪仪测试样品的剪切强度，试验过程中先按预定的含水率和干密度对样品进行击实，将不同养护时间的试样压入试验盒中，然后对其施加垂直荷载(每次加100 kPa)至400 kPa，待试样破坏后记录剪切强度。试验结果见图7和图8。

图7 粘聚力随水泥掺量和养护时间的变化曲线

图8 摩擦角随水泥掺量和养护时间的变化曲线

试验结果可知，掺入2%水泥养护1 d后改性土的粘聚力为153.0 kPa，内摩擦角21.2°，相较于素膨胀土(93.5 kPa，14.0°)分别增加了39.2%和51.4%。随着水泥掺量的增大，改性土的粘聚力不断增加，并且呈现先慢后快的趋势。分析认为，由于水泥掺量达到一定值后，发生水解和水化反应，一部分水泥与膨胀土产生离子交换，另一部分发生凝胶反应，双重作用下改变了膨胀土内部结构，颗粒间相互作用力得到增强，其外在表现为粘聚力增加，当水泥掺量达到7%养护7 d后，粘聚力增长了194.5%。

从摩擦角的变化趋势来看，虽然随养护时间和水泥掺量呈现正相关增长关系，但是其表现为先快后慢，当水泥掺量超过3%后，其摩擦角曲线近似为平行线。分析认为，由于水解和水化反应所产生的离子交换与凝胶团使得膨胀土颗粒尺寸变大，微观程度上增加了材料的表面粗糙度，使得内摩擦角增加，掺量7%，养护7 d后，内摩擦角增加了72.2%。

4 结论

通过开展引江济淮工程J40+700～J42+200工程段内开挖的弱膨胀土水泥改性试验研究，分析了不同水泥产量和养护时间下的改性膨胀土的膨胀性、抗压强度、液塑限和抗剪强度规律，为引江济淮工程中边坡加固和施工工艺研究提供改性配合比建议，得到了如下结论:

(1)掺入水泥后改性土的自由膨胀率有显著改善，当水泥掺量为2%，养护时间1 d时样品自由膨胀率从51%大幅度降低至42.3%，降低了约18%。掺量达到7%后，改性膨胀土的自由膨胀率陡降至26.9%～32.1%，此时改性后的样品已经属于非膨胀土。

(2)在水泥掺量为7%，养护时间为1 d、3 d条件下，有荷膨胀率反而有所增加，分别从0.47%增加至0.77%，从0.28%增加至0.49%，分析认为水泥掺量过大导致水泥发生水化反应进而消耗部分膨胀土表层吸附水，使得膨胀率失水干燥提高了样品的膨胀率。

(3)加入水泥后抗压强度有显著提高。从养护时间来看，3 d养护周期和1 d养护周期对改性土抗压强度影响不明显，其中在掺量为2%、4%和5%掺量下改性土的抗压强度值呈现下降趋势，降低了8%～12%，分析认为由于膨胀土和水泥搅拌初期其力学性能不够，搅拌时间超过水泥初凝时间导致。

(4)3 d养护周期和1 d养护周期对改性土抗压强度影响不明显，其中在掺量为2%、4%和5%掺量下改性土的抗压强度值呈现下降趋势，降低了8%～12%，分析认为由于膨胀土和水泥搅拌初期其力学性能不够，搅拌时间超过水泥初凝时间导致。

(5)掺入水泥后膨胀土发生水解和水化反应，一部分水泥与膨胀土产生离子交换，另一部分发生凝胶反应，双重作用下改变了膨胀土内部结构，颗粒间相互作用力得到增强，并且增大了膨胀土颗粒粒径，双重作用下，其外在表现为粘聚力和内摩擦角均大幅增加。水泥掺量在3%～5%范围内增速最大。

综合以上关于养护时间和水泥掺量对改性膨胀土特性影响规律，同时考虑工程实际应用，初步确定引江济淮工程膨胀土改性中水泥掺量为3%～5%，养护时间3 d能够得到最佳的力学和物理特性。