不同水泥摻量對(duì)膨脹土的特性影響的試驗(yàn)研究

紀(jì)安康 曹廣勇 李永彪 丁三寶 笪偉

摘 要：為研究膨脹土在不同水泥摻量情況下各種特性，本文以合肥地區(qū)膨脹土為例，采用控制變量進(jìn)行多組試驗(yàn)的方式，比較不同普通礦渣硅酸鹽水泥摻量下，膨脹土的液塑限、自由膨脹率以及抗剪強(qiáng)度特性的變化特征，并繪制變化特征曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著水泥摻量的增加，膨脹土的液限逐漸降低了8.8%，而塑限逐漸升高了25.3%;膨脹土的自由膨脹率顯著下降了20%;膨脹土的抗剪強(qiáng)度逐漸增加.研究表明，在工程實(shí)踐中，通過摻入水泥對(duì)提高邊坡和路基工程的穩(wěn)定性有重要的意義.

關(guān)鍵詞：膨脹土;抗剪強(qiáng)度;水泥摻量;液塑限;自由膨脹率

中圖分類號(hào)：TU443? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）10-0088-03

膨脹土具有吸水膨脹失水收縮的性質(zhì)，其各項(xiàng)特性如液塑限、自由膨脹率及抗剪強(qiáng)度等都在一定程度上影響著路基及其他建筑的安全.

鎖文韜[1]以南陽(yáng)膨脹土為研究對(duì)象，提出膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨著石灰摻量的增加而增加;謝長(zhǎng)征[2]提出，干密度、含水率、石灰摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間均影響石灰改良膨脹土剪切強(qiáng)度，其中，干密度、含水率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間主要影響?zhàn)ぞ哿?，石灰摻量主要影響?nèi)摩擦角;Jack Byers[3]提出，當(dāng)水泥摻量增加時(shí)，液限降低而塑限增加，其自由膨脹率也隨之增加.宋亞提出[4]，經(jīng)過摻石灰改性后的合肥膨脹土，最佳含水率大幅度提高，并提高了土體的抗壓強(qiáng)度，滿足路基強(qiáng)度要求.張永生提出[5]：液限指數(shù)隨摻灰率的増大均呈下降趨勢(shì)，塑限隨摻灰率的增大呈增大趨勢(shì).摻入石灰后其自由膨脹率會(huì)下降.合肥地區(qū)摻石灰膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著摻灰率的增大而增大.蔣曉慶提出[6]：隨著摻灰率的增加，膨脹土的最大干密度逐漸降低.

水泥通過團(tuán)粒作用、離子交換作用、凝結(jié)反應(yīng)和碳酸反應(yīng)從而改變膨脹土的特性.如：當(dāng)水泥摻量增加時(shí)，液限降低而塑限增加，其自由膨脹率也隨之增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角也增加等.

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在采用膠凝材料對(duì)膨脹土進(jìn)行改性的研究大多采用石灰進(jìn)行改性研究.而相對(duì)于石灰，水泥同石灰的價(jià)格差不多的基礎(chǔ)上，具有易儲(chǔ)存、易運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn).同時(shí)相對(duì)于石灰改性土，水泥改性土具有更好的剪切性能、塑限、自由膨脹率.所以在工程實(shí)踐中，通過摻入水泥對(duì)提高邊坡和路基工程的穩(wěn)定性有重要的意義.

1 膨脹土試樣的基本性質(zhì)

試驗(yàn)采用膨脹土試樣取自安徽合肥蜀山區(qū)，主要成分是高嶺石和蒙脫石等礦物質(zhì)，且內(nèi)部含少量鈣質(zhì)等成分，土的外表面呈現(xiàn)棕褐色（如圖1），試驗(yàn)所需膨脹土試樣的基本力學(xué)性質(zhì)如表1所示.試驗(yàn)用普通礦渣硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為GB175-2007[7].為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有參考性，在對(duì)膨脹土進(jìn)行液塑限、自由膨脹率以及抗剪強(qiáng)度等試驗(yàn)時(shí)所確定使用的基本物理指標(biāo)來源于《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[6].膨脹土的基本力學(xué)參數(shù)如表1所示，膨脹土的基本性質(zhì)如表2所示.

2 不同水泥摻量對(duì)膨脹土液塑限影響研究

2.1 試樣制備及方法

（1）取適量原狀膨脹土放入烘干箱（如圖2）烘干12h后取出冷卻，放入磨礦功指數(shù)球磨機(jī)（如圖3）中粉碎1h后過0.5mm的篩.因?yàn)樗嗤ㄟ^團(tuán)粒作用和凝結(jié)作用可以改變膨脹土的特性，若土顆粒小于0.5mm，摻入水泥會(huì)產(chǎn)生較多大顆粒，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

（2）取出五份200g篩出后的土樣分別摻入0%，1%，2%，3%，4%的水泥并攪拌均勻，用保鮮膜密封后放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行液塑限試驗(yàn).

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從曲線圖中可以看出，水泥摻量逐漸增加時(shí)，膨脹土的塑限隨之增加，而液限指數(shù)逐漸下降，具體體現(xiàn)為：

（1）當(dāng)水泥摻量在0%也即為素土?xí)r，膨脹土的液塑限分別為51.7%和26.1%;

（2）當(dāng)水泥摻量提升至4%時(shí)，其液塑限變化為47.2%和32.1%，相比較素土，液限下降了8.8%，塑限上升了25.3%.

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，土的塑性指數(shù)與水泥摻量之間的關(guān)系成反比.

3 不同水泥摻量對(duì)膨脹土自由膨脹率影響研究

3.1 試樣制備及方法

（1）取冷卻后的膨脹土分別摻入0%，1%，2%，3%，4%的水泥配置成試樣后密封放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行試驗(yàn).

（2）在自由膨脹率實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格控制在10s內(nèi)大約完成10次的攪拌，攪拌過程充分以后再向其中加水到50ml的刻度處，然后靜置24h以后測(cè)試膨脹率[8].

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖5可知，隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì).具體表現(xiàn)為：

（1）當(dāng)水泥摻量在0%也即為素土?xí)r，其自由膨脹率為52%.

（2）當(dāng)水泥摻量為1%時(shí)，自由膨脹率為48%.

（3）當(dāng)水泥摻量為2%時(shí)，自由膨脹率為42%.

（4）當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，自由膨脹率為38%.

（5）當(dāng)水泥摻量為4%時(shí)，自由膨脹率為32%.

（6）根據(jù)膨脹土規(guī)范，自由膨脹率的臨界值為40%.隨著水泥產(chǎn)量的增加，膨脹土的自由膨脹率低于40%，表明隨著摻量的增加，水泥抑制膨脹性的效果越好.

4 不同水泥摻量對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度影響研究

4.1 試樣制備及方法

進(jìn)行膨脹土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)過程中各方法及步驟均需參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行.

（1）取原狀土烘干12h后放入磨礦功指數(shù)球磨機(jī)中粉碎1h，取出碎土過0.3mm篩得到重塑膨脹土粉末.

（2）用該粉末配制含水率為16.3%，摻灰比分別為0%，1%，2%，3%，4%的試樣，每組需要5個(gè)試樣.

（3）試樣壓制完成后需放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行直剪試驗(yàn).每組取4個(gè)試樣進(jìn)行100kPa、200kPa、300kPa、400kPa豎向正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)，另一預(yù)留樣進(jìn)行飽和試驗(yàn)[7].

4.1.1 壓制試樣

將配制好含水率與摻灰比的膨脹土混合料放入模具中進(jìn)行液壓壓實(shí)，為保證壓實(shí)密度且土體不分層，壓樣應(yīng)分四次以上壓實(shí)且每次壓實(shí)后將表面刮粗糙，使上下層土充分接觸.每次將混合料鋪至與環(huán)刀口平齊，蓋上環(huán)刀蓋進(jìn)行壓實(shí)，如此重復(fù)直至環(huán)刀蓋無法進(jìn)入環(huán)刀，代表試樣壓制成功.壓制過程如圖6所示.

4.1.2 剪切試驗(yàn)

進(jìn)行直剪試驗(yàn)采用如圖7所示的全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀，已經(jīng)配制的每組四個(gè)試樣分別控制在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的豎向正應(yīng)力，0.8 mm/min的快剪速率.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)首先啟動(dòng)設(shè)備排盡連接水管中氣泡、體變儀中氣泡以及剪切盒下盒底槽氣泡，將陶土板飽和后進(jìn)行裝樣后密封試驗(yàn)儀，然后開啟控制器輸入每個(gè)試樣的含水率、飽和度、初始密度及干密度等基本參數(shù).試驗(yàn)分為數(shù)值采集階段、豎向壓力固結(jié)階段及剪切階段三個(gè)階段.

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將五組試樣分別進(jìn)行試驗(yàn)后所得出20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過摩爾-庫(kù)倫公式，計(jì)算得出不同摻灰比下膨脹土的抗剪強(qiáng)度，并根據(jù)公式？子f=？滓·tan？漬+c計(jì)算粘聚力與內(nèi)摩擦角.所得數(shù)據(jù)如表3所示，并繪制水泥摻量與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線如8所示.

由圖4-3可知，控制豎向正應(yīng)力與不變時(shí)，膨脹土的摻灰比越大，抗剪強(qiáng)度越大.具體表現(xiàn)為：

（1）同為100kpa正壓力下，當(dāng)摻灰比為1%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度為136kpa，摻灰比為4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度為195kpa.

（2）摻灰比從3%增加到4%時(shí)，其抗剪強(qiáng)度變化幅度最大.

（3）豎向正應(yīng)力從300kPa增加到400kPa時(shí)，其抗剪強(qiáng)度變化幅度最大.

5 結(jié)論

文中詳細(xì)介紹了不同水泥摻量對(duì)膨脹土的各項(xiàng)特性的影響情況，并通過三組試驗(yàn)對(duì)膨脹土的液塑限、自由膨脹率、抗剪強(qiáng)度三種特性進(jìn)行分析研究，并得出相關(guān)結(jié)論如下：

（1）隨著水泥摻量的增加，膨脹土的液限隨之減小而塑限隨之增加，且塑限增加的幅度略大于液限降低的幅度.

（2）隨著水泥摻量的增加，膨脹土的自由膨脹率逐漸減小，且隨著水泥摻量的增加，自由膨脹率的降低幅度在增加.

（3）水泥摻量與膨脹土抗剪強(qiáng)度成正比，隨著摻量的增加抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度越來越大.

（4）當(dāng)同一水泥摻量時(shí)，豎向正應(yīng)力的增大會(huì)使膨脹土的抗剪強(qiáng)度增大且增大幅度不斷增加.

參考文獻(xiàn)：

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