探讨水泥改良膨胀土无侧限抗压强度

罗天才

广东省地质局第九地质大队

摘要：本文结合某一级公路改建工程，拟采用掺入一定量的水泥这一化学改良方法来提高膨胀土的无侧限抗压强度，探讨水泥掺量对水泥改良膨胀土无侧限抗压强度的影响。通过试验，深入分析了改良膨胀土无侧限抗压强度随水泥掺量的变化规律，对膨胀土地区公路路基设计及施工提供一定的参考和指导。

关键词：膨胀土；水泥；无侧限抗压强度

1膨胀土的简述

膨胀土在我国的分布范围很广，是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊粘土，主要由强亲水性矿物伊利石和蒙脱石组成。一般承载力较高，具有超固结性、崩解性以及浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，工程性质极不稳定，因此在现行的公路设计规范中，膨胀土被列为a类填料，规定不能直接作为路基填料。

膨胀土路基常见的病害有：路基沉陷、基床翻浆冒泥、下沉外挤、路肩鼓胀、边坡滑塌等，这主要是由于膨胀土承载力不足，外荷载超过了自身所能抵抗的极限强度。因而，如何对膨胀土进行改良处理，使其强度指标达到路用要求成为了亟待解决的问题之一。工程中常用的膨胀土处理方法可归结为物理改良和化学改良两大类，其中化学改良方法是在膨胀土中掺入石灰、水泥、粉煤灰或合成固化剂等材料，通过一系列的化学反应改变膨胀土的不良工程性质，使其达到路填料的标准。近年来水泥改良膨胀土在高速公路路基工程中被广泛应用，具有较好的研究及应用前景。

2表征水泥改良膨胀土的强度指标

主要包括：加州承载比（CBR）、抗剪强度、回弹模量以及无侧限抗压强度等。目前，国内外研究发现：水泥改良膨胀土的抗剪强度、CBR值以及回弹模量与水泥掺量呈正相关性，改良效果较好。但对水泥改良膨胀土无侧向抗压强度的研究相对较少，无侧限抗压强度是指试件在无侧向压力的条件下，抵抗轴向压力的极限强度，是进行路基设计的主要力学参数之一。

3水泥改良膨胀土机理

水泥是目前我国膨胀土改良技术中使用最为普遍的材料之一，普通硅酸盐水泥主要的化学成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化铝及三氧化二铁等。水泥对膨胀土的改良效果主要体现在在三个方面：水泥的水解及水化反应、离子交换和团粒化作用、碳酸化作用。

国内外众多试验研究表明：水泥改良膨胀土能显著提高膨胀土的强度特性，随着水泥掺量的增加，改良膨胀土的强度也会逐渐提高，有研究表明：当水泥掺量由5%提高至20%时，改良膨胀土轴心抗压强度可提高5倍左右。但水泥掺入量通常有一个合理的范围。当水泥掺入量过大时，水化反应所需的水质量增加造成膨胀土干燥收缩，土体产生裂缝，从而对改良膨胀土的路用性能造成了影响。因此，从技术效果和改良成本的角度综合考虑，水泥掺量控制在2%-10%之间较为合理。

4试验材料

4.1膨胀土性质

该土样为灰白色，中间夹杂灰绿色粘土条带，呈硬塑状，水平裂隙发育，含有较多的铁锰质结核。按照《公路土工试验规程》。（JTGE40-2007）对土样进行液塑限试验、自由膨胀率试验、比重实验及颗粒分析等试验，测得该膨胀土的基本物理性质指标如下：比重2.56，天然含水率30.07%，液限73.52%，塑限26.38%，塑性指数42.69，＜0.05粘粒含量为15.66%，最大干密度1.75g/cm3，最佳含水率15.33%，自由膨胀49%。根据相关规范可判定该膨胀土为高液限黏土，膨胀性较弱。

4.2水泥规格

试验用水泥采用某一普通硅酸盐水泥，标号为36.5，比重3.6，烧失量4%，氧化镁含量3.8%，细度350㎡/kg，标准稠度25.5%，安定性检验合格。

5试验方案

试验方法按照《公路土工试验规程》。（JTGE40-2007）和《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》。（JTGE51-2009）进行。为研究水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响，本试验中水泥的掺量分别为：.3%、5%、7%、9%。每种水泥掺量下的改良膨胀土根据击实所得到的最佳含水率和最大干密度制样，每组制备9个平行试样。

具体制作方法：取具有代表性的风干膨胀土置于橡胶垫上用木锤碾碎，过5mm标准筛，并测其风干含水率，然后分别将膨胀土配至预定的含水率（预留1%的水），置于塑料袋中焖料一昼夜。在试件成型钱1h内，按照预定的水泥掺量，将水泥掺入膨胀土中拌合均匀，并将预留的1%的水加入土中时，混合料的含水率达到规定的含水率，在1h内完成全部试件的成型工作。采用圆柱形试模，试模尺寸为10cm×10cm，混合料分3次灌入试模，每次灌入后后夯棒插实。

试件采用万能试验机静压成型，成型后立即脱模，称取试件的质量m，量取直径D和高度h。将试件置于万能试验机上进行抗压试验，试验过程中加载速率控制为为1mm/min。记录试件破坏时的最大压力P（N）。计算每组试验的标准差S、变异系数CV和95%保证率的值。

6试验结果及分析

水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响。由图可以看出：

（1）水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度有较大影响，通过调整水泥掺量，可显著提高膨胀土无侧限抗压强度。

（2）随着水泥掺量的增加，改良膨胀土无侧限抗压强度逐渐增大。水泥掺量从0%增长至3%时，各养护龄期下的改良膨胀土无侧限抗压强度增长幅度不大，其中最大增长幅度仅为0．22MPa。当水泥掺量由3%增长至7%时，无侧限抗压强度大幅增加，增长幅度约占总增长值的75%。产生这一现象的原因是：当水泥掺入膨胀土之后，水泥发生水解和水化反应，生成了胶凝物质，增强了土颗粒之间的连接作用；另一方面，由于离子交换、团粒化作用、凝硬反应及碳酸化作用，增大了土颗粒表面的吸附活性，使较大的土颗粒进一步团聚，团粒的增大使得膨胀土的塑性减小，强度增大，水泥的掺入同时促进了改良膨胀土自身骨架的形成，从而使得膨胀土抗压强度不断提高。

（3）当水泥掺量进一步增大时，水泥改良膨胀土无侧限抗压强度仍逐步增长，但增长幅度不大，约占总增长幅度的16%。这是因为水泥的掺量过多会大量消耗土颗粒表面吸附的自由水，使得土体因失水收缩而开裂；另一方面消耗的自由水过多，导致水化反应不能完全进行，影响了改良膨胀土强度的进一步增加，再者由于发生了水化及水解反应，水泥自身的体积也会有所收缩，造成裂缝数量和宽度进一步增加，影响了土体的整体稳定性及水稳性，抵消了部分由与水泥的掺入所带来的强度的增加，因而随着水泥掺量的继续增长，无侧限抗压强度增长幅度变缓。这表明：水泥掺量并不是越多越好，掺入水泥的比例有一个合理的范围。

7结论

通过掺水泥改良膨胀土，研究了水泥改良膨胀土无侧限抗压强度与水泥掺量及养护龄期的关系，可以得出如下结论：通过掺入水泥水泥可有效提高改良膨胀土的无侧限抗压强度，随着水泥掺量的增加，改良膨胀土无侧限抗压强度逐渐增大，但水泥掺量有一个合理的范围，综合考虑各方面的因素及相关规范要求，建议水泥掺量控制在7%左右。

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