膨胀土采用水泥进行化学改性试验研究

陈娟CHEN Juan

（广西世诚工程检测有限公司，柳州545005）

1 工程简介

在新建南宁至玉林铁路№RZ1 标施工时，由于路基挖方土体约62 万立方具有膨胀性，不能直接作为路基填料而丢弃。同时路基土方填筑量达156 万立方，可用作路基填筑的合格挖方土体及隧道弃碴合计仅为89 万元立方，即本项目需约借土67 万立方。大量土体丢弃需设置大面积弃土场，大量借土也需征用大面积取土场，无疑对自然环境造成不良影响及增加施工成本，故本项目拟对挖方的膨胀土进行改良合格后用于路基填筑，不仅能把对环境的破坏降至最低，且节约了施工成本。

2 膨胀土加固方案的选定

国内外对于膨胀土的改良、处治技术分为物理及化学方法。物理方法主要含换填、外加刚性加固物等。物理方法治理膨胀土具有耗时耗力，施工成本高等缺点，在实际施工时应用较少；化学方法主要是掺入固化剂，化学方法因为效果显著、施工快速及施工成本低而得广泛的应用。化学固化法也从传统的水泥、石灰作固化剂发展到有机聚合物再到最新的表面活性剂等；因掺入有机聚合物及表面活性剂技术尚未完全成熟，存在一定的技术风险，故本项目重点还是考虑掺入石灰或是水泥对膨胀土进行化学改良的方法。

经对以往施工的成功经验进行总结，并结合项目所在地南宁地区石灰和水泥市场供应情况、施工成本等各方面因素进行综合考虑，本项目决定采用掺入水泥对膨胀土进行改良。

因施工实践表明，没有任何一处的膨胀土加固的技术参数是万能通用的，对于每一个具体的工程项目均需根据该项目的膨胀土特性、工程要求、施工工期、施工机械设备、加固措施及加固成本等因素进行膨胀土加固试验，以确认该方法的技术可行性和经济可行性，同时获得现场施工参数，重点是最佳水泥掺入比例，以达到科学有效，经济可行的目标。

3 水泥加固膨胀土室内试验研究

3.1 试验方案

3.1.1 试验土样的选择及特性

选取本项目2 处膨胀性最强的土体作为研究对象，分别于施工里程DK104+580、DK125+795 处进行取土，编号分别为A、B。

土样呈灰色，粘性，表面光滑呈蜡状，具有膨胀土的典型外观特征。经过试验及检测分析，土样矿物成分如表1所示，土样性能指标如表2 所示。

表1 土样的矿物成分（采用X 射线试验所得）

表2 膨胀土性能指标

据上述表1、表2 可得，该土样的矿物成分中蒙脱石含量最高达26%，塑性指数超过25%，自由膨胀率超过60%，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB50112-2013）、《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB10038-2012）评判标准，可判定A、B 土样均是具有中等膨胀性的膨胀土。

3.1.2 加固剂选用

加固剂选用广西鱼峰水泥股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥（P.O）。

3.1.3 试验方法

试验的目的是验证水泥处治膨胀土在本项目的技术可行性，并在技术可行的基础上，通过对比不同水泥掺入量下膨胀土的强度和膨胀性等指标变化情况，得出水泥的最佳掺入量。

水泥掺入量按土体干质量的4%、6%、8%、10%分级进行。

化学处治膨胀土控制土体处于最佳含水量及最大干密度时，可达到最佳的处治效果，故本项目进行验证试验时，按最佳含水量及最大干密度进行指标控制。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 界限含水量试验研究

在进行工程地质勘察时，土体液限（WL）、塑限（WP）和塑性指数（IP）是进行土样类别划分和评价土体工程性质的关键依据和指标，由《土工试验规程》（SL237-199）的相关规定，进行粘性土的工程性能评价时，需进行土体液塑限等项目的试验。对于膨胀土的工程特性而言，界限含水量也是一个重要指标，能够反映土体的膨胀特性，其指标值的变化在一定程度上能够反映水泥改良膨胀土的效果。

采用液塑限联合测定仪进行液塑限测定，先向土体按干重量4%、6%、8%、10%的比例掺入水泥，按规定的试验环境及要求进行7d 养护。然后将不同比例的水掺入烘干土体中，使土体具有不同的含水量，然后闷料1d，使水份与土体充分和均匀混合后进行液塑限测定。

本项目土样界限含水量试验研究结果汇总于表3，图1 为水泥不同掺量下液限、塑性指数变化曲线。

表3 土样液塑限试验结果

从表3 的试验数据及图1 可以看出，掺入水泥后土样的液限、塑限和塑性指数出现明显的下降，说明膨胀土的水稳定性在掺入水泥后能够得到很好的改善，大幅降低了土体颗粒对于液相水的敏感性，即改变了土样的遇水膨胀性。

由表3 的试验数据及图1 还可以看出，随着水泥掺入比例从由小至大，土样的液限、塑限降幅较大，但当水泥掺入比例超过6%后，以上指标的降低幅度明显趋缓，甚至没有明显变化，表明就降低土体界限含水量而言，最佳水泥掺入量是6%。

3.2.2 击实试验

土体的最大干密度和最佳含水率是本次试验研究不可或缺的参数指标，故需进行击实试验，以测定上述两个指标在不同水泥掺入量时的变化情况。

采用轻型击实方法进行击实试验，通常取5～6 个不同含水量（不同土样含水量级差2%）的土样，拌和均匀后同样密封闷样24h，以使土与水充分混合。试验结果汇总表4中，图2 为水泥不同掺量下最大干密度变化曲线。

图1 水泥不同掺量下液限、塑性指数变化曲线

表4 击实试验结果表

图2 水泥不同掺量下最大干密度变化曲线

由表4、图2 可看出，随着水泥掺入量的增加，土体的最大干密度值增大，最佳含水量降低，且最大干密度的增长与水泥掺入量基本成正比的关系。

3.2.3 自由膨胀率试验研究

膨胀土对建（构）筑物造成破坏来自于其膨胀性，故降低其膨胀性能是本次试验的最重要目的。为对比各种水泥掺入量的加固有效性，通过无荷载膨胀量试验以验证不同掺量下的固化效果。试验结果汇总表5 中，图3 为自由膨胀率变化曲线图。

将不同比例的水泥掺入土体后，其膨胀性得到显著的降低，由表5、图3 可看出，中等膨胀性的天然原状土经过水泥化学改良后，其膨胀率显著下降，随着水泥掺入比例的上升，自由膨胀率也随之下降，当水泥掺入量为6%时，A、B 土样的膨胀率均小于40%，表明已消除膨胀土的膨胀性。当水泥掺入比例为8%时，自由膨胀率为最小，此后随着水泥掺量达到10%时，自由膨胀率稍有增加，呈现上升趋势，总体而言，膨胀率的衰减与水泥掺入比例呈下凹曲线形状。

表5 水泥不同掺量下自由膨胀率变化表

图3 水泥不同掺量下自由膨胀率变化曲线图

3.2.4 改良土的力学特性

通过水泥的加固作用，使土样的细观结构得到重塑，从而引起土体力学性质发生变化，我们需要知道掺入水泥固化剂后，土体的强度变化情况，评估水泥掺入对土体强度的影响。故进行了不同水泥掺入量下的无侧限抗压强等试验。

在土样中掺入不同比例的水泥后，无侧限抗压强度试验结果汇总表6 中，图4 为强度指标变化曲线图。

表6 水泥改良膨胀土强度指标变化表

图4 水泥不同掺量下土样强度变化曲线

由表6 数据及图4 可看出，将水泥掺入膨胀土，对于提高土体抗压强度的效果非常明显的，从强度变化曲线来看，随水泥掺入比例的提高，土体的无侧限抗压强度基本呈线性增长趋势。说明水泥与膨胀土间出现凝硬的化学反应，生成难溶于水的水化物，提高了土体强度，改善了土体的工程性质，虽然本试验的主要目的是处治土体的膨胀性，但在处理膨胀性的同时，还提高了土体强度，具有重要的工程意义。

4 加固效果评价及确定最佳掺入量

自由膨胀率和界限含水量是判断土体膨胀性的两大指标，而工程设计的重要指标是无侧抗压强度。因此，需根据各比例水泥掺入量得到的各指标变化情况及经济角度来分析、确定水泥的最佳掺入量具有实际的工程意义。

①膨胀率指标确定：从试验结果可得知，当水泥掺入量为8%时，自由膨胀率最低，故从膨胀率指标而言，8%为最佳水泥掺入比例。

②塑性指数确定：由表3 的试验数据及图1 可以看出，随着水泥按由小至大比例的掺入，土样的液限、塑限幅度非常大，但当水泥掺入比例超过6%后，以上指标的降低明显趋缓，甚至没有明显变化，说明从降低土体界限含水量而言，最佳水泥掺入量是6%。

③土体强度确定：因水泥本身具有胶结、凝结固化的作用，故随着水泥掺入比例的增长，土体无侧限抗压强度与掺入量呈线性正比增长，在各比例水泥掺入量下，其无侧限抗压强度均能满足铁路路基规范的强度要求，且遇水不崩解，呈现了较好的抗渗性。图4 为单增长曲线，即水泥掺入量越大，强度越高。

④从经济角度确定：水泥掺量越大，施工成本也就最高，经测算，水泥掺入量不超过12%时，对于经济指标而言是可以接受的。

综上所述，本次试验表明，采用水泥进行膨胀土的处理是技术可行的。8%的水泥掺入量是本项目的最佳比例。

5 结束语

试验研究表明，水泥的掺入能够显著改良膨胀土，且提高了土体的强度，改善了土体的工程特性，满足规范及设计对土体改良的要求。因本项目仅需掺入8%的水泥，成本较低，且该方法改良膨胀土施工简单，故推广应用的潜力巨大。

由于膨胀土构成和特性、掺入的固化剂的使用成本具有较强的地域差异，故改良膨胀土的办法需根据当地情况进行选用，并通过试验论证其可行性，同时获取最佳施工参数，达到技术可行，经济合理的目的。