水泥改性土砂化试验研究

曹 玮俞 瑾王光达孙 东

（1.治淮工程建设管理局淮苏公司 蚌埠 233000 2.温州市交通工程质量监督局 温州 325015 3.中国水电建设集团十五工程局有限公司 西安 710000）

水泥改性土砂化试验研究

曹 玮1俞 瑾1王光达2孙 东3

（1.治淮工程建设管理局淮苏公司 蚌埠 233000 2.温州市交通工程质量监督局 温州 325015 3.中国水电建设集团十五工程局有限公司 西安 710000）

选取南水北调中线南阳段膨胀土，进行水泥改性。夏季高温时段进行改性土填筑时，由于水泥改性土砂化严重，导致土体压实困难，压实度难以满足设计要求。通过砂化机理和砂化试验对水泥改性土砂化进行了研究，砂化机理主要是水泥水化物中的Ca2+与土颗粒表面阳离子之间的离子交换作用，砂化后改性土土体含水率降低，10mm以下的细粒增多，易于破碎，粘性降低。

膨胀土 水泥改性 砂化 离散程度

南水北调中线工程沿线广泛分布着膨胀土，大量亲水性粘土矿物的存在使膨胀土具有显著的胀缩性，易造成滑坡、溜塌及坍滑等工程问题，带来巨大的安全隐患。目前，南水北调中线膨胀土地区采用水泥改性膨胀土的方法进行换填处理。由于水泥具有凝结硬化的功能，若改性土放置时间过长，未及时填筑，将导致压实变得困难，达不到压实度要求。南阳段镇平二标在夏季高温时段进行改性土填筑时，往往会出现压实度达不到设计要求的现象，分析得出水泥改性土的砂化是导致其压实度达不到设计要求的重要因素。本文对水泥改性土的砂化进行了试验研究。

1 土体砂化技术

在公路工程施工中，高塑性的粘土、高液限土和天然含水率较高的过湿土常采用掺加生石灰或消石灰的方法进行改良，以降低土体的含水率和粘性，改善工程特性，方便施工，这一过程称为“砂化”，闷料2～3天后，土体易于破碎，外观上表现出类似于砂土的性质，呈散粒状。石灰土砂化主要机理是生石灰与土的一系列复杂反应：石灰的消解会吸收土中大量的水分，同时土中的Na+、H+、Ka+与石灰中的Ca2+发生离子交换，从而增加土颗粒表面的带电量，能明显降低土体粘粒含量和塑性指数。所以，在实际工程中常采用这种方法使土体在含水率较高的情况下使含水率迅速降低，同时也使它的粘性显著下降，使土体在外力作用下易于破碎并且使含水率迅速降至最优含水率的附近，这种方法对于实际的工程将会产生十分有利的作用。

2 天然土料基本特性

试验土样颜色为黄褐色，硬塑状态，含少量砂粒和姜石。试验前，将土样进行混合，使土的性质均匀一致，根据《土工试验规程》（SL/T237-1999），测定土样的比重、天然含水率、液限、塑限、自由膨胀率等基本物理性质指标见表1。

3 水泥改性土砂化现象分析

本文膨胀土掺入水泥后，由于水泥与土的相互作用，也会产生砂化。由表1可知，天然土料含水率为17.8%，塑性指数为18.7，既不属于高塑性土、高液限土，也不属于过湿土，土颗粒本来就呈散粒状，并不需要像上文一样掺灰砂化以方便施工。当水泥掺入到土中后，土体便开始砂化，土含水率逐渐降低，土颗粒表面钙化；同时由于水泥具有凝结硬化功能，土颗粒凝结变硬，形成稳定的水泥石骨架。若改性土放置时间过长，含水率逐渐降低，小于改性土最优含水率；土颗粒凝结硬化，现场填筑碾压会多消耗一定的压实功，将导致压实变得困难，达不到设计压实度要求。

南水北调中线工程水泥改性土生产采用场拌法，在渠道沿线设立若干拌和站，水泥改性土生产完成后，由运输车辆运送到施工段进行填筑，“改性土生产—运输—倾卸—铺土”这一过程需要一定的时间，南阳段镇平二标总长12km，渠道沿线只设置了2座水泥改性土拌和站，运输时间较长，在夏季高温时段，会加速改性土水分的蒸发，现场碾压时发生起皮现象，压实度往往达不到98%的设计要求。综上分析，导致该情况的一个重要因素是水泥改性土的砂化。砂化对于高塑性土、高液限土和过湿土是有利的，而对于本文膨胀性土恰好相反，水泥改性土砂化是无法阻止或避免的，所以在改性土填筑碾压成型前，应尽量减弱砂化程度，下文拟从砂化机理和砂化试验两部分对水泥改性土砂化进行分析。

4 水泥改性土砂化机理

水泥掺入到土中后会发生一系列的物理化学反应，主要包括水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒的相互作用、碳酸化反应。砂化是随着这种反应同时进行的，其机理主要包括以下两个方面：一是掺入水泥可以降低土体的含水率，导致土体含水率降低主要因素有三个方面：（1）湿土掺入水泥后，干湿材料之间相互的混合作用；（2）水泥的水解水化反应消耗了部分水分；（3）水泥水解水化反应是放热反应，蒸发了部分水分。二是离子交换作用，微小的土颗粒具有一定的胶体性质，带有负电荷，表面吸附一定数量的Na+、H+、Ka+，水泥与土中的水相互作用后生成的Ca2+，与土中的Na+、H+、Ka+发生离子交换，交换后土颗粒的表面会发生钙化，减少了土颗粒表面吸着水膜的厚度，使许多单粒土聚成团粒，组成一个稳定的结构，形成团粒土，类似砂土，降低了土的粘性。

表2 水泥改性土砂化后颗粒组成

5 砂化试验

目前，岩土工程界对土体砂化还未形成权威的定义及砂化程度的判别标准，河海大学王保田、张福海等对石灰改良过的湿土和水泥石灰复合改良膨胀土施工工艺进行研究时，提出“二次掺灰”工艺，第一次掺灰的目的主要是使土体的含水率初步降低，通过“焖料”使土体黏性降低、易于破碎、方便施工，即“砂化”，砂化后土体呈散粒状，可以提高第二次掺灰的均匀性。第一次掺灰主要起辅助性作用，所以存在一个“砂化标准掺灰量”，使土体砂化，针对这个标准，应进行天然土体砂化试验。砂化试验的判别标准是砂化后土体的分散程度，过湿土砂化前是成团的泥块，掺灰砂化后是分散的土颗粒团，由砂化试验结果可知：采用2%的生石灰对土体进行砂化处理，效果明显且经济合理，有助于天然土体离散化，降低黏性，故建议采用2%的生石灰作为砂化掺量。

本文水泥改性土的砂化试验也采用此判别标准，即根据掺入水泥后土颗粒的离散程度来判断砂化程度的高低。需要说明的是，本文砂化试验不是为了得出“砂化标准掺灰量”，而是为了研究水泥改性土在不同条件下的砂化程度。

5.1试验仪器

分析筛：孔径20mm、10mm、5mm、2mm。

天平：量程5kg，最小分度值0.1g；量程200g，最分度值0.01g。

其他工具：铁铲、烘箱、铝盒等。

5.2试验步骤

图1 砂化土粒通过率与孔径关系曲线

5.2.1取风干的天然土料1kg，测定其含水率，加水调配至含水率为17%（近似现场含水率），并闷料24h，使水分分布均匀。5.2.2该标段水泥改性土设计掺量为4%，故掺入4%的水

泥，充分拌和均匀，装入敞口的塑料袋中，静置3天，每天翻拌一次，并进行人工破碎。

5.2.3闷料3天后，测定土样的含水率，并进行翻拌破碎。

5.2.4取出所有土样，进行筛分试验，测定试样团粒分布状况。

5.3试验结果分析

由表2和图1，可以得出结论：（1）闷料3天后，测定含水率，天然土料含水率为15.6%，水泥改性土的含水率13.2%，由此可知，在天然土料中掺入水泥能初步降低含水率；（2）天然土料掺入4%水泥后，团粒分布有较大的变化，10mm以下的细粒明显增多，由40.5%变为85.5%，土颗粒离散程度明显；（3）由室内试验可知，对天然土料进行破碎时，比较粘手，而水泥改性土不粘手，粘性已大幅度降低；（4）综合上述分析，说明天然土料掺入水泥也会发生砂化，砂化的具体表征是土体含水率降低、易于破碎、粘性降低。

6 结论

本文对南水北调中线水泥改性土砂化进行了试验研究，得出主要结论：水泥改性土掺入土中也会产生砂化，砂化后土体含水率降低、细粒增多、易于破碎；水泥改性土砂化机理主要是水泥水化物中的Ca2+与土颗粒表面阳离子发生离子交换作用；以水泥改性土砂化后土颗粒的离散程度来判断砂化程度是合理的■

（专栏编辑：顾 梅）