引江济汉工程混合膨胀土水泥改性试验研究

黄定强, 董忠萍, 曾 斌, 刘清秉

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064; 2.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430070)

引江济汉工程混合膨胀土水泥改性试验研究

黄定强1, 董忠萍1, 曾 斌2, 刘清秉2

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064; 2.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430070)

引江济汉工程位于江汉盆地西缘,引水线路中段广泛分布膨胀土,膨胀土渠坡的处理措施是采用非膨胀土进行换填,渠线附近缺乏非膨胀土料源,对边坡开挖的混合膨胀土水泥改性进行试验研究,尽管混合土膨胀潜势混杂,水泥能有效降低土体的膨胀性，但是水泥的改性效果受搅拌均匀度和土块破碎程度影响大，搅拌得越均匀，颗粒破碎程度越高，水泥改性效果越好。为工程所需水泥改性土的生产提供依据和指导。

引江济汉工程;混合膨胀土;水泥改性;试验研究

1 问题的提出

引江济汉工程是针对南水北调工程调水后丹江口水库下泄水量减少,对汉江中下游生态环境的影响等问题而在汉江中下游进行的四项治理工程之一,引水线路是从长江荆江河段荆州龙洲垸引水,总体流向往北东,跨荆州市、荆门市和潜江市三个行政区,在潜江市高石碑附近汇入汉江,渠道全长约67.23 km,输水渠道中段太湖港—西荆河段(桩号:7+400～55+800)分布膨胀土,该段总长48.4 km,占引水线路总长的72%,其中中等膨胀土渠道长12.4 km。

引江济汉工程膨胀土分布[1]见表1,膨胀土的主要性质指标见表2。

据初步设计报告,对于膨胀土渠坡的处理措施是采用非膨胀土进行换填,换填厚度根据膨胀等级确定,一般1～2 m。工程区膨胀土大面积分布,渠线附近缺乏非膨胀土料源,因此需要研究膨胀土水泥改性后作为换填填筑料。

表1 引江济汉工程沿线膨胀土分布情况表

表2 膨胀土主要特性参数表

2 膨胀土水泥改性的作用机理

水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性。掺入水泥后,膨胀土的化学组成以及内部结构发生变化,从而引起膨胀土的强度、胀缩性等特性发生改变。水泥对膨胀土物理力学性能的影响主要体现在以下3个方面[2]:

(1) 团粒作用 水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘结起来,提高土体的稳定性和耐水性。

(2) 离子交换作用 水泥与膨胀土发生离子交换作用改变膨胀土颗粒与水分子的作用力。

(3) 凝硬反应和碳酸反应 水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙,提高膨胀土的强度。

3 膨胀土水泥改性试验方法

关于膨胀土的改性研究,在拌合工艺上有2种:一是“厂拌法”,就是建立改性土拌合站(与水泥搅拌站类似),拌合加工的方法。其拌合较均匀,但成本高,产能低;另一种是“路拌法”,就是直接在空场地上,利用路拌机进行拌合,其特点是,相对而言拌合均匀性较差,但成本低,产能较高。路拌有2种方式:①集中路拌,就是在一处空场地上,集中进行水泥改性拌合,然后将改性土运输到工作面上进行碾压;②在工作面上进行拌合,直接碾压。在拌合掺料上,一般有3种:水泥改性;石灰改性;水泥和石灰混合改性。由于石灰对水环境的影响较大,因此,引江济汉工程采用的是水泥改性。

受工程造价、工程量等各方面的影响,引江济汉工程用于换填处理的大部分改性土都是路拌法生产的,路拌所用的场地是还未开挖成型的渠道底板,改性所用的原土料就是渠道施工开挖的弃土,这些弃土实际上是开挖出来的具有不同膨胀潜势的混合土,自由膨胀率在54.17～70之间。为了研究这些混合土的水泥改性特点,有利于施工,本院和中国地质大学(武汉)在2012年8月—9月底,前后分别在工程区3标和9标段开展了路拌法现场试验,分别选取了3%、4%和5%三种水泥掺量,重点研究水泥掺量、土块粒径对改性土改性效果的影响。

每次现场拌合完毕后,对掺加不同水泥量的三种改性土现场均匀取样,送至中国地质大学(武汉)国土资源部岩土检测中心土工试验室进行6组平行、7天龄期的室内自由膨胀率试验。室内自由膨胀率试验严格按照土工试验规程(SL237—1999)[3]进行。

4 膨胀土水泥改性试验成果

4.1 水泥掺量对改性效果的影响

试验时分别做了水泥掺量0、3%、4%和5%四种情况下的改性土7天龄期的室内自由膨胀率试验。每组土样在不同改性龄期下自由膨胀率的测试结果平均值见表3-表5。

表3 第一次路拌试验改性土不同龄期自由膨胀率测试结果

注:“混”指混合膨胀土土料;“C”代指水泥(cement),下同。

表4 第二次3标路拌试验测试结果

表5 第三次3标路拌试验测试结果

以3标第二次路拌试验测试结果为依据,将不同土料拌合水泥后,自由膨胀率随改性龄期的变化绘图,得到图1。

图1 混合土掺入4%水泥后自由膨胀率变化趋势Fig.1 Trend of free swelling ratio of incorporation into 4% cement in mixed soil

从自由膨胀率随水泥改性龄期的变化规律可以看到:

(1) 未添加水泥时,3标换填料中混合土的自由膨胀率为61.75%,混合土样的自由膨胀率实测值属弱膨胀土。

(2) 混合料掺加4%水泥,改性一天后自由膨胀率值降低至35%左右,后期随水泥作用龄期的增加,自由膨胀率均稳定在30%～35%范围内,均降低至非膨胀土界限以下,第5天时,自由膨胀率出现较大程度降低,为28%。

4.2 水泥路拌破碎均匀度对测试结果的影响分析

水泥改性膨胀土成功的关键在于水泥颗粒能否与土颗粒发生充分的离子交换及包裹、胶结作用,换言之,土颗粒破碎越细,单位体积的土颗粒与水泥颗粒接触的比表面积越大,则改性效果越明显。路拌施工中,由于破碎拌合器械作业能力及现场土样含水状态的影响,均会导致膨胀土难于均匀破碎至充分与水泥颗粒有效接触的程度,从而影响水泥与土颗粒内部黏土矿物的充分作用,导致自由膨胀率指标降低程度发生明显差异。

试验时为了分析破碎均匀度对测试结果的影响,对3标混合土水泥改性至第4天的土样,采用两种取土方法:第一种不选取很大的水泥土颗粒,亦不选取很细的土颗粒,选择中等稍偏下的土颗粒样品;第二种刻意选择较大的土颗粒,进行比较试验分析,按照上述两种方法取得的土样测试的结果见表6和表7。

从测试结果看到:土的颗粒大小对试验结果确实有一定的影响,取土粒径越大,自由膨胀率指标相应地提高。比较来看,中等偏大的土颗粒的自由膨胀率测试结果较中等颗粒的高7%左右,尽管如此,偏大团粒样的总体值仍在40%以下。

表6 中等颗粒(10～25 mm)改性土测试结果

表7 较大颗粒(>25 mm)改性土测试数据

上述比较试验结果直接反映了下面两个问题:

(1) 水泥拌合土进行自由膨胀率试验检测时,如何合理地选择能够代表现场整体拌合效果及反映水泥拌合与土样整体膨胀性能力的“代表性土颗粒大小”样品,直接影响着检测结果的科学性和可信程度。本次试验不选取很大的水泥土团粒,亦不选取很细的土颗粒,基本应能反映水泥拌合土整体破碎颗粒分布状态和膨胀性的整体水平。

(2) 水泥能有效降低土体膨胀性的结论,毋庸置疑。但从上述比较试验可以看到,现场路拌越均匀,颗粒破碎程度越好,水泥的改性效果越达标,而拌合后,土体若均呈大团粒状态,则很有可能导致水泥与土颗粒无法充分接触作用,无法将自由膨胀率降低至40%以下。因此,如何合理控制现场路拌施工工艺流程,有效调节素土料的含水状态,使土颗粒破碎程度及水泥拌合程度达到最优,才是“路拌法”水泥改性膨胀土后续施工首要及最关键的问题。

4.3 土块粒径对改性效果的影响

膨胀土块破碎粒径的大小与水泥改性效果是密切相关的,在实验室内进行了不同粒度控制的筛分检测试验,以确定路拌施工过程对土块破碎的临界粒径值。试验时,将3标现场试验取回的水泥土,分别进行不同粒径的筛分,按照“四分对角法”平均分为四个等份,每一等份均代表土颗粒的原始破碎后的分布状态,将土样分别过31.5 mm,25 mm,20 mm及10 mm的土石筛;将每种土样的筛下所有土全部碾碎过0.5 mm筛,烘干后进行6组平行试验测定,现场取回的混合料筛分颗粒试验结果见表8。

表8 混合土料筛分粒径控制试验结果

从表8结果来看,混合土料破碎后“土块”均可以满足最大颗粒粒径不超过35 mm的要求,其不同筛分控制土料的自由膨胀率均可以达到降至40%以下的标准。

5 结论

通过对该工程混合膨胀土水泥改性试验研究,得出主要结论如下:

(1) 试验表明,“路拌法”水泥改性施工虽然拌合的均匀性较差,质量也相对难于控制,但是引江济汉工程采取在各个标段开挖断面底部用开挖的混合土进行(膨胀性弱—中等)路拌法施工的水泥改性土,能够满足设计要求。

(2) 混合土由于其膨胀潜势混杂,其初始含水率较低,且塑性小,路拌后易于破碎至较小的颗粒,粒径合理,改性效果好。

(3) 水泥拌合土进行自由膨胀率试验检测时,如何合理地选择能够代表现场整体拌合效果及反映水泥拌合与土样整体膨胀性能力的“代表性土颗粒大小”样品,直接影响着检测结果的科学性和可信程度。本次试验时不选取很大的水泥土团粒,亦不选取很细的土颗粒,基本应能反映水泥拌合土整体破碎颗粒分布状态和膨胀性的整体水平。

(4) 虽然水泥能有效降低土体的膨胀性,但是水泥的改性效果受搅拌均匀度和土块破碎程度影响大,搅拌得越均匀，颗粒破碎程度越高,水泥改性效果越好。因此,如何合理控制现场路拌施工工艺流程,有效调节素土料的含水状态,使土颗粒破碎程度及水泥拌合程度达到最优,才是“路拌法”水泥改性膨胀土后续施工首要及最关键的问题。

[1] 湖北省水利水电规划勘测设计院,中国地质大学(武汉).南水北调中线引江济汉工程渠坡膨胀土工程特性、分级评价及应用研究专题报告[R].武汉:湖北省水利水电规划勘测设计院,2014.

[2] 陈善雄.膨胀土工程特性及处治技术研究[D].武汉:华中科技大学,2006.

[3] 南京水利科学研究院.土工试验规程:SL237—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

(责任编辑：于继红)

Experimental Study on Cement Concrete Modification of Mixed ExpansiveSoil in Diversion Projects from Yangtze River to Hanjiang River

HUANG Dingqiang1, DONG Zhongping1, ZENG Bin2, LIU Qingbing2

(1.HubeiInvestigation&DesignInstituteofWaterConservancy&Hydropower,Wuhan,Hubei430064; 2.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430070)

Diversion projects from Yangtze River to Hanjiang River is located in the western margin of the Jianghan Basin,in the middle of water diversion line is extensively distributed expansive soil. Treatment measures of expansive canal slope is the non expansive soil replacement.In this paper,the mixed expansive soil cement modification of slope excavation is studied,and the main factors affecting the modification effect are compared and analyzed,which provided the basis and guidance for the production of cement modified soil.

diversion projects from Yangtze River to Hanjiang River; mixed expansive soil; cement concrete modification; experimental study

2016-05-13;改回日期:2016-05-17

黄定强(1967-),男,教授级高级工程师,注册土木工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程地质水文地质勘察与研究工作。E-mail:1031779558@qq.com

TV42+1.7

A

1671-1211(2016)03-0425-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.041

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160518.1645.002.html 数字出版日期:2016-05-18 16:45