膨胀土水泥改性试验研究

黄 斌，聂 琼，徐言勇，罗 菊

（1．长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．中国地质大学（武汉）研究生院，武汉 430074）

膨胀土含有较多的黏粒及亲水性强的蒙脱石、伊利石和高岭土等矿物成分，具有遇水膨胀、崩解、软化，失水收缩、干裂、硬化等工程特性［1］。在我国膨胀土分布较广的地区，往往又存在着土地资源匮乏的问题，因此不得不利用工程性质不良的膨胀土作为工程材料。这时为保证工程质量，需对膨胀土进行性质改良，方可作为填料，比如对于引水工程中遇到的膨胀土可采用加强水稳性的改良方法，而水泥就是一种水稳定性好的无机化学改性剂［2］。

本文选取南水北调中线工程南阳段中膨胀土，采用水泥对其改性，通过室内试验研究了水泥最佳掺量的确定方法及水泥改性对胀缩特性、强度软化、模量降低的抑制效果。为膨胀土现场水泥改性的设计施工提供科学的、有价值的依据。

1 素土及改性土基本物理性质

选取南水北调中线工程南阳段中膨胀土料进行均匀拌和，采用复合硅酸盐水泥P．C32．5对素土进行水泥改性。中膨胀土及改性土的物理性试验成果见表1。可知：

（1）南阳中膨胀土的液限平均为64．8%，塑性指数平均为39．6，属高液限黏土；水泥掺量为6%的改性土的液限为61．4%，塑性指数为26．6。可见，改性土的液限略小于素土，但塑性指数明显较素土小，表明中膨胀土经改性后土中结合水的可能含量显著减小。

表1 膨胀土及改性土物理性质成果表Table 1 The results of physical properties for expansive soil and improved expansive soil

（2）南阳中膨胀土的自由膨胀率为73%～80%，平均为77%，属中膨胀土，胶粒含量高达29．5%。

2 水泥改性土击实试验

中膨胀水泥改性土的击实特性与水泥掺量的关系如图1、图2所示。可知：

（1）中膨胀改性土重型击实得到的最优含水率较轻型击实的低6．3%～7．2%，最大干密度较轻型击实的大0．21～0．23 g／cm3。

（2）水泥掺量越高，改性土的最大干密度越大，且最大干密度与水泥掺量成较好的线性增长关系；水泥掺量越高，最优含水率越小，且最优含水率与水泥掺量成较好的线性下降关系。

图1 改性土最大干密度与水泥掺量的关系Fig．1 The relationship between maximum dry density and cement content for improved expansive soil

图2 改性土最优含水率与水泥掺量的关系Fig．2 The relationship between optimum water content and cement content for improved expansive soil

3 水泥改性土胀缩性试验

3．1 水泥改性土的自由膨胀率试验

对中膨胀水泥改性土进行了自由膨胀率试验，水泥改性土在恒温、恒湿条件下进行养护；水泥改性膨胀土料为素土散样拌水泥，一定龄期的养护后进行试验；击实水泥改性土样为素土拌水泥后进行击实，一定龄期的养护后再人工碾碎进行试验。改性土28 d龄期自由膨胀率与水泥掺量关系见图3所示；0 d龄期水泥改性膨胀土料的自由膨胀率与水泥掺量的关系见图4所示。由图可知：

（1）随水泥掺量的增加，自由膨胀率越低。中膨胀素土击实水泥改性样28 d龄期的自由膨胀率随水泥掺量的增加而变化，且存在1个拐点。当水泥掺量小于6%时，随掺量的增加，自由膨胀率变化较大；水泥掺量大于6%时，随掺量的增加，自由膨胀率变化较小，因此，对于中膨胀素土，水泥改性的掺量以6%为宜。同时，为了考虑拌和工艺、造价及现场施工等因素，还需在一定龄期后取样进行校核试验，以综合确定施工用的水泥掺量。

（2）击实水泥改性样较水泥改性土料的自由膨胀率低，水泥掺量超过8%后，水泥改性土料的自由膨胀率与击实水泥改性样的自由膨胀率较接近，表明水泥掺量超过某一值后击实对改善水泥、膨胀土之间的水化作用效果不显著。

（3）水泥的自由膨胀率为1%，素膨胀土的自由膨胀率为77%，图4中这2个数据点的连线的物理意义为：在假定水泥对膨胀土不发生水化作用的条件下，水泥改性膨胀土料的自由膨胀率随水泥掺量变化的关系曲线。由图4可见，水泥改性膨胀土料的自由膨胀率比假定水泥跟土不发生相互作用的自由膨胀率要小，表明膨胀土掺入水泥后，发生了较大程度的胶结水化作用、阳离子交换作用，膨胀土黏粒附近的水膜厚度大大减薄。

图3 改性土28 d龄期的自由膨胀率与水泥掺量关系Fig．3 The relationship of free expansion ratio and cement content for improved expansive soil with curing time of28 d

图4 改性土0 d龄期的自由膨胀率与水泥掺量关系Fig．4 The relationship of free expansion ratio and cement content for improved expansive soil with curing time of 0d

3．2 水泥改性土的有荷膨胀率试验

进行了水泥改性土与素土的有荷膨胀率试验，土样制备含水率为21．0%，压实度为93%，采取轻型击实标准；水泥改性土在恒温、恒湿条件下进行一定龄期的养护。有荷膨胀率试验成果见图5、图6。由图可知：

（1）中膨胀素土掺水泥后的有荷膨胀率明显降低，尤其在低压力作用下的膨胀率降低幅度更加显著；素土的无荷膨胀率为13．6%，水泥掺量6%的水泥改性土28 d龄期的无荷膨胀率为0．11%。

（2）中膨胀素土及其水泥改性土的有荷膨胀率在压力由0～6．25 kPa之间发生陡降，之后素土随压力的增加降低幅度变缓，而改性土的有荷膨胀率随压力的增加几乎不变；可见在荷载施加的初期，外加荷载对膨胀量的抑制作用十分显著。

（3）随着龄期的增加，水泥改性土的膨胀率变小；水泥掺量为6%的改性土0 d龄期时的无荷膨胀率为6．28%，而7 d，28 d龄期的无荷膨胀率分别降低了5．06%（差值）和6．17%（差值）。

图5 改性土0 d龄期膨胀率与压力关系Fig．5 The relationship of expansion ratio and pressure for improved expansive soilwith curing time of0 d

图6 水泥掺量6%的改性土膨胀率与压力的关系Fig．6 The relationship of expansion ratio and pressure for improved expansive soil with cement content of6%

3．3 水泥改性土的收缩试验

采用轻型击实法，对水泥改性土与素土进行了收缩试验，土样制备含水率均为21．0%，压实度为93%。水泥改性土在恒温、恒湿条件下进行一定龄期的养护。改性土收缩特性试验成果见表2。可知：

表2 改性土收缩特性试验成果Table 2 The test results of shrinkage characteristics for improved expansive soil

（1）随水泥掺量的增加，线缩率、收缩系数、体缩率均减小。水泥掺量为6%时膨胀土的收缩特性明显降低，超过6%掺量后其改性效果不显著。可见中膨胀水泥改性土的最佳掺量为6%。

（2）素土的线收缩率为5．01%，水泥掺量6%的改性土28 d龄期的线收缩率为1．23%，收缩特性显著降低。

（3）随龄期的增加，线缩率、收缩系数、体缩率均减小，水泥掺量低的膨胀土其收缩特性受龄期的影响更加显著。

4 水泥改性土力学性质试验

4．1 水泥改性土无侧限抗压强度试验

采用轻型击实法，对水泥改性土与素土进行了饱和无侧限抗压强度试验，改性土样水泥掺量为6%，改性土及素土的制备含水率为21．0%，压实度为93%，水泥改性土在恒温、恒湿条件下进行了一定龄期的养护。饱和状态的无侧限抗压强度试验成果见表3，饱和改性土无侧限抗压强度试验应力应变关系如图7。由图表可知：

表3 饱和状态无侧限抗压强度试验成果Table 3 The unconfined compressive strength test results under saturated state

图7 饱和改性土单轴试验的应力应变关系Fig．7 The relationship of stress and strain of uniaxial compressive strength test for saturated improved expansive soil

（1）饱和素土的无侧限抗压强度试验应力应变关系呈硬化型，破坏应变取15%。饱和改性土的无侧限抗压强度试验的应力应变均为应变软化型，破坏应变小于1%，为脆性破坏。

（2）饱和素土的抗压强度为41．6 MPa，初始切线模量为1．35 MPa；28 d龄期的饱和改性土的抗压强度为247．2 MPa，初始切线模量为46．4 MPa；水泥的掺入对龄期28 d后的饱和强度提高非常显著，能很好地抑制强度软化。

（3）抗压强度、初始切线模量、破坏应变均随龄期的增加而变大，且随龄期的增长其影响程度减小。

4．2 水泥改性土压缩试验

采用轻型击实法，对中膨胀水泥改性土及素土进行了饱和压缩试验，改性土样水泥掺量为6%，改性土及素土的土样制备含水率为21．0%，压实度为93%；水泥改性土在恒温、恒湿条件下进行了一定龄期的养护。饱和中膨胀水泥改性土压缩试验成果见表4。由表可知：

表4 饱和改性土压缩试验成果Table 4 The compression test results of saturated improved expansive soil

（1）饱和素土的压缩系数为0．868 MPa－1，属高压缩性土，掺6%水泥以后，压缩系数明显小于0．1 MPa－1，呈低压缩性。素土的饱和压缩模量为2．60 MPa，掺入6%水泥改性后，28 d的饱和压缩模量增加到69．4 MPa，充分表明中膨胀土掺入水泥改性能很好地抑制素土的模量降低。

（2）随龄期的增加，饱和水泥改性土的压缩模量增大，且随龄期的增长其影响程度减小。

5 结 语

本文通过对膨胀土水泥改性试验研究，得出以下结论：

（1）水泥掺量越高，改性土的最大干密度越大，且最大干密度与水泥掺量成较好的线性增长关系；水泥掺量越高，最优含水率越小，且最优含水率与水泥掺量成较好的线性减小关系。

（2）随水泥掺量的增加，胀缩特性降低，但掺量达一定程度后，掺量的增加对胀缩特性的抑制效果并不明显，这个结论可用于水泥最佳掺量的确定。

（3）饱和膨胀土的应力应变关系为应变硬化型，而饱和改性土表现为应变软化，呈脆性破坏，且水泥的掺入对龄期28 d后的饱和强度提高非常显著，表明它能很好地抑制强度软化。

（4）饱和膨胀土属高压缩性土，掺入6%水泥后呈低压缩性，表明水泥改性能很好地抑制膨胀土的模量降低。

［1］ 廖世文．膨胀土与铁路工程［M］．北京：中国铁道出版社，1984．

［2］ 贺行洋，陈益民，张文生，等．膨胀土化学固化现状及展望［J］．硅酸盐学报，2003，31（11）：1101－1106．

［3］ 杨果林，刘义虎，黄向京．膨胀土处置理论与工程建造新技术［M］．北京：人民交通出版社，2008．

［4］ 王保田．膨胀土的改良技术与工程应用［M］．北京：科学出版社，2008．