浅谈膨胀土掺水泥改性试验经验总结

浅谈膨胀土掺水泥改性试验经验总结

王恩杰

中国水利水电第三工程局有限公司

南水北调工程中线干线南阳镇平一标段总干渠施工已结束5年。土石方开挖约560万m3，土石方填筑约278万m3，由于镇平地区岩土具有膨胀性等特点，膨胀土渠坡易产生溜坍、坍塌、滑坡等严重事故，还会产生收缩干裂、膨胀、松散、剥落等病害，对工程建设潜在着严重的破坏性。掺一定量水泥对膨胀土进行改性是目前处理膨胀土的主要方法之一，水泥的掺入改变了膨胀土的结构和化学成分，从而改变了膨胀土的物理力学性质，通过水泥与膨胀土的的离子交换记团粒化作用、硬凝反应及碳酸反应，可以有效的改良土的膨胀性。通过对水泥改性土室内外试验，分析总结出改性土的特性从而提高施工工艺的有效性。

首先，水泥改性土的掺法；根据SL237-1999《土工试验规范》要求，水泥改性土采用质量干掺法，干掺法从当前拌合的含水率中没有扣掉室内做标准曲线风干含水率，这样无形中减少了水泥用量。根据NSBD-ZXJ-4-02《南水北调中线一期工程总干渠渠道膨胀土处理施工监理实施细则》要求，水泥改性土采用湿掺法，湿掺法从当前拌和的含水率中扣掉室内做标准曲线的风干含水率，这样无形中增多了水泥用量，两种试验方法的检测结果如下：

表1水泥改性土干掺法和湿掺法实验结果对比

注：W--表示被改性土在改性拌合前含水率20.8%

W0---在室内做水泥改性土标准曲线是土料的风干含水率3.2%

通过表3.1两种试验结果表明：1）选择干掺法还是湿掺法，主要由工程性质要求而选择。2）在满足质量的前提下，对盈利目的施工单位来说，选择干掺法降低成本，取得更大的利润。对必须确保质量业主来说，选择湿掺法。3）南水北调工程是举世瞩目、造福子孙后代特殊工程、质量和技术要求更加严格性，必须选择湿掺法。

1、水泥改性土水泥掺量的确定

南水北调镇平一标土料填筑主要来源于三个料场，一是渠道开挖段渠道可利用土；二是寺后张土料场；三是张林于河土料场。三个料场均采用普通硅酸盐水泥P.O42.5对素土进行水泥改性。素土及改性土的物理性试验成果见表2、图1。

表2改性土水泥掺量试验结果表

图1素土自由膨胀率与水泥掺量变化曲线图

水泥作为化学固化剂能有效的改善膨胀土的膨胀性和收缩性。对不同的掺量的水泥改性膨胀土进行自由膨胀率试验得知，土料随水泥掺量的增加，膨胀性能逐渐减小，胀缩特性逐渐降低。在确定最优水泥掺量后，水泥改性弱膨胀土自由膨胀率下降最多可达到20%。对最优水泥掺量的改性土和素土击实的比较可以得知，掺水泥后的最大干密度大于素土的最大干密度。

2、室内标准击实（最大干干密度及最优含水）确定

根据SL237-1999（击实试验）可确定，材料的最大干密度。在求得各干密度和含水量后，以干密度为纵座标，含水量为横坐标，绘制干密度与含水量的关系曲线，曲线的上峰值的纵横坐标分别为最大干密度和最佳含水量，如曲线不能给出明显的峰值点，应进行补点或重做。

应该注意的是，在施工中，经常会见到把击实出最大的一个干密度和其对应的含水量作为最大干密度和最佳含水量的现象。这与规程要求相勃，这是影响压实度的一个因素，为此，在击实过程中，击实仪的容积是否标准，击实锺在使用过程中因磨损质量减轻或因修理而增加重量，落距是否标准以及在人工击实过程让锺自由下落修而是否平整等到都可能造成各干密度的变化，从而影响最大干密度和最佳含水量的变化。使确定的最大干密度过大或过小。最大干密度过大会造成已密实而压实度较低，就是说，用同一压实机械对同一种材料进行碾压时，最初的若干遍碾压。

3、施工现场水泥改性土质量控制

水泥改性土在本工程中填筑方量较大，控制好水泥改性土拌制质量不仅可以提高现场施工进度而且还可以减少运营成本。由于水泥与水产生水化反应且凝固与强度形成期较短，因此快速检测成品质量是试验人员重中之重的责任和义务。下面就从以下几个方面对拌制前后原材料和成品的质量检测，来确保工程质量。

3.1素土天然含水与颗粒级配的控制

素土粒径是影响改性土水泥掺量均匀度的重要指标之一。粒径越大，水泥包裹在素土表面，不能充分与土中的水分结合产生反应，是直接导致水泥掺量不够，现场压实度不合格等影响工程质量的因素。根据南水北调膨胀土施工技术要求：粒径大于100mm=0，100~50mm≤5%，50~5mm≤50%。素土天然含水与碎土后粒径关系及改性土最优含水关系试验结果见表3。

表3素土天然含水与碎土后粒径关系及改性土最优含水关系表

注：①水泥改性土含水合格是指：所测的含水不大于最优含水+2%。

②在做对比试验时，水泥掺量为标准掺量。渠道可利用土和张林于河土料场水泥掺量均为4%；寺后张土料场水泥掺量为5%。水泥品种为普通硅酸盐水泥P.O42.5。

从表3可以得知：当素土的天然含水大水泥改性土最优含水+3%时，所测得的水泥改性土颗粒级配合格率和改性土含水合格率较差；当素土的天然含水在水泥改性土最优含水+3%附近时，水泥改性土的颗粒级配良好且含水达到最大值；当素土的天然含水小于最优含水+3%时，水泥改性土颗粒级配良好且可以经过增加水来调整水泥改性土直至最佳含水。在素土中含水过大，导致土的粘附性较好，土在碎土机中破碎后，土产生二次粘附，使得50~5mm粒径颗粒较多；小于5mm粒径颗粒较少。因此素土的含水不仅影响水泥改性土的含水，还直接影响颗粒级配的质量。

其次碎土级配的好坏直接影响标准差、偏差系数、压实效果。（注：5%水泥改性土标准差要求在0.1-0.7）。详情见表4.表5。

表4碎土满足规范时，稳定剂平均值与稳定剂剂量的关系

表5碎土不满足规范时，稳定剂平均值与稳定剂剂量的关系

通过以上两次碎土试验对比，在平均稳定剂5.2%~5.8%相同的情况下，表4稳定剂剂量合格率为100%，标准差合格率为100%；表5稳定剂剂量合格率为71.4%，标准差合格率为14.3%

3.2土料天然含水率偏大

根据现场材料的实际情况，在粘土中掺入适量的弃方风干砂，进行不同掺量砂对土料含水率、塑性指数、自由膨胀率等性能影响的试验研究，从而降低土料的天然含水。

进行土料掺砂进行相关试验，砂掺量对土料含水率的影响见表6，

表6砂掺量对土料含水率的影响试验成果表

自由膨胀率-δef（%），规范规定40≤δef＜65为弱膨胀土、65≤δef＜90为中膨胀土、δef≥90为强膨胀土，砂掺量对土料自由膨胀率的影响见表7，可见未掺砂前的土料为弱膨胀土，掺砂后的土料还是弱膨胀土，掺砂对自由膨胀率有影响，自由膨胀率逐渐降低，但影响较小。

表7砂的不同掺量对土料自由膨胀率的影响

对土料塑性指数的影响检测结果分别见表8。

表8砂的不同掺量对土料的塑性指数的影响

根据确定的掺砂量进行碎土工艺试验，碎土后颗粒级配试验结果见表9，可见掺砂后即降低了膨胀土的含水率，掺砂后的碎土颗粒级配同时满足设计要求，

表9碎土后颗粒级配

综合上述试验结果分析，砂的掺量对土料含水率的影响较大，对土料塑性指数影响较小，对土料的自由膨胀率影响最小，因此综合以上根据各掺砂量对土料性能的综合影响，选择掺砂量为30%。

3.3EDTA滴定法控制改性土水泥剂量

由于一些试验工作者对试验方法的理解程度和操作水平的差异，往往使水泥剂量的试验结果与实际存在较大的偏差，难以起到控制生产质量的目的。水泥剂量太少，不能确保水泥改性弱膨胀土的效果；而剂量太大，既不经济，还会使渠道土料砂化严重，进而影响到水泥改性土质量，结合工程实例对EDTA滴定法测定水泥剂量进行较为对比试验，以更加准确地对水泥剂量进行检测，保证水泥改性土施工质量。具体试验数据见表10，图2。

表10水泥剂量EDTA滴定试验

注：①本试验为寺后张土料场的弱膨胀土，设计水泥剂量为5%。

②水泥为天瑞集团南召水泥有限公司P·O42.5水泥，5%水泥的击实试验结果为：

ρdmax=1.68g/cm3，ω0=18.9%。

图2最优含水率情况下标准曲线

从以上图表可以得出以下结论：在最优水率和最优含水率+2%两种含水率情况下，相同剂量水泥改性土EDTA消耗量相差约1ml，对水泥改性土施工控制没多大影响，因此在实际控制按最优含水率情况下标准曲线控制。

3.4水泥含量测定试验存在龄期效应

对同一改性土样放置不同时间测定水泥含量标准差；在室内配置4%水泥改性土样品，放置不同的时间，检测水泥含量，求标准差。检测结果见表2

表2水泥改性土龄期对标准差的影响

从表2可知相同的样品放置不同时间，水泥含量呈现衰减趋势，水泥含量标准差增大，不满足设计要求。

针对水泥含量测定试验存在龄期效应

由于拌制出的水泥改性土从出机口到检测之间有时间差，套用室内标准曲线不合理，因此室内应作出水泥含量延时衰减曲线。检测结果见表7，表8。

表7水泥含量（渠道4%水泥改性土）延时衰减曲线

表8水泥含量（寺后张5%水泥改性土）延时衰减曲线

3.5NH4Cl溶液的配制龄期对检测结果影响大

对比试验，配置不同时间下的NH4Cl溶液测定的水泥含量，在室内配置10%NH4Cl溶液，放置不同的时间，检测水泥含量。检测结果见表3。

表3不同龄期的NH4Cl溶液测定的水泥含量

由表3表明，不同龄期的NH4Cl溶液测定的水泥含量结果差异大。

除此之外，现场检测水泥改性土（EDTA）滴定试验需在2小时内必须完成.

表11

从上图直接分析得出，（EDTA）消耗量随着时间的延长，在0-2小时逐渐增大，2小时以后逐渐减小，所以规范要求（EDTA）滴定试验在2小时内，必须从拌合、摊铺、压实、试验检测逐步完成。

4水泥改性土现场压实度控制

在现场碾压完毕后，现场要进行每一层土方压实度检测。根据南水北调施工技术要求，采用环刀法取样。根据近几年对水泥改性土压实度取样的经验，现主要将不同季节对压实度取样有着不同的要求总结如下：

（1）夏季施工，由于室外作业温度高，改性土含水损失较大，若在碾压完毕后不及时取样，造成水泥与改性土中水分反应较快，达到水泥终凝效果，使改性土硬化，环刀取样不完整，无法采用环刀法快速检测压实度。在夏季检测压实度时，应在碾压完成后应立即完成现场取样。

（2）冬季施工，由于室外作业温度较低，改性土含水损失较小，水泥与水反应较慢。在每层填土碾压后，宜在4h内完成压实度质量检测。

5、束语

本文通过南水北调中线干线镇平1标水泥改性土从室内试验和长期对现场成品改性土质量检测总结如下：

（1）、控制好素土天然含水与素土的颗粒级配；

（2）、室内最大干密度及最佳含水量的确定；

（3）、控制现场水泥改性土水泥剂量；

1），准确做好EDTA标准曲线图，因为关系到水泥掺量成本及压实的效果。2），试验取样要具有代表性，从上、中、下不同的部位取6个点，然后注明部位、用塑料袋密封，防止样品混淆和水分蒸发。3），水泥改性土（EDTA）滴定试验需在2小时内必须完成；4），滴定所用溶液是否正确配置，特别是EDTA二钠是否准确称取，氯化铵溶液是否放置太久（因其极易挥发，特别在夏天，配制的氯化铵溶液最好当天用完，不要放置过久，以免影响试验精度）。5），试验是否严格按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》JTGE51-2009.操作，包括混合料搅拌、沉淀时间控制；取样；对滴定终点的判断；读数等。6），素集料或水泥如有改变，必须重做标准曲线。）

（4）、阴天土料场常规需要1周的晾晒，含水率才能满足碎土后颗粒级配及碾压施工要求，经晾晒及风干的砂掺入后，每个碾压段施工时间提前约一周时间，

（5）、掌握好现场压实度检测时间、检测方法。（水泥改性土的施工质量控制操作人员要规范操作，对土料和水泥原材料的品质进行了确认，符合设计要求，水泥改性土的击实试验工艺进行了规范科学的调整，根据现场碾压时间H小时，进行延迟（H-1）小时开始击实试验，得出延时（H-1）小时的最大干密度和最优含水率，以此为依据，进行水泥改性土的压实质量控制，检测结果均满足设计要求，同时，碾压时间需控制在4h内）。多数人认为碾压遍数越多，压实度会越大。这样理解是不正确，经过大量试验验证，碾压遍数和压实度先升后降呈现抛物线，当碾压遍数过多一定程度上出现过振、弹簧土，从而降低压实度，很不利于施工。

以上是笔者对膨胀土掺水泥改性试验粗浅的认识，仅供业内同行参考，难免有不足之处，还望共同探讨加以改正。