引江濟淮工程不同水泥摻量下膨脹土改性試驗研究

董 禮

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

引江濟淮工程綜合了工業(yè)和城鄉(xiāng)供水、江淮航運、農(nóng)業(yè)灌溉以及改善江淮河湖水系生態(tài)環(huán)境的重要水利工程[1-2]。其供水范圍涵蓋了安徽省和河南省共計14個地級市，55個區(qū)縣，為該地區(qū)超過4 000萬人的生活提供了便利，是安徽省水資源環(huán)境攻堅戰(zhàn)略工程和基礎(chǔ)建設(shè)投資項目中的重大工程項目。該工程施工過程中，需要開挖邊坡規(guī)模大，數(shù)量多，大多數(shù)邊坡開挖高度在20 m以上，屬于高邊坡。由于工程沿線屬于江淮平原，地下水位埋深淺，水位變幅大，邊坡上部多為弱～中膨脹性的粉質(zhì)黏土，下部為泥頁巖等崩解巖，具有吸水軟化、失水崩解的特性，導(dǎo)致河道開挖邊坡后受地下水和地表降水影響，邊坡產(chǎn)生了大量空鼓和裂縫，邊坡存在嚴重的工程地質(zhì)隱患[3]。這一病害是引江濟淮工程通水運行和降水檢修過程中可能面臨的關(guān)鍵問題和難題。

關(guān)于膨脹土特性和膨脹土巖邊坡的研究成果如:吳建濤等[4]提出利用石灰加水泥來對膨脹土進行改進，從而降低膨脹土對水質(zhì)的影響程度；魏存蘭[5]研究了膨脹性泥巖在不同浸水方式下的物理力學性質(zhì)，并探討了泥巖遇水后的含水率變化規(guī)律；熊欽武[6]研究了吉圖琿客代表性膨脹土，通過一些列單軸和三軸試驗分析了膨脹土在不同含水率條件下的力學性能；黃偉[7]、譚文超[8]等人通過模擬設(shè)計外部干濕循環(huán)交替環(huán)境培養(yǎng)箱，研究了膨脹土受侵蝕和干濕循環(huán)作用下的劣化過程和規(guī)律；另外，還有其他學者對膨脹土的凍融循環(huán)特性、施工均勻性和擊實特性等均做了一系列研究[9-12]。

本文以引江濟淮試驗工程為依托，選取典型膨脹土試驗，通過設(shè)置不同的水泥摻量，對改性后的膨脹土的膨脹率、界限含水率、抗壓抗剪等物理力學特性進行了詳細研究，為引江濟淮工程中邊坡加固和施工工藝研究提供改性配合比建議。

2 試驗用材料

試驗所用材料主要為膨脹土和水泥，其中膨脹土取自引江濟淮河道內(nèi)J40+700～J42+200工程段內(nèi)開挖的弱膨脹土(見圖1)，室內(nèi)物理力學試驗成果見表1。改性用水泥選自當?shù)厮鄰S，普通水泥，其規(guī)格為PC32.5。

圖1 引江濟淮河道內(nèi)膨脹土樣品

表1 試驗用膨脹土基本性質(zhì)

由于膨脹土原裝條件下含水率過大，通過對樣品在室外進行10 d的翻曬處理，當土體含水率降低至15%以下，進行破碎和過0.5 mm孔篩分。然后利用濕慘法，將不同摻量的混凝土混入膨脹土中，待拌和均勻后使用重型擊實試驗獲取試驗用樣品。其中每次擊實試驗需要做2次，取平均值，最大干密度和最優(yōu)含水率試驗成果見表2。

表2 試樣樣品的擊實成果

3 試驗項目及成果分析

3.1 膨脹性試驗

膨脹率試驗分為自由膨脹率和50 kPa有壓膨脹率。自由膨脹率試驗采用烘干后過0.5 mm篩的膨脹土進行，脹縮性試驗采用壓樣法制備環(huán)刀樣。每種試驗均測試水泥摻量為0、2%、3%、4%、5%和7%，然后分別養(yǎng)護1 d、3 d和7 d后進行測試。不同養(yǎng)護時間和水泥摻量下的膨脹性曲線見圖2和圖3。

圖2 自由膨脹率試驗曲線

圖3 有荷膨脹率試驗曲線

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于素土，摻入水泥后樣品的自由膨脹率有顯著改善，當水泥摻量為2%，養(yǎng)護時間1 d時樣品自由膨脹率從51%大幅度降低至42.3%，降低了約18%。同時可以看出在水泥摻量為2%～5%之間時，同樣養(yǎng)護時間條件下改性膨脹土的膨脹率總體上下降不明顯，但是當摻量達到7%后，改性膨脹土的自由膨脹率陡降至26.9%～32.1%，此時改性后的樣品已經(jīng)屬于非膨脹土。

有荷膨脹試驗結(jié)果表明，當摻入2%水泥后膨脹土的膨脹率明顯降低，摻入率在2%～5%范圍內(nèi)，養(yǎng)護時間3 d以內(nèi)，50 kPa膨脹率范圍在0.3%～0.8%之間波動；同時，試驗發(fā)現(xiàn)，在水泥摻量為7%，養(yǎng)護時間為1 d和3 d條件下，有荷膨脹率反而有所增加，分別從0.47%增加至0.77%，從0.28%增加至0.49%，分析這一產(chǎn)生原因認為由于水泥摻量過大導(dǎo)致水泥發(fā)生水化反應(yīng)進而消耗部分膨脹土表層吸附水，使得膨脹率失水干燥提高了樣品的膨脹率，說明水泥改性過程中若水泥摻量過大，將會使得改性反應(yīng)變得漫長。

3.2 抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度是土體在無側(cè)限條件下抵抗軸向壓力的極限強度，是反應(yīng)改性土體后物理力學性質(zhì)的重要參數(shù)指標之一。無側(cè)限抗壓強度試樣采用擊樣法制樣，擊實桶尺寸為φ50 mm×130 mm，試樣尺寸為φ50 mm×90 mm。

不同摻量水泥改性后的樣品的單軸抗壓強度試驗成果見圖4。

圖4 不同養(yǎng)護齡期下不同摻灰率改性土無側(cè)限抗壓強度

試驗結(jié)果可知，素膨脹土的單軸抗壓強度為0.45 MPa，當加入水泥后抗壓強度有顯著提高。從養(yǎng)護時間來看，3 d養(yǎng)護周期和1 d養(yǎng)護周期對改性土抗壓強度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強度值反而呈現(xiàn)下降趨勢，降低了8%～12%，分析認為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學性能不夠，攪拌時間超過水泥初凝時間導(dǎo)致。同時試驗發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護時間不變的條件下，隨著水泥摻量的逐步提高，改性土的抗壓強度呈緩慢增長態(tài)勢，當摻量為7%時，增長最為明顯。

3.3 液塑限試驗

改性土的界限含水率與液塑限對于工程施工和運行期間的水穩(wěn)定性非常重要。本文采用液塑限聯(lián)合測定法，測試改性土在各種養(yǎng)護周期下的特性變化規(guī)律。試驗結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 液限含水率隨養(yǎng)護時間和水泥摻量變化曲線

圖6 塑性指數(shù)隨養(yǎng)護時間和水泥摻量變化曲線

試驗結(jié)果可知，改性土的液限含水率與水泥摻量和養(yǎng)護時間呈負相關(guān)，塑限含水率與水泥摻量和養(yǎng)護時間呈正相關(guān)，當采用7%水泥摻量、養(yǎng)護時間7 d時改性土液限含水率達到最低值47.0%，塑限含水率達到最高值26.3，此時改性土的塑性指數(shù)達到最低值20.7。同時發(fā)現(xiàn)在摻量為2%～5%范圍內(nèi)改性土的塑性指數(shù)下降最為顯著，當水泥摻量為7%時，塑性指數(shù)相比5%條件下僅降低約4%～6%，說明水泥摻量超過5%之后對改性土的液性指數(shù)改善效果一般。

3.4 抗剪強度試驗

采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀測試樣品的剪切強度，試驗過程中先按預(yù)定的含水率和干密度對樣品進行擊實，將不同養(yǎng)護時間的試樣壓入試驗盒中，然后對其施加垂直荷載(每次加100 kPa)至400 kPa，待試樣破壞后記錄剪切強度。試驗結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 粘聚力隨水泥摻量和養(yǎng)護時間的變化曲線

圖8 摩擦角隨水泥摻量和養(yǎng)護時間的變化曲線

試驗結(jié)果可知，摻入2%水泥養(yǎng)護1 d后改性土的粘聚力為153.0 kPa，內(nèi)摩擦角21.2°，相較于素膨脹土(93.5 kPa，14.0°)分別增加了39.2%和51.4%。隨著水泥摻量的增大，改性土的粘聚力不斷增加，并且呈現(xiàn)先慢后快的趨勢。分析認為，由于水泥摻量達到一定值后，發(fā)生水解和水化反應(yīng)，一部分水泥與膨脹土產(chǎn)生離子交換，另一部分發(fā)生凝膠反應(yīng)，雙重作用下改變了膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用力得到增強，其外在表現(xiàn)為粘聚力增加，當水泥摻量達到7%養(yǎng)護7 d后，粘聚力增長了194.5%。

從摩擦角的變化趨勢來看，雖然隨養(yǎng)護時間和水泥摻量呈現(xiàn)正相關(guān)增長關(guān)系，但是其表現(xiàn)為先快后慢，當水泥摻量超過3%后，其摩擦角曲線近似為平行線。分析認為，由于水解和水化反應(yīng)所產(chǎn)生的離子交換與凝膠團使得膨脹土顆粒尺寸變大，微觀程度上增加了材料的表面粗糙度，使得內(nèi)摩擦角增加，摻量7%，養(yǎng)護7 d后，內(nèi)摩擦角增加了72.2%。

4 結(jié)論

通過開展引江濟淮工程J40+700～J42+200工程段內(nèi)開挖的弱膨脹土水泥改性試驗研究，分析了不同水泥產(chǎn)量和養(yǎng)護時間下的改性膨脹土的膨脹性、抗壓強度、液塑限和抗剪強度規(guī)律，為引江濟淮工程中邊坡加固和施工工藝研究提供改性配合比建議，得到了如下結(jié)論:

(1)摻入水泥后改性土的自由膨脹率有顯著改善，當水泥摻量為2%，養(yǎng)護時間1 d時樣品自由膨脹率從51%大幅度降低至42.3%，降低了約18%。摻量達到7%后，改性膨脹土的自由膨脹率陡降至26.9%～32.1%，此時改性后的樣品已經(jīng)屬于非膨脹土。

(2)在水泥摻量為7%，養(yǎng)護時間為1 d、3 d條件下，有荷膨脹率反而有所增加，分別從0.47%增加至0.77%，從0.28%增加至0.49%，分析認為水泥摻量過大導(dǎo)致水泥發(fā)生水化反應(yīng)進而消耗部分膨脹土表層吸附水，使得膨脹率失水干燥提高了樣品的膨脹率。

(3)加入水泥后抗壓強度有顯著提高。從養(yǎng)護時間來看，3 d養(yǎng)護周期和1 d養(yǎng)護周期對改性土抗壓強度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強度值呈現(xiàn)下降趨勢，降低了8%～12%，分析認為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學性能不夠，攪拌時間超過水泥初凝時間導(dǎo)致。

(4)3 d養(yǎng)護周期和1 d養(yǎng)護周期對改性土抗壓強度影響不明顯，其中在摻量為2%、4%和5%摻量下改性土的抗壓強度值呈現(xiàn)下降趨勢，降低了8%～12%，分析認為由于膨脹土和水泥攪拌初期其力學性能不夠，攪拌時間超過水泥初凝時間導(dǎo)致。

(5)摻入水泥后膨脹土發(fā)生水解和水化反應(yīng)，一部分水泥與膨脹土產(chǎn)生離子交換，另一部分發(fā)生凝膠反應(yīng)，雙重作用下改變了膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顆粒間相互作用力得到增強，并且增大了膨脹土顆粒粒徑，雙重作用下，其外在表現(xiàn)為粘聚力和內(nèi)摩擦角均大幅增加。水泥摻量在3%～5%范圍內(nèi)增速最大。

綜合以上關(guān)于養(yǎng)護時間和水泥摻量對改性膨脹土特性影響規(guī)律，同時考慮工程實際應(yīng)用，初步確定引江濟淮工程膨脹土改性中水泥摻量為3%～5%，養(yǎng)護時間3 d能夠得到最佳的力學和物理特性。