水泥掺量对膨胀土抗剪强度的改性影响

孙 超

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

膨胀土是一种具有失水收缩、遇水膨胀等工程特性的高塑性黏土[1]，其广泛分布于六大洲40多个国家和地区，在我国20多个省、市、自治区如安徽省[2-3]、湖北省[4]及干旱、半干旱地区均有分布[5]。膨胀土主要由蒙脱石、高岭石和伊利石等组成，而蒙脱石是引发膨胀土工程问题的主要成因。据20世纪80年代美国学者统计，截至1986年在美国因膨胀土问题造成的损失达70亿美元，大于其他自然灾害损失的总和[5]。我国从20世纪50年代修建成渝铁路开始，膨胀土被国内学者广为研究，其工程性质差的成因源于其强胀缩性、裂隙性和超固结性等特性。我国南水北调中线工程也涉及膨胀土地区，其造成的建筑物、构筑物破坏类型复杂，且具有反复胀缩、强度降低特性和潜在性危险[6-7]。

1 膨胀土改性方法

在膨胀土地区进行工程建设时，通常采用物理、化学和生物等方法对膨胀土进行相应处理以降低或消除膨胀土的胀缩性，使处理后的土体拥有较小变形、较高强度和稳定性，以此来达到施工条件和要求。

物理方法主要有换填法、机械法、隔水法。对于工程量不大的基础工程，可采用换填法；强夯法等机械法主要通过机械夯实提升膨胀土体干密度，减少含水率来提升膨胀土强度；隔水法以设置地下连续墙或土体格栅的形式来增强土体的摩阻力和咬合力，达到抑制土体胀缩的目的[8-9]。

化学方法主要是通过掺加有机或无机化学材料，使其与土体中物质发生化学反应以减少膨胀土胀缩，常用的无机化学材料有水泥、粉煤灰、生石灰、熟石灰和水玻璃等[10]；常用的有机化学材料有丙烯酸盐等。其广泛用于铁路路基加固，加固边坡支护、桩基础支撑荷载传递平台等工程[11-12]。

常用的生物方法有土工织物改性法和植物改性法，用以达到护坡和防止滑坡的目的[13]。

2 材料与方法

本文中试验土样取自南水北调中线一期引江济汉工程渠道地区，其重塑土样在25%配水率下的基础物理特性见表1。选取M32.5级水泥对重塑土样进行改性后，测量其抗剪强度并与未经改性的土样对比，探究M32.5级水泥对于重塑土样的改性效果及其改性机理。

表1 原状重塑土在25%配水率下的基础物理性质

试验步骤如下：首先，将原状土样放入DHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱烘干，用粉碎机粉碎并研磨后，用筛子筛选出粒径小于等于0.3mm的膨胀土颗粒，分别混合占土样总质量5%、9%、11%、13%的M32.5级水泥，配成质量为600g、25%配水率(水与混合土粉末质量之比为1 ∶4)的水泥改性土样。其中，膨胀土粉末用托盘去皮称量，M32.5级水泥用玻璃板去皮称量，配水用喷雾瓶去皮称量。在制作完样本后，立即进行直剪试验。先用凡士林涂抹环刀内壁，再用环刀取出直径61.8mm、高20mm的样本，将环刀里的土样两面各放一片滤纸和一块透水石，缓慢将土样压入ZJ型应变控制式直剪仪的剪切盒中，随后，分别在直剪仪的砝码盘上添加相应质量的砝码，在土样上方施加大小分别为50kPa、100kPa和200kPa的垂直压力σ，然后转动手轮，以0.8mm/min的剪切速度对土样进行直剪，观察应变圈上的百分表转动，当其出现峰值时，记录下读数R，此时，认为土样被剪坏，但依旧进行剪切直至剪切位移达到4mm时停止。若剪切位移在4mm内未出现峰值，则剪切至剪切位移6mm时停止，若剪切位移在4～6mm间出现峰值，则记录峰值时百分表读数R；若剪切位移在4～6mm间仍未出现峰值，记录下剪切位移为6mm时的百分表读数R。其他平行试验的土样放入保鲜袋中密封，放入SHBY-60B型恒温恒湿养护机中养护，养护条件为恒温15℃、湿度为98%，在养护时间为1d、3d、7d、28d后以上述相同的试验方法剪切试样并记录数据。最后土样的剪切强度由式(1)算得，其中，τf为土样的抗剪强度，K为应变圈系数，本文中取1.534，R为每组剪切试验百分表读数。

τf=KR

(1)

3 试验结果与机理分析

3.1 养护时间对改性土抗剪强度的影响

图1展示的是5%～13%水泥掺量改性后的膨胀土土样在50kPa、100kPa、200kPa垂直压力下的抗剪强度，由图可知抗剪强度与垂直压力基本成线性关系，满足库仑定律。在0d养护时间下，5%～13%水泥掺量的改性土的抗剪强度变化范围分别为27.61～55.22kPa、33.75～70.59kPa、35.28～73.63kPa和35.28～72.10kPa。而在经过28d养护后，5%～13%水泥掺量的改性土的抗剪强度变化范围分别为98.18～187.15kPa、144.20～248.51kPa、164.14～266.92kPa和182.55～286.86kPa，改性效果显著，提升幅度约为养护前的4倍，同一水泥掺量改性土的抗剪强度随着养护时间的增加而增大。

图1 不同水泥掺量改性土在不同垂直压力下抗剪强度曲线

图2展示的是5%～13%水泥掺量改性后的膨胀土土样在不同养护时间内的抗剪强度，强度提升最快的养护时间段为0～1d，提升最慢的养护时间段为7～28d，即养护前期抗剪强度提升快，养护后期抗剪强度提升较慢。养护7d后的抗剪强度已能达到养护28d后抗剪强度的50%以上，表明水泥的改性作用主要是由于水泥的水化作用产生凝胶体，起到连接土颗粒从而增加强度的作用。

图2 不同水泥掺量改性土在不同养护时间下抗剪强度曲线

3.2 水泥掺量对改性土抗剪强度的影响

图3为养护28d后不同水泥掺量改性土与未改性重塑土的抗剪强度比较，由图3可知，水泥改性土在养护28d后，相同垂直压力条件下，5%水泥掺量改性土与未改性重塑土相比，抗剪强度有了显著的提升；随着掺量的增大，水泥改性土的抗剪强度仍有提升，但提升幅度不断减少。总体来说，水泥掺量越大，水泥改性土的抗剪强度越高，相对于未改性重塑土改性效果越好。

图3 养护28d后不同水泥掺量改性土与未改性重塑土抗剪强度比较

图4揭示了抗剪强度与水泥掺量的关系，相同垂直压力条件下，随着水泥掺量的增大，抗剪强度逐渐增大，成近似线性关系，根据图中数据点拟合出图中曲线，为其他水泥掺量改性后的膨胀土提供了剪切强度的预测范围。此外，随着垂直压力的增大，曲线斜率越大，意味着在相对较高的垂直压力情况下，水泥掺量对改性膨胀土的抗剪强度影响越大。

图4 抗剪强度与水泥掺量的关系

3.3 改性机理

应用库仑定律，即公式(2)，其中c是黏聚力，φ是内摩擦角，黏聚力为抗剪强度—垂直压力曲线在y轴上的截距，内摩擦角为抗剪强度—垂直压力曲线的斜率，根据图1可计算出养护28d后的改性土样的黏聚力和内摩擦角，见表2。对比未经改性的重塑土样，黏聚力由10.5kPa提升至68.5～147.8kPa，约提升7～15倍，这是由于水泥水化作用后产生的凝胶体附着在土颗粒间，经过水泥养护后的硬化，对土颗粒产生巨大的胶结作用；此外，内摩擦角由5.6°提升至30.7°～34.8°，约提升6倍，一方面，是由于养护后硬化的水泥增加了颗粒间的粗糙程度，另一方面，是由于水泥在水化过程中消耗土样中自由水及黏土颗粒中的结合水，减弱了水分在颗粒间的润滑作用。同时，测得改性后土样的塑限、液限计算得到的塑性指数，塑限由20.8%大幅提升至40.5%～43.6%，而液限由63.5%小幅下降至44.6%～57.3%，见表2，说明水泥改性主要对土样塑限影响较大；根据Holtz&Gibbs提出的膨胀土分类标准[14]，改性后的膨胀土类型为弱膨胀土，改性效果明显。

τf=c+σtanφ

(2)

4 结 论

膨胀土由于其遇水胀缩的特性，易造成建筑工程的安全事故。本文选取南水北调中线一期引江济汉工程渠道地区的膨胀土样，通过对M32.5水泥掺量分别为5%～13%的改性土样与未经改性的重塑土样直剪试验对比发现，同一水泥掺量下的改性土其抗剪强度随着养护时间的增加而增大，养护前期抗剪强度提升快，养护后期抗剪强度提升较慢；此外，水泥掺量越大，水泥改性土的抗剪强度越高，相对于未改性重塑土改性效果越好，且垂直压力越大，水泥掺量对改性膨胀土的抗剪强度影响越大。水泥改性膨胀土的机理主要是水泥的水化作用能产生起到胶结作用的凝胶体，且该凝胶体经养护后硬化增加了土颗粒间的粗糙程度，此外，水化作用还消耗土体中自由水及黏土颗粒中的结合水，减少了水分在颗粒间起到的润滑作用，从而提升膨胀土的抗剪强度。本文为引江济汉工程提供膨胀土改性方案可行性的理论依据，同时，具体施工过程中采用的水泥型号及掺量需综合考虑经济及环境因素进行调整。