黃定強(qiáng), 董忠萍, 曾 斌, 劉清秉

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430070)

引江濟(jì)漢工程混合膨脹土水泥改性試驗研究

黃定強(qiáng)1, 董忠萍1, 曾 斌2, 劉清秉2

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430070)

引江濟(jì)漢工程位于江漢盆地西緣,引水線路中段廣泛分布膨脹土,膨脹土渠坡的處理措施是采用非膨脹土進(jìn)行換填,渠線附近缺乏非膨脹土料源,對邊坡開挖的混合膨脹土水泥改性進(jìn)行試驗研究,盡管混合土膨脹潛勢混雜,水泥能有效降低土體的膨脹性，但是水泥的改性效果受攪拌均勻度和土塊破碎程度影響大，攪拌得越均勻，顆粒破碎程度越高，水泥改性效果越好。為工程所需水泥改性土的生產(chǎn)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

引江濟(jì)漢工程;混合膨脹土;水泥改性;試驗研究

1 問題的提出

引江濟(jì)漢工程是針對南水北調(diào)工程調(diào)水后丹江口水庫下泄水量減少,對漢江中下游生態(tài)環(huán)境的影響等問題而在漢江中下游進(jìn)行的四項治理工程之一,引水線路是從長江荊江河段荊州龍洲垸引水,總體流向往北東,跨荊州市、荊門市和潛江市三個行政區(qū),在潛江市高石碑附近匯入漢江,渠道全長約67.23 km,輸水渠道中段太湖港—西荊河段(樁號:7+400～55+800)分布膨脹土,該段總長48.4 km,占引水線路總長的72%,其中中等膨脹土渠道長12.4 km。

引江濟(jì)漢工程膨脹土分布[1]見表1,膨脹土的主要性質(zhì)指標(biāo)見表2。

據(jù)初步設(shè)計報告,對于膨脹土渠坡的處理措施是采用非膨脹土進(jìn)行換填,換填厚度根據(jù)膨脹等級確定,一般1～2 m。工程區(qū)膨脹土大面積分布,渠線附近缺乏非膨脹土料源,因此需要研究膨脹土水泥改性后作為換填填筑料。

表1 引江濟(jì)漢工程沿線膨脹土分布情況表

表2 膨脹土主要特性參數(shù)表

2 膨脹土水泥改性的作用機(jī)理

水泥改良膨脹土能大幅度地提高膨脹土的穩(wěn)定性和耐久性。摻入水泥后,膨脹土的化學(xué)組成以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而引起膨脹土的強(qiáng)度、脹縮性等特性發(fā)生改變。水泥對膨脹土物理力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在以下3個方面[2]:

(1) 團(tuán)粒作用 水泥水化反應(yīng)的膠凝產(chǎn)物將土顆粒粘結(jié)起來,提高土體的穩(wěn)定性和耐水性。

(2) 離子交換作用 水泥與膨脹土發(fā)生離子交換作用改變膨脹土顆粒與水分子的作用力。

(3) 凝硬反應(yīng)和碳酸反應(yīng) 水泥凝硬反應(yīng)以及氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成耐水的碳酸鈣,提高膨脹土的強(qiáng)度。

3 膨脹土水泥改性試驗方法

關(guān)于膨脹土的改性研究,在拌合工藝上有2種:一是“廠拌法”,就是建立改性土拌合站(與水泥攪拌站類似),拌合加工的方法。其拌合較均勻,但成本高,產(chǎn)能低;另一種是“路拌法”,就是直接在空場地上,利用路拌機(jī)進(jìn)行拌合,其特點是,相對而言拌合均勻性較差,但成本低,產(chǎn)能較高。路拌有2種方式:①集中路拌,就是在一處空場地上,集中進(jìn)行水泥改性拌合,然后將改性土運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅嫔线M(jìn)行碾壓;②在工作面上進(jìn)行拌合,直接碾壓。在拌合摻料上,一般有3種:水泥改性;石灰改性;水泥和石灰混合改性。由于石灰對水環(huán)境的影響較大,因此,引江濟(jì)漢工程采用的是水泥改性。

受工程造價、工程量等各方面的影響,引江濟(jì)漢工程用于換填處理的大部分改性土都是路拌法生產(chǎn)的,路拌所用的場地是還未開挖成型的渠道底板,改性所用的原土料就是渠道施工開挖的棄土,這些棄土實際上是開挖出來的具有不同膨脹潛勢的混合土,自由膨脹率在54.17～70之間。為了研究這些混合土的水泥改性特點,有利于施工,本院和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)在2012年8月—9月底,前后分別在工程區(qū)3標(biāo)和9標(biāo)段開展了路拌法現(xiàn)場試驗,分別選取了3%、4%和5%三種水泥摻量,重點研究水泥摻量、土塊粒徑對改性土改性效果的影響。

每次現(xiàn)場拌合完畢后,對摻加不同水泥量的三種改性土現(xiàn)場均勻取樣,送至中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)國土資源部巖土檢測中心土工試驗室進(jìn)行6組平行、7天齡期的室內(nèi)自由膨脹率試驗。室內(nèi)自由膨脹率試驗嚴(yán)格按照土工試驗規(guī)程(SL237—1999)[3]進(jìn)行。

4 膨脹土水泥改性試驗成果

4.1 水泥摻量對改性效果的影響

試驗時分別做了水泥摻量0、3%、4%和5%四種情況下的改性土7天齡期的室內(nèi)自由膨脹率試驗。每組土樣在不同改性齡期下自由膨脹率的測試結(jié)果平均值見表3-表5。

表3 第一次路拌試驗改性土不同齡期自由膨脹率測試結(jié)果

注:“混”指混合膨脹土土料;“C”代指水泥(cement),下同。

表4 第二次3標(biāo)路拌試驗測試結(jié)果

表5 第三次3標(biāo)路拌試驗測試結(jié)果

以3標(biāo)第二次路拌試驗測試結(jié)果為依據(jù),將不同土料拌合水泥后,自由膨脹率隨改性齡期的變化繪圖,得到圖1。

圖1 混合土摻入4%水泥后自由膨脹率變化趨勢Fig.1 Trend of free swelling ratio of incorporation into 4% cement in mixed soil

從自由膨脹率隨水泥改性齡期的變化規(guī)律可以看到:

(1) 未添加水泥時,3標(biāo)換填料中混合土的自由膨脹率為61.75%,混合土樣的自由膨脹率實測值屬弱膨脹土。

(2) 混合料摻加4%水泥,改性一天后自由膨脹率值降低至35%左右,后期隨水泥作用齡期的增加,自由膨脹率均穩(wěn)定在30%～35%范圍內(nèi),均降低至非膨脹土界限以下,第5天時,自由膨脹率出現(xiàn)較大程度降低,為28%。

4.2 水泥路拌破碎均勻度對測試結(jié)果的影響分析

水泥改性膨脹土成功的關(guān)鍵在于水泥顆粒能否與土顆粒發(fā)生充分的離子交換及包裹、膠結(jié)作用,換言之,土顆粒破碎越細(xì),單位體積的土顆粒與水泥顆粒接觸的比表面積越大,則改性效果越明顯。路拌施工中,由于破碎拌合器械作業(yè)能力及現(xiàn)場土樣含水狀態(tài)的影響,均會導(dǎo)致膨脹土難于均勻破碎至充分與水泥顆粒有效接觸的程度,從而影響水泥與土顆粒內(nèi)部黏土礦物的充分作用,導(dǎo)致自由膨脹率指標(biāo)降低程度發(fā)生明顯差異。

試驗時為了分析破碎均勻度對測試結(jié)果的影響,對3標(biāo)混合土水泥改性至第4天的土樣,采用兩種取土方法:第一種不選取很大的水泥土顆粒,亦不選取很細(xì)的土顆粒,選擇中等稍偏下的土顆粒樣品;第二種刻意選擇較大的土顆粒,進(jìn)行比較試驗分析,按照上述兩種方法取得的土樣測試的結(jié)果見表6和表7。

從測試結(jié)果看到:土的顆粒大小對試驗結(jié)果確實有一定的影響,取土粒徑越大,自由膨脹率指標(biāo)相應(yīng)地提高。比較來看,中等偏大的土顆粒的自由膨脹率測試結(jié)果較中等顆粒的高7%左右,盡管如此,偏大團(tuán)粒樣的總體值仍在40%以下。

表6 中等顆粒(10～25 mm)改性土測試結(jié)果

表7 較大顆粒(>25 mm)改性土測試數(shù)據(jù)

上述比較試驗結(jié)果直接反映了下面兩個問題:

(1) 水泥拌合土進(jìn)行自由膨脹率試驗檢測時,如何合理地選擇能夠代表現(xiàn)場整體拌合效果及反映水泥拌合與土樣整體膨脹性能力的“代表性土顆粒大小”樣品,直接影響著檢測結(jié)果的科學(xué)性和可信程度。本次試驗不選取很大的水泥土團(tuán)粒,亦不選取很細(xì)的土顆粒,基本應(yīng)能反映水泥拌合土整體破碎顆粒分布狀態(tài)和膨脹性的整體水平。

(2) 水泥能有效降低土體膨脹性的結(jié)論,毋庸置疑。但從上述比較試驗可以看到,現(xiàn)場路拌越均勻,顆粒破碎程度越好,水泥的改性效果越達(dá)標(biāo),而拌合后,土體若均呈大團(tuán)粒狀態(tài),則很有可能導(dǎo)致水泥與土顆粒無法充分接觸作用,無法將自由膨脹率降低至40%以下。因此,如何合理控制現(xiàn)場路拌施工工藝流程,有效調(diào)節(jié)素土料的含水狀態(tài),使土顆粒破碎程度及水泥拌合程度達(dá)到最優(yōu),才是“路拌法”水泥改性膨脹土后續(xù)施工首要及最關(guān)鍵的問題。

4.3 土塊粒徑對改性效果的影響

膨脹土塊破碎粒徑的大小與水泥改性效果是密切相關(guān)的,在實驗室內(nèi)進(jìn)行了不同粒度控制的篩分檢測試驗,以確定路拌施工過程對土塊破碎的臨界粒徑值。試驗時,將3標(biāo)現(xiàn)場試驗取回的水泥土,分別進(jìn)行不同粒徑的篩分,按照“四分對角法”平均分為四個等份,每一等份均代表土顆粒的原始破碎后的分布狀態(tài),將土樣分別過31.5 mm,25 mm,20 mm及10 mm的土石篩;將每種土樣的篩下所有土全部碾碎過0.5 mm篩,烘干后進(jìn)行6組平行試驗測定,現(xiàn)場取回的混合料篩分顆粒試驗結(jié)果見表8。

表8 混合土料篩分粒徑控制試驗結(jié)果

從表8結(jié)果來看,混合土料破碎后“土塊”均可以滿足最大顆粒粒徑不超過35 mm的要求,其不同篩分控制土料的自由膨脹率均可以達(dá)到降至40%以下的標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

通過對該工程混合膨脹土水泥改性試驗研究,得出主要結(jié)論如下:

(1) 試驗表明,“路拌法”水泥改性施工雖然拌合的均勻性較差,質(zhì)量也相對難于控制,但是引江濟(jì)漢工程采取在各個標(biāo)段開挖斷面底部用開挖的混合土進(jìn)行(膨脹性弱—中等)路拌法施工的水泥改性土,能夠滿足設(shè)計要求。

(2) 混合土由于其膨脹潛勢混雜,其初始含水率較低,且塑性小,路拌后易于破碎至較小的顆粒,粒徑合理,改性效果好。

(3) 水泥拌合土進(jìn)行自由膨脹率試驗檢測時,如何合理地選擇能夠代表現(xiàn)場整體拌合效果及反映水泥拌合與土樣整體膨脹性能力的“代表性土顆粒大小”樣品,直接影響著檢測結(jié)果的科學(xué)性和可信程度。本次試驗時不選取很大的水泥土團(tuán)粒,亦不選取很細(xì)的土顆粒,基本應(yīng)能反映水泥拌合土整體破碎顆粒分布狀態(tài)和膨脹性的整體水平。

(4) 雖然水泥能有效降低土體的膨脹性,但是水泥的改性效果受攪拌均勻度和土塊破碎程度影響大,攪拌得越均勻，顆粒破碎程度越高,水泥改性效果越好。因此,如何合理控制現(xiàn)場路拌施工工藝流程,有效調(diào)節(jié)素土料的含水狀態(tài),使土顆粒破碎程度及水泥拌合程度達(dá)到最優(yōu),才是“路拌法”水泥改性膨脹土后續(xù)施工首要及最關(guān)鍵的問題。

[1] 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢).南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程渠坡膨脹土工程特性、分級評價及應(yīng)用研究專題報告[R].武漢:湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,2014.

[2] 陳善雄.膨脹土工程特性及處治技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006.

[3] 南京水利科學(xué)研究院.土工試驗規(guī)程:SL237—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

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

黃定強(qiáng)(1967-),男,教授級高級工程師,注冊土木工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)水文地質(zhì)勘察與研究工作。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

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160518.1645.002.html 數(shù)字出版日期:2016-05-18 16:45