（岩土工程专业论文）膨胀土水泥改性试验研究.pdf

摘要 膨胀土作为一种典型的非饱和土，具有显著的吸水膨胀软化和失水收缩开裂 特性，它在全世界范围分布较广，对水利、道路等工程建设的危害较大，由于防 治困难，膨胀土的工程问题一直以来都受到国内外学术界和工程界的高度重视。 南水北调，t 程由于受膨胀土的胀缩性的影响，会出现浅层滑坡、地裂，新开挖的 坑( 槽) 壁发生坍塌，引起渠道开裂、渗漏等灾害，因此对膨胀土的治理工作十 分关键。在一些膨胀土地基处理方法中，通过化学固化剂改良膨胀土，由于其良 好的性价比逐渐得到广泛的认可，对其加固机理、设计方法等方面的研究也正在 逐步深入。国内外常用化学固化剂有石灰、粉煤灰、水泥等，其中水泥不仅能有 效改良膨胀土，而且对于渠道水质的污染较轻，相对其他固化剂更适用于膨胀土 渠道工程。 本文以南阳地区膨胀土为研究对象，对其加入水泥并进行化学改性实验研究。 通过室内物理性质指标实验，得出水泥改性对膨胀土的膨胀性和收缩性等基本物 理指标的影响程度，初步判定水泥改性的成果。考虑到应如何控制水泥掺量比， 进一步对不同水泥掺量比的改性膨胀土进行物理性质指标实验，对比实验结果， 分析得出水泥掺量比对膨胀土改性效果的影响，并从中找出改性土的最佳水泥掺 量比。膨胀土作为一种非饱和土，其强度除了受饱和土理论中的粘聚力和内摩擦 角影响，还与基质吸力有关。采用非饱和直剪方式进行实验研究，通过控制实验 过程中的垂直应力和吸力的大小并加以改变，分析对比吸力对膨胀土强度的影响 以及改性土与素土在剪切过程中强度、变形变化的区别。通过以上物理力学实验， 分析得出水泥改性膨胀土的结论如下： 1 水泥改性土自由膨胀率和收缩系数较素膨胀土都有明显降低，水泥改性中 膨胀土的自由膨胀率下降最多达到2 8 ；水泥改性弱膨胀土自由膨胀率下降最多 达到1 7 。水泥改性中膨胀土收缩系数下降多达o 3 ； 2 加大水泥的掺入量能加强膨胀土的改性效果，但当水泥掺量到达一定程度 之后，改性效果变化不再明显，改性土的性质随水泥掺量的增大逐渐趋向于稳定。 实验得出中膨胀土最佳水泥掺量为6 ，弱膨胀土最佳水泥掺量为4 ； 3 改性土试样剪切强度较素土有了明显的提升。在剪切过程中，改性土的强 度变化表现为软化型，存在着应力峰值，而素土强度变化趋于平缓稳定，并未出 现明显峰值，表现为硬化型。改性膨胀土的强度主要来源于土体自身的粘聚力、 内摩擦角以及水泥强度骨架，吸力对改性土的强度贡献相对较小，而素膨胀土的 强度有很大一部分是由吸力的强度贡献值来控制的。由于水泥骨架的存在增大了 土体内部的密实程度，改性土在剪切过程中竖向变形均表现为剪胀，而素膨胀土 均为减缩。 关键词：膨胀土；水泥；化学改性；非饱和直剪 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i l a so n eo ft y p i c a lu n s a t u r a t e ds o i l ，i ti sag r e a th a r mt ow a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c ta n dh i g h w a ye n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i ct h a te x p a n d s w h e ns u c k i n gw a t e ra n dc o n t r a c t sw h e nl o s i n gw a t e r e x p a n s i v es o i lp r o b l e mi sv e r y h a r dt op r e v e n t ，i th a sb e e np a i dh i g ha t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d e x p a n s i v es o i l p r o b l e mh a sb e e nag r e a th a r mt os o u t h t o n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t ，b e c a u s eo f e x p a n s i v es o i lp r o b l e mt h ec h a n n e lw i l lb r e a ka n dc o l l a p s e ，s oh o wt op r e v e n t e x p a n s i v es o i lp r o b l e mi sv e r yi m p o r t a n t c h e m i s t r ym o d i f i e de x p a n s i v es o i lh a sb e e na u s u a lw a yt od e a lw i t he x p a n s i v ep r o b l e mb e c a u s eo fi t sg o o dc o s tp e r f o r m a n c e m o d i f i e de x p a n s i v es o i lw i t hc e m e n ti sag o o dw a yt od e a lw i t he x p a n s i v es o i lp r o b l e m a n db e c a u s ec e m e n th a sl i t t l ep o l l u t i o nt ow a t e r , i td oab e t t e rj o bt h a nl i m ea n df l y - a s h i ne x p a n s i v es o i lc h a n n e lp r o j e c t w i t ht h er e s e a r c ho b j e c to fe x p a n s i v es o i li nn a n y a n gi n t e r m i n g l e db yc e m e n ta n d b yt h ep h y s i c a le x p e r i m e n t s ，i ti sf o u n do u tt h a tu s i n gc e m e n tt om o d i f ye x p a n s i v es o i l h a se f f e c to nt h ec h a r a c t e ro fe x p a n s i o na n dc o n t r a c t i o n i no r d e rt of i n do u tt h eb e s t c e m e n tc o n t e n t ，p h y s i c a le x p e r i m e n t sw i t hd i f f e r e n tc e m e n tc o n t e n tw e r ec a r r yo u t e x p a n s i v es o i la so n eo fu n s a t u r a t e ds o i l ，i t ss t r e n g t hi sn o to n l yd e p e n d so nc o h e s i o n a n df r i c t i o na n g l eb u ta l s os u c t i o n i no r d e rt of i n do u tt h ee f f e c to fs u c t i o nt ot h e s t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i l a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne x p a n s i v es o i lt om o d i f i e d e x p a n s i v es o i l ，u n s a t u r a t e dd i r e c ts h e a re x p e r i m e n t sw e r ec a r r yo u ti nt h ec o n t r o lo f d i f f e r e n tv e r t i c a lp r e s s u r ea n ds u c t i o n b yt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa b o v e ，m a i n r e s e a r c hf i n d i n g sc a nb eo b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ef r e ee x p a n s i o ne f f i c i e n c ya n dc o n t r a c t i o nc o e f f i c i e n to fe x p a n s i v es o i la r e r e d u c e db yi n t e r m i n g l ec e m e n t t h er s e u l t ss h o w st h a tt h ee x p a n s i o ne f f i c i e n c yo f m i d d l ee x p a n s i o ns o i lr e d u c eu pt o2 8 a n dt h ee x p a n s i o ne f f i c i e n c yo fw e a k e x p a n s i o ns o i l r e d u c eu pt o17 t h ec o n t r a c t i o nc o e f f i c i e n to fm i d d l ee x p a n s i v es o i l r e d u c e su pt o0 3 2 i n c r e a s et h ec o n t e n to fc e m e n tw i l li m p r o v et h em o d i f i e de f f e c t ，b u ta st h e c o n t e n to fc e m e n tr e a c ht oac e r t a i nd e g r e e ，t h e r ei sn om o r ec h a n g eo fm o d i f i e d e f f e c t t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h eb e s tc e m e n tc o n t e n to fm i d d l ee x p a n s i v e s o i li s6 a n dt h eb e s tc e m e n tc o n t e n to fw e a ke x p a n s i v es o i li s4 3 t h es t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i li si m p r o v e dal o tb yi n t e r m i n g l ec e m e n t t h e p e a kv a l u eo fs h e a rs t r e n g t hc a l lb ef o u n do u tc l e a r l yi ne x p e r i m e n t so fe x p a n s i v es o i l m o d i f i e db yc e m e n tt h a td on o ta p p e a ri nt h ee x p e r i m e n t so fe x p a n s i v es o i l t h em a i n s t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i lm o d i f i e db yc e m e n ti sc o n s i s to fc o h e s i o na n df r i c t i o na n g l e a n dc e m e n tf r a m e ，o n l yal i t t l es t r e n g t hi sc o n s i s to fs u c t i o n ，b u ts u c t i o np l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h es t r e n g t ho fe x p a n s i v es o i l d u r i n gs h e a rp r o c e s se x p a n s i v es o i l m o d i f i e db yc e m e n te x p a n db e c a u s eo ft h ec e m e n tf r a m em a k et h es o i lm o r ed e n s e ，b u t t h ee x p a n s i v es o i lc o n t r a c td u r i n gs h e a rp r o c e s s k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o i l ；c e m e n t ；c h e m i s t r ym o d i f i e d ；u n s a t u r a t e dd i r e c ts h e a r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：够魍日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生( 签名) ：丝遂咝导师( 签名) ：日期：2 q ! q 赵旦 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物成分( 蒙脱石和伊利石) 组成的，具有膨 胀结构以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土，也是典型的非饱和 土。因其较大的往复胀缩性，也称胀缩土；有的裂隙很发育，被称为裂土。其化学成分 主要为s i 0 2 ，心0 3 ，f e 2 0 3 三种氧化物，总含量为8 1 8 6 。其分布范围较广，具有 较强的胀缩特性和裂隙性，对工程建设的危害较大，防治较为困难。随着膨胀土工程 问题的增多，对膨胀土的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一，并成为世 界性的共同课题“。 膨胀土问题是南水北调中线工程的一个主要工程地质问题。南水北调中线总干 渠全长1 4 3 2 公里，渠道沿线地质条件复杂，穿越膨胀土渠段累计长约3 8 7 公里。一般 情况下，强膨胀土渠坡的稳定性差，工程实践和分析计算表明边坡坡比达1 ：3 1 ：3 5 时，渠坡仍需进行一定的处理才能稳定。中等膨胀土渠坡的稳定性较差，也需进行 处理n 。膨胀土渠道容易出现边玻失稳，其主要原因是膨胀土的胀缩变形，在降雨 以前或渠道水位以下时，受气候等因素影响，土体会产生多种规模及不同方向的裂 缝，在大气降水和渠水的长时间浸润等条件下，水体很快沿这些裂缝下渗，使裂隙 周边的土体吸水膨胀并向周边扩展，从而使土体饱和，一方面降低了土中的负压力， 使有效应力降低，同时土体软化、抗剪强度降低，这是膨胀土边坡变形的主要原因 之一。另一个重要原因是土层顺坡向的水平应力与横坡向水平应力在饱水后急剧增 大，土体中某处的水平应力与垂直应力之比增大，土体边坡达到极限平衡状态，当 渠水位变化或气候变化( 降雨) 导致土体干湿交替时，这种状态继续发展，突破了极 限平衡状态，即沿渠坡土体裂隙面或最大剪应力面产生变形破坏。渠道边坡的失稳 严重影响渠道的运行，轻则堵塞渠道，重则毁坏渠道，使工程无法发挥正常效益。 因此，为了防止膨胀土对渠道造成破坏所需的处理工程量和处理费用是非常巨大的， 且处理膨胀土边坡施工工艺和技术也相当复杂，工期相对较长。南阳地区作为南水 北调路线中的一部分，其中广泛分布着膨胀土，给这段渠道的建设带来了很大的困 难，必需对膨胀土渠段加以改良。 国内外常用的膨胀土改良方法有换土、化学同化等，其中化学固化因具有较好的 性价比而受到人们广泛重视。通过在膨胀土内掺入有效的固化剂，使其与膨胀土内 部颗粒进行作用，能降低膨胀土的膨胀性以及膨胀土的吸水性，提高膨胀土的强度， 从而达到施工需要的条件1 引。目前，化学固化的主要方法有掺石灰、水泥、粉煤灰、 氯化钠、氯化钙和磷酸等。其中，掺入石灰和水泥作为固化剂是改良膨胀土最普遍和 实用的方法u ”埔。 武汉理工大学硕士学位论文 石灰固化作用是由于盐基交换、胶结性、粘土颗粒与石灰的相互作用显现出来。 掺石灰的主要作用是使膨胀土的液限与膨胀量降低，增大强度u 旷圳。水泥固化作用 是由于钙酸盐和铝的水化物和颗粒相互问的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物 的结晶作用，从而降低了液限和体变，增大了缩限和抗剪强度咄“。在膨胀土中掺入 水泥、石灰均能使土的强度提高，膨胀率减小。就改良效果而言，石灰在降低土的 膨胀率方面比水泥更为有效，而水泥则能显著的增加土的强度瞄“。从石灰和水泥的 改良机理来看，使用石灰改良渠道膨胀土会对渠道中的输水带来一定程度上的污染， 而且考虑到渠道边坡稳定的问题，本实验采取强度更高的水泥作为固化剂来研究对 南阳膨胀土的改性效果。 1 2 膨胀土改性研究现状 1 2 1 国内外膨胀土研究历史 最早膨胀土的工程问题是1 9 3 8 年美国垦务局在一座钢制虹吸管工程中首先认 识并报道的，随后引起了世界范围内的广泛关注。1 9 5 9 年，美国在科罗拉多卅i 召开 了首次全国性的膨胀性粘土学术会议，1 9 6 5 第一届国际膨胀土研究会议在美国得 克萨斯州举行，为工程地质学开辟了一个崭新的研究领域。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英 国、美国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件 中增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所 采取的科学态度瞄。 2 0 世纪7 0 年代初，我国也开始有组织、有计划地在全国范围内开始大规模进 行膨胀土特性的试验及理论研究工作。先后进行了膨胀土普查并选择了若干试验 研究基地建立长期观测网。在试验技术、基础理论研究及与工程建设密切相关的 膨胀土处理措施等方面都积累了丰富的资料，取得了一些成果。并已编制出膨胀土 地区建筑技术规范等相关标准。2 0 世纪8 0 , - 一9 0 年代膨胀土的研究重点主要集中 在铁路路基处理上，铁路系统曾连续3 次组织召开了全国膨胀土工程研究学术会 议。此外，全国土力学及基础工程学会、铁道学会和工程地质学会等在全国性的学 术会议中也设膨胀土专题讨论憎“。2 0 世纪9 0 年代以后，随着高速公路和基础设施 建设的发展，针对膨胀土工程问题的系统试验研究和试验成果分析，在理论和实践 上获得了很多有价值的资料。 针对膨胀土对渠道建设的影响，国内外许多学者也做出了相应的研究，采取了 许多处理措施。上世纪7 0 年代，美国垦务局对加利福尼皿f r i a n t k e m 渠道采用石灰 土衬砌，控制了白1 9 5 1 年渠道建成以来不断发生的开裂、滑移和坍塌问题瞄。印度 在上世纪8 0 年代对多个膨胀土地区的渠道采用“砾质土置换+ 混凝土薄板( 或干砌 2 武汉理工大学硕士学位论文 石) 的衬砌结构，取得成功瞄圳。突尼斯在膨胀土地区渠道设计中大量采用“石灰土 处理+ 混凝土薄板”的衬砌型式。南非则普遍采用“壤土置换+ 钢筋混凝土薄板+ 坡 肩土工膜”的衬砌设计，并形成了一套较为成熟的设计与施工方法。以色列采用“催 化沥青膜+ 混凝土薄板”设计方案，受下部土体膨胀作用，混凝土衬砌仍出现了裂缝。 广西上思那板北干渠部分膨胀土渠道采用“石灰土( 或水泥土) + 水泥砂浆的结构型 式，也取得了较好的效果u 。河南南阳刁南灌渠采用非膨胀土置换、无混凝土衬砌 方案，总体运行良好。对于具有发牛渠坡滑动可能的地段，多采用重力挡墙、卧拱、 抗滑桩、铺设土工材料等方法处理，并与渠道断面或衬砌相协调“。 水泥作为化学固化剂由于其强度高以及对水体污染小等特性，已经广泛应用于 国内外的渠道建设中。美国德克萨斯州，俄亥俄州的一些灌溉渠道都用水泥土衬砌， 运行2 0 多年仍然完好。我国在6 0 年代后期至8 0 年代初期已开展了水泥土的实验研究， 并应用于渠道衬砌，如内蒙古红领巾库灌渠，河南鸭河口灌渠等，这些渠道或护坡 工程通过水泥土衬砌都取得较好的效果“。 1 2 2 水泥改良膨胀土机理 当水泥掺入到膨胀土中后，会引起水泥的水解和水化反应，产生水泥水化物。 一部分水泥水化物与黏土颗粒发生相互作用，水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧 化碳发生碳化作用。经过这些反应与相互作用后，改变了膨胀土的原有性质u 。 ( 1 ) 水泥的水解和水化反应 硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫 等不同氧化物分别组成以下的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝 酸四钙、硫酸钙等。 将水泥拌入膨胀土中后，水泥颗粒表面的上述水泥矿物很快与土中的水发生 水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合 物，而生成的氢氧化钙、水化硅酸盐钙又能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新 暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱 和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已经不能再溶解，只能以细分 散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。另外硫酸钙虽然在水泥中的含量 仅占3 ，但它与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为“水泥杆菌”的化 合物。这个反应结果是把大量的自由水以结晶的形式固定下来，对于高含水量土 的强度增长有特殊的意义，使土中自有水的减少量约为水泥杆菌生成重量的4 6 。 ( 2 ) 水泥水化物与黏土颗粒的相互作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则 与其周围具有一定活性的黏土颗粒相互发生以下两种作用： 3 武汉理工大学硕士学位论文 离子交换和团粒化作用：土颗粒带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化 生成的钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土 体强度提高。 水泥水化生成的凝胶粒子表面积比原水泥颗粒增大1 0 0 0 倍，产生很大的表面 能。这种表面能具有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来。团粒 增大的最终效果就是土的塑性减小而抗剪强度大大提高。 硬凝反应：随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子。当钙离 子数量超过土颗粒中钠离子或钾离子交换需要量后，则在碱性环境中能使组成黏 土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应生成不 溶于水的稳定的结晶化合物硅酸钙水化物、铝酸钙水化物等，这些新生成的化合 物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥改良膨胀土的强度，而且由于其结构比 较致密，水分不易侵入，从而使水泥改良膨胀土具有足够的水稳定性。 ( 3 ) 碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化 反应，生成不溶于水的碳酸钙。这种反应也能使水泥改良膨胀土增加强度，但增 长的速度较慢，幅度也较小。 1 2 3 国内对膨胀土的水泥改性研究 使用水泥作为固化剂已经成为了一种普遍得到广泛认可的膨胀土改性方法， 在国内对于膨胀土的水泥改性已经做出了大量的研究。 李治平“通过选取陕西旬阳的膨胀土，对不同水泥掺入量的水泥膨胀土配方， 在不同条件下，按不同龄期做抗压强度、抗折强度试验，并与未掺入水泥的膨胀土进 行对比，总结出用水泥稳定膨胀土能明显改善膨胀土的物理力学性质，并且用水泥 稳定膨胀土能大幅度提高其抗压强度和耐久性。试验表明，当水泥掺入量由5 增加 到2 0 时，其抗压强度能提高3 - 6 倍。经干一湿循环后的抗压强度也可达到同龄期 空气养护试件强度的6 0 9 0 ；试验表明用水泥稳定膨胀土能明显提高其水稳定 性。不掺入水泥的膨胀土试件浸水后发生崩解，而掺入水泥的膨胀土浸水试件具有 较高的强度，而且浸水后的抗压强度可达到非浸水试件同龄期强度的6 0 - - 9 0 。 另外用用水泥稳定膨胀土可明显增加其抗剪强度。当水泥掺入量由5 增加到2 0 ， 对应于1d 和7d 龄期，水泥稳定膨胀土的粘聚力较不掺入水泥的膨胀土可增加 3 7 - 3 9 倍和3 2 - - 9 8 倍，而膨胀土的内摩擦角可增加2 7 - 3 2 倍和2 - 2 9 倍。 在对广州绕城公路膨胀土改性的试验中，陈涛刮等人分别选取了弱、中、高 膨胀土掺入不同量的水泥，按轻型击实标准进行击实成型，土样成型用多层塑料 袋包装密封养护1 周后，在固结仪上进行无荷膨胀率试验。试验得出随着水泥掺量 4 武汉理工大学硕士学位论文 的增加，弱中强三种膨胀土的无荷膨胀率明显降低，当水泥掺量大于5 时，无荷 膨胀率开始缓慢降低；他们选取中、高膨胀土控制干容重为1 7k n m 3 静压成型， 静压成型后用多层塑料袋包装密封养护l 周，在固结仪上进行5 0k p a 有荷膨胀率试 验，观察到随着水泥用量的增加，有荷膨胀率呈线性减小，说明了膨胀土掺水泥 后能在一定程度上减小膨胀土的膨胀性。另外，他们采用与膨胀率相同的制备方 法，制样成型后养护1 周，再在水中浸泡2 4 h 至饱和，进行收缩率试验，得出收缩系数 与水泥掺量的关系。从得出的曲线图来看，随着水泥掺量的增加，膨胀土的收缩 系数也明显在减小。 吴新明刮等人选取广西田东的中膨胀土，通过室内不同水泥掺量比的系列试 验，获得了水泥改良膨胀土的自由膨胀率、塑性指数和无侧限抗压强度等指标。水 泥改良后中膨胀土样自由膨胀率随着水泥掺量的增加而大大减小。其中，8 的掺量 比的土样，在7 d 和2 8 d 的养护期下均小于4 0 ，表明8 掺量改良膨胀土已不属膨胀 土。但掺量为1 0 时自由膨胀率又呈上升趋势，这可能是大量掺入水泥时，水泥自身 的结合硬化得到加强，使蒙脱石表面被结合的阳离子下降：随着养护时间的增加，改 良效果更加明显，而自由膨胀率的哀减，与水泥掺量成上凸曲线趋势。测试不同水泥 掺量比的试样，塑性指数均有不同程度的减小，表明改良后膨胀土亲水性相应减小。 在对水泥改性土进行无侧限抗压强度试验中发现，改良土的无侧限抗压强度受掺 量比、浸水、养护时间的影响，抗压强度与水泥掺量比呈正比关系。浸水后，强度发 生衰减，衰减量与掺量比、养护时间成反比。改良土在1 8 的掺量比时，其最大抗压 强度达到3 0 8 m p a 。 铁道科学研究院黄尚燕嵋钊等人也是通过控制膨胀土的不同水泥掺量比来进行 室内试验对比水泥改性后的膨胀土基本性质。他们将过2 m m 筛的风干土按水泥与 干土比重3 、6 、9 配成三种混合土，然后配成一定的含水量静置一天，夯实 成样。将夯实样再粉碎并过0 5 m m 筛，再进行液限、塑限及自由膨胀率试验。试 验结果表明膨胀土加水泥之后液限略有减少；塑限有很大的提高，但掺水泥比例 超过3 后，提高量已不随水泥掺量的增加而增加；改性膨胀土的塑性指数有明显 减少，减少值随掺量比增加而略有增加；自由膨胀率锐减，但掺量比为6 和9 时已无明显区别：水泥改性后膨胀土的无荷线膨胀量大减。 1 3 研究的工作内容及技术路线 1 3 1 主要研究工作 通过对国内外水泥改性膨胀土研究的回顾，不难看出水泥作为化学固化剂掺入 到膨胀土中能有效的改善膨胀土的膨胀性，提高土体的强度，。水泥的掺量比直接 5 武汉理工大学硕士学位论文 影响到膨胀土的改性效果，如何确定不同性质膨胀土的最佳水泥掺量比尤为重要。 对于膨胀土这一典型非饱和土，其强度已经不能用饱和土理论来研究，考虑到基 质吸力的影响，用f r e d l u n d 基于双应力状态变量建立的非饱和土抗剪强度公式来 对膨胀土强度进行研究。本文具体研究内容包括以下三方面： ( 1 ) 对不同水泥掺量的中、弱膨胀土进行基本物理实验，分析对比水泥掺量对 膨胀土的性质影响，确定出膨胀土的最佳水泥掺量，以此掺量制样进行非饱和直 剪试验。 ( 2 ) 进行非饱和直剪试验，通过控制吸力和竖向压力的变化来分析吸力和竖向 压力对膨胀土以及改性膨胀土的抗剪强度和剪切过程中应变的影响。 ( 3 ) 对比素膨胀土和水泥改性膨胀土的抗剪强度。在控制同吸力、同竖向压力 的条件下，对比水泥改性膨胀土和素膨胀土的抗剪强度，并通过强度、变形的对 比来确定水泥作为固化剂是否能有效提高土体强度 1 3 2 技术路线 主要以室内试验为基础，通过实验所得数据来分析对比水泥改性膨胀土的效 果。技术路线主要分为以下三部分： ( 1 ) 膨胀土的基本物理指标确定 根据土工试验规程( g b f f 5 0 1 2 3 1 9 9 9 ) ) ) 中各项土体物理性质指标试验规程进 行试验，分别测量出中、弱膨胀土的物理指标，其中包括膨胀土的自由膨胀率、 土粒比重、液塑限、击实最佳含水率以及最大干密度等一系列试验。 ( 2 ) 最佳水泥掺量的确定 对不用水泥掺量比的中、弱膨胀土进行击实试验，确定出最优含水率和最大干 密度。控制最优含水率和最大干密度条件下制样，进行液塑限、自由膨胀率、无 侧限抗压强度等一系列试验，以此来对比膨胀土在各种水泥掺量下的指标变化， 从其中找出改良效果最好的水泥掺量比。 ( 3 ) 非饱和直剪 本实验采用的是非饱和直剪方法，通过控制吸力、竖向压力的大小，对膨胀土 以及水泥改性膨胀土进行在不同吸力、竖向压力下的平行试验，观察土体抗剪强 度、剪切过程中竖向变形的变化，对比膨胀土和水泥改性膨胀土的强度变化，检 验水泥改性的效果。另外通过比较不同吸力、竖向压力条件下同一土样的强度以 及变形来分析吸力和竖向压力对膨胀土的性能指标影响。 6 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第二章水泥改性膨胀土物理性质研究及非饱和直剪实验内 容 2 1 试验材料 2 1 1 土样及其基本物理性质指标 实验土样取自南阳的中、弱膨胀土。根据土工试验规程分别对中、弱膨胀土 进行基本物理性质试验，得出土样的物理指标见表2 1 。 表2 1 中、弱膨胀土物理指标 2 1 2 水泥基本参数 实验所用掺入膨胀土的水泥为中联牌复合硅酸盐水泥，水泥型号为p c3 2 5 ， g b l7 5 2 0 0 7x k 2 3 2 01 0 6 9 7 5 。 2 2 水泥改性中膨胀土的基本物理性质指标研究 2 2 1 水泥改性中膨胀土的击实试验 对水泥改性中膨胀土进行击实试验，得到的击实特性与水泥掺量的关系见表 2 2 1 。随着水泥掺量的增大，中膨胀土的击实最优含水率都呈下降的趋势，而最 大干密度则随着水泥掺量的增大而增大。 武汉理t 大学硕士学位论文 表2 2 1 水泥改性中膨胀土击实特性指标 2 2 2 水泥改性中膨胀土的物理性质实验 ( 1 ) 自由膨胀率 对中膨胀水泥改性土进行自由膨胀率试验，水泥改性土在恒温、恒湿条件下 进行养护；水泥改性膨胀土料为素土散样拌水泥，养护2 8 天后进行试验；击实水 泥改性土样为素土拌水泥后进行击实，养护2 8 天后再人工碾碎进行试验。两种方 法得到的自由膨胀率见图2 2 1 。随着水泥掺量的增加，改性土的自由膨胀率都呈 减小的趋势，从图2 2 1 可以明显看出，击实后的水泥改性土较未击实的土样自由 膨胀率减小更为明显。从击实水泥改性土样的曲线来看，当水泥掺量大于6 之后， 随着水泥掺量的增加，自由膨胀率的减小不再明显，变化的不是很大，说明当水 泥掺量超过6 之后，水泥对中膨胀土的膨胀率改性效果不再明显。 赫 勰 4 5 4 0 3 s 承滋耪麓 图2 2 1改性中膨胀土2 8 天龄期自由膨胀率与水泥掺量关系 ( 2 ) 有荷膨胀率 对中膨胀水泥改性土进行有荷膨胀率试验。土样制备含水率为2 1 0 ，压实度 为9 3 ，采取轻型击实标准击实成型，成型后直接试验，得到的膨胀率与压力关 8 武汉理工大学硕+ 学位论文 系图见图2 2 2 。从图2 2 2 可见，随着水泥掺量的增加，改性土的有荷膨胀率呈减 小趋势的，当水泥掺量超过6 时，掺量为8 的试样得到的有荷膨胀率较6 掺量 试样基本没区别。 按照同样的方法对掺量为6 的水泥改性土进行轻型击实成型，在恒温、恒湿 的条件下分别养护7 天和2 8 天进行有荷膨胀率试验，并与之前没有养护的膨胀率 进行对比，得出的成果见图2 2 3 。从图2 2 3 可见，随着养护龄期的增大，掺量为 6 的改性土膨胀率明显减小，当养护2 8 天之后，6 水泥掺量的改性土有荷膨胀 率基本为零。 哿5230 磁力( k p a ) 图2 2 2 不同水泥掺量改性中膨胀土有荷膨胀率与压力关系 。 援匆( k p a ； 图2 2 36 水泥掺量改性中膨胀土在不同龄期下的膨胀率与压力关系 ( 3 ) 收缩试验 对水泥改性以及素膨胀土进行收缩试验。土样制备含水率均为2 1 0 ，压实度 为9 3 ，依据轻型击实标准击实成型。改性土在恒温、恒湿条件下分别养护7 天、 2 8 天后进行试验，得到收缩特性指标见表2 2 2 。从表2 2 2 可见，随着水泥掺量 的增加，改性土的收缩系数、线缩率、体缩率都明显下降，当水泥掺量超过6 时， 收缩特性指标变化不大，改性效果较6 掺量时不明显；随着龄期的增大，水泥改 9 酶 挖 咎 棼 3 静 装v 辫掇貔 7 颤 5 3 2 ， o 嚣v 鬻琵豫 武汉理工大学硕士学位论文 性土的收缩特性指标也明显减小，掺量为6 的改性土在养护2 8 天后，其收缩系 数、线缩率较素土的指标已经大幅度减小，改性效果明显。 表2 2 2 改性中膨胀土收缩特性成果 ( 4 ) 压缩试验 对掺量为6 的水泥改性中膨胀土进行压缩试验，土样制备含水率为2 1 o 、 压实度为9 3 、按照轻型击实标准击实成型，成型后在恒温、恒湿的条件下养护 一定龄期进行试验，得到压缩系数和模量指标见表2 2 3 。从表2 2 3 可见，素土的 压缩系数为0 8 6 8m p a ，属于高压缩性土，掺量为6 的改性土压缩系数明显小于 0 1 m p a ，属于低压缩性土；改性土的压缩模量较素土有明显提高，表明水泥改性 能有效抑制膨胀土的软化，并且随着龄期的增大，改性土的压缩模量呈上升趋势。 表2 2 3改性土压缩试验成果 2 2 3 水泥改性中膨胀土无侧限抗压强度性质试验 对掺量为6 的水泥改性中膨胀土进行无侧限抗压强度试验。改性土及素土制 备含水率为2 1 o ，压实度为9 3 ，按照轻型击实标准击实成型，成型后分别在恒 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 温、恒湿条件下养护一定的龄期后进行试验，得到的饱和状态无侧限抗压强度指 标见表2 2 4 ，应力应变关系见图2 2 4 。从图表中可见，素膨胀土的应力应变关系 呈硬化型，破坏应变取1 5 ；水泥改性土应力应变关系均为软化型，破坏应变小 于l ，为脆性破坏。随着龄期的增大，改性土的无侧限抗压强度明显上升，养护 2 8 天后的改性中膨胀土较素土的无侧限抗压强度有了大幅度的提升。 表2 2 4改性中膨胀土无侧限抗压强度 ， 麓 w 餐 翟 凌 霪 辘渤成爱( 髯) 图2 2 4 改性r f l 膨胀土单轴试验的应力应变关系曲线 2 3 水泥改性弱膨胀土的基本物理性质指标研究 2 3 1 水泥改性弱膨胀土的击实试验 对水泥改性弱膨胀土进行击实试验，得到的击实特性与水泥掺量的关系见表 2 3 1 。随着水泥掺量的增大，弱膨胀土的击实最优含水率都呈下降的趋势，而最 大干密度则随着水泥掺量的增大而增大。 表2 3 1 水泥改性弱膨胀土击实特性指标 七样编号水泥掺量( )轻型击实试验 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 2 水泥改性弱膨胀土自由膨胀率试验 对弱膨胀土进行自由膨胀率实验。与中膨胀土一样制备水泥改性弱膨胀土和 击实改性土试样，养护2 8 天进行实验，得出结果见图2 3 。随着水泥掺量的增加， 弱膨胀的自由膨胀率呈平缓的下降趋势，并非像中膨胀土样出现明显的下降。 弱膨胀土由于其自身膨胀率并非很高，故水泥对其改性的效果并非显著。 4 0 冰 斟 3 鹾 羹3 0 丑 皿 2 0 23456 水泥掺量( ) 图2 3 改性弱膨胀土2 8 天龄期自由膨胀率与水泥掺量关系 2 4 最佳水泥掺量的确定 在用水泥作为固化剂改性膨胀土时，水泥的掺入比例是有一个合理的范围。 通常条件下，改性膨胀土的强度一般会随着水泥掺入比例的增加而提高。但与此 同时，水泥在水化反应过程中不仅自身的体积会缩小，还会消耗膨胀中黏粒矿 物表面的吸附水而引起改性土的干燥收缩。当水泥的掺入比例超过一定限值时， 改性土的收缩性变大，裂缝将显著增加，改性成本也会随着水泥用量的增加而直 线上升。因此，从技术效果和合理的改性成本出发，采用膨胀土水泥改性方法时 的水泥掺入重量比例，应控制在4 1 0 之间昭1 。 在1 2 3 节中提到的国内试验研究现状中，陈涛在对广州绕城公路膨胀土的改 性研究中发现，对弱中强三种膨胀土进行水泥改性时，随着水泥掺量增加，无荷 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 膨胀率明显降低，但是当水泥掺量大于5 时，无荷膨胀率开始缓慢降低；在吴新 明的试验中，水泥改良后中膨胀土样自由膨胀率随着水泥掺量的增加而大大减小， 其中当水泥掺量为8 时土体己不属于膨胀土范畴，但掺量为1 0 时自由膨胀率又 呈上升趋势；铁道科学研究院黄尚燕也在试验中得出随着水泥掺量增加，改性土 的塑限有很大的提高，但掺水泥比例超过3 后，提高量已不随水泥掺量的增加而 增加。另外随着水泥掺量增加自由膨胀率锐减，但掺量比为6 和9 时已无明显 区别。 通过2 。2 节的中膨胀土基本物理力学性质试验不难看出，水泥的掺入对中膨胀 土的改性效果显著，但是当水泥掺量大于6 时，随着水泥掺量的增加，改性效果 变化已经不大，故将6 的掺量比定做为中膨胀土的水泥最佳掺量比进行试验。同 样通过2 3 节中弱膨胀土的基本物理力学性质试验，将4 的掺量比定做为弱膨胀 土的水泥最佳掺量比进行试验。 2 5 非饱和直剪实验试样制备方法 试验所用土样分为素膨胀土和水泥改性膨胀土两种。改性土的水泥掺量已在 2 4 节中指明，中膨胀土水泥掺量定为6 、弱膨胀土为4 ，均用干掺法与膨胀土 进行混合。根据中、弱膨胀土的水泥掺量比，中膨胀土试样均按6 水泥掺量时的 最优含水率2 1 8 来备土样，弱膨胀土按4 水泥掺量时的最优含水率1 9 8 来备 土样。土样均用轻型击锤击实成环刀样，环刀直径为6 1 8 m m ，高度2 0 m m ，体积 为6 0 c m 3 。 2 5 1 素膨胀土试样制备 取风干土样过2 m m 筛，测量过筛后的风干土样含水率，根据所测风干土含水 率以及所要配制的目标含水率( 中膨胀为2 1 8 ，弱膨胀为1 9 8 ) 计算出备制一 定量风干土样所需加入的水量，按照计算加水量分几次把水均匀加入风干土中并 与土体搅拌均匀，将拌好的土样放入塑料袋内密封，并置于密闭桶内，2 4 小时之 后水份在土体内充分均匀，取出测量其含水率，核对是否与目标含水率偏差。若 测得湿土含水率与目标含水率偏差不大，即以此湿土来备制环刀样；若含水率偏 差较大，需重新调整加水量。 试验所用非饱和直剪仪器是四台直剪仪联装的，所以一次实验需备制四个环 刀样。根据环刀的体积v 、试样干密度pd ( 中膨胀土1 6 9 c m 3 ，弱膨胀土1 6 8 9 c m 3 ) 、 湿土的含水率6 0 来计算制备一个环刀样所需的湿土质量m ，计算公式为： m = 岛y x ( 1 + c o ) 1 3 武汉理- 大学硕士学位论文 将称取好质量的湿土放入环刀中用轻型击锤一层击实，击实成型后将环刀样放入 抽 气缸中进行抽气饱和。将饱和好的环刀试样浸泡在水中，以各试验所用。 2 5 2 水泥改性鲫土试样制备 在制备水泥改性膨胀土环刀试样时，为了使水泥能均匀的掺八到土体巾，并 保证每个试样水泥掺入量一致，以个环刀所需土样为标准来进行蔷土，并且所 用水泥都经碾碎并通过05 m m 筛。 将风干土样过2 m m 筛后测其含水率，根据风干土样的含水率、水泥掺量比 k ( 巾膨胀土6 、弱膨胀土4 ) 、试样干密度pd 、环刀体积v 计算出一个环刀土 样所需干土质量m 。、风干土质量m 、以及所需掺入水泥量i i l c ，具体计算公式见下： = 岛x v x ( 1 + k ) 鸭；他x k m = m ( 1 + c o ) 根据所计算结果称取制备一个环刀样所需风干土样和水泥量，用干掺法将水 泥均匀拌 到风干土中，然后均匀加入水量井且搅拌，使水泥改性土样各制到日 标含水率( 中膨胀为2 18 ，弱膨胀为1 98 ) 。将配好含水率的改性土样放入密 闭塑料袋内，等土体内水份充分均匀，4 8 小时后再取出制样，用轻型击锤一层击 实于环刀中，将击实好的环刀样放入抽气缸内抽气饱和，饱和之后浸泡于水中。 水泥政性试样需要养护2 8 天。 2 6 非饱和直剪试验仪器的介绍与标定 2 丘i 试验仪器 本实验使用的是江苏渫阳生产的四联非饱和直剪仪，见图2 6 图2 6 4 f d i 2 0 型非饱和土直剪系统 武汉理工大学硕士学位论文 四套容器安装在同一个工作台面上，在手轮处用联轴器互相串联，实行联动。 容器用来起密封作用。剪切盒部件就安装在容器中，它由上下剪切盒组成，在推 动轴的作用下，使下剪切盒按一定速率在滑槽滚珠上移动，在上盒的后部装有荷 重传感器，反力推动作用使试样承受剪切力。上剪切盒装