劉 鳴，劉 軍，龔壁衛(wèi)，牟 偉

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710016)

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水泥改性膨脹土施工工藝關(guān)鍵技術(shù)

劉 鳴1，劉 軍1，龔壁衛(wèi)1，牟 偉2

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710016)

針對(duì)膨脹土水泥改性處理施工技術(shù)中出現(xiàn)的問(wèn)題，在總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)及參考石灰改性膨脹土工法的基礎(chǔ)上，通過(guò)膨脹土水泥改性施工工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)施工中3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)(開(kāi)挖料高含水率速降、開(kāi)挖料超徑土團(tuán)破碎、改性土填筑施工時(shí)效性)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的破碎機(jī)、旋耕機(jī)、條篩、機(jī)械組合等碎土施工工法，分析比較了土團(tuán)破碎效果、工程適用性以及水泥摻拌均勻程度；總結(jié)得出了膨脹土含水率速降施工方法、土團(tuán)破碎施工方法以及水泥改性土填筑施工要求。研究成果可為改性膨脹土工程施工工藝提供借鑒。

水泥改性膨脹土；施工工藝；含水率速降；土團(tuán)破碎；EDTA滴定

1 研究背景

針對(duì)膨脹土礦物化學(xué)組成與微結(jié)構(gòu)，為改善其不良工程特性，通常處理方法有換土法、濕度控制法、樁基礎(chǔ)法和化學(xué)改良法，其中化學(xué)改良法是通過(guò)在膨脹土中摻加有機(jī)類或無(wú)機(jī)類改良劑，降低膨脹土的膨脹性[1]。目前使用較多的無(wú)機(jī)類改良劑有石灰、水泥等。

近年來(lái)隨著膨脹土研究的發(fā)展，在改良膨脹土方面所取得的技術(shù)進(jìn)展主要有：石灰改性膨脹土，使膨脹土的性能大為改善，將改性后的膨脹土作為公路路基填料，滿足規(guī)范要求[2]；粉煤灰改性膨脹土改善了膨脹土的不良特性[3]；水泥改性膨脹土的脹縮特性試驗(yàn)表明，水泥改性對(duì)降低膨脹潛勢(shì)有顯著效果。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮等力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)表明，水泥改性能起到抑制膨脹土強(qiáng)度軟化、模量減小等作用[4]；在石灰、普通水泥改良膨脹土比較研究中，得出水泥改性膨脹土拌和施工工藝較石灰改性困難，但改性效果比石灰土要明顯[5]等結(jié)論。

上述技術(shù)為膨脹土的改性提供了多種方式，但在現(xiàn)場(chǎng)施工工藝方面還缺少研究，主要有以下2個(gè)方面的原因：

(1) 膨脹土開(kāi)挖料進(jìn)行水泥摻拌施工中，較為困難的是拌合的均勻性。這主要受2個(gè)因素影響，一是開(kāi)挖土料含水率偏高，可達(dá)32%以上，水泥摻拌時(shí)，水泥易聚集，不易分布均勻；二是開(kāi)挖土料常存在大量20～40 cm超徑土團(tuán)，膨脹土屬于高液限黏土，透水性差，水泥摻拌的過(guò)程中，土團(tuán)內(nèi)部無(wú)法摻入水泥。

(2) 水泥改性土碾壓施工，不同于常規(guī)土方填筑，要控制好碾壓填筑施工時(shí)間，歷時(shí)過(guò)長(zhǎng)，易破壞改良土顆粒膠結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)增加土料含水率損耗，影響壓實(shí)密度等。

膨脹土開(kāi)挖料高含水率和大量超徑土團(tuán)是直接影響改性劑拌和均勻的主要因素。在文獻(xiàn)[6]與文獻(xiàn)[7]論著中，提到石灰改良膨脹土采用路拌法的“二次摻灰”施工工藝，基本解決了開(kāi)挖料高含水率降低和超徑土團(tuán)破碎的難題。所謂“二次摻灰”施工工藝，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是摻灰分2次進(jìn)行，第1次摻少量灰使膨脹土砂化，易于土團(tuán)破碎和降低土料含水率，然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行第2次摻灰。該施工工藝仍存在費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、易破壞土顆粒膠結(jié)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題。

南水北調(diào)工程涉及膨脹土(巖)地層長(zhǎng)達(dá)380 km，需要進(jìn)行膨脹土改性。如果土料含水率降得過(guò)低、土團(tuán)破碎過(guò)細(xì)，則需要投入過(guò)高的施工成本。如果借鑒“二次摻灰”施工工藝，對(duì)于如此大的工程量，難以保證施工進(jìn)度、施工質(zhì)量要求。鑒于此，國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃“南水北調(diào)中線工程膨脹土和高填渠道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目中將“膨脹土水泥改性處理施工技術(shù)”(2011BAB10B05)專門列入子課題，從而開(kāi)展施工工藝研究。2012—2013年期間，在河南省鎮(zhèn)平1標(biāo)(樁號(hào)52+100至64+100)開(kāi)展了水泥改性處理施工工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，主要內(nèi)容為水泥改性施工中含水率速降、土團(tuán)破碎、改性土擱置(或悶料)時(shí)間等施工工藝。本文介紹該項(xiàng)試驗(yàn)研究的基本情況和成果，并總結(jié)出了一套膨脹土改性施工方法。

2 含水率速降施工工藝

開(kāi)挖土料含水率高，通常采用自然翻曬降低含水率方法，比如：在多風(fēng)地段采用“土堆過(guò)風(fēng)法”；在土料場(chǎng)，采用“犁耕法”就地晾曬，然后再按犁耕深度進(jìn)行開(kāi)挖；在土料場(chǎng)，開(kāi)挖“通風(fēng)槽”，加速土體失水?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，如果采用自然翻曬降低土料含水率，一晝夜也僅能降低3%，效率較低。

為了提高翻曬的效率、加快土料含水率降低的速度，引用了一種旋耕機(jī)進(jìn)行翻曬試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)，取得了顯著的效果。旋耕機(jī)屬耕耘使用的農(nóng)具，與拖拉機(jī)配套一次完成耕、耙、翻曬、碎土作業(yè)。旋耕機(jī)安裝的刀頭長(zhǎng)15 cm，間距30 cm，具有較強(qiáng)翻曬、碎土能力?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按場(chǎng)地約20 m×20 m，單次循環(huán)作業(yè)間隔時(shí)間約40 min，旋耕土有效深度約15 cm，鋪土厚度20 cm，其成果如表1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)旋耕機(jī)碎土翻曬Fig.1 Smashing large size of soil aggregate by rotavator and tedding soil in sunshine

溫度/℃翻曬遍數(shù)含水率/%試驗(yàn)間隔時(shí)間23～28028.4226.1423.2621.7820.01019.81219.0整個(gè)試驗(yàn)累積耗時(shí)約8h,單次循環(huán)間隔40min

試驗(yàn)表明土料為直接開(kāi)挖料，起始含水率為28.4%，排除大氣溫度差異，旋耕機(jī)翻曬0,2,4,6,8,

圖2 旋耕機(jī)旋耕遍數(shù)與土料含水率關(guān)系Fig.2 Relationship between moisture content of soil and rotary times of rotavator

10,12遍，分別檢測(cè)翻曬土塊級(jí)配和含水率，整個(gè)試驗(yàn)累積耗時(shí)8 h完成。當(dāng)旋耕翻曬第8遍時(shí)，土料含水率已降至20.0%，接近該土料塑限值，耗時(shí)5～6 h。再進(jìn)一步翻曬開(kāi)挖土料，含水率繼續(xù)降低卻很有限，如翻曬12遍的含水率相對(duì)翻曬8遍僅降低1.0%。

此外，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可根據(jù)圖2得到任何含水率對(duì)應(yīng)的翻曬次數(shù)，亦即可得到某土料需降低含水率所需旋耕翻曬的次數(shù)和耗時(shí)，這對(duì)于工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。

3 超徑土團(tuán)破碎施工工藝

3.1 開(kāi)挖土料基本情況

開(kāi)挖膨脹土料存在大量超徑尺土團(tuán)，如圖3所示，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取代表性土樣進(jìn)行篩分，測(cè)得團(tuán)徑分布曲線如圖4所示。團(tuán)徑是指土團(tuán)最短邊的長(zhǎng)度。從其平均線看，>100 mm超大團(tuán)徑占總質(zhì)量60%以上，<5 mm僅為5%左右。

圖3 膨脹土料開(kāi)挖超徑尺土團(tuán)Fig.3 Oversize soil aggregate in the excavation of expansive soil

圖4 開(kāi)挖土料土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線Fig.4 Grading curves of excavated soil

經(jīng)檢測(cè)，開(kāi)挖土料天然含水率為21.0%～32.6%，黏粒含量為36.5%，塑性含水率Wp=21%，塑性指數(shù)為24.6，自由膨脹率為50%，最大干密度為1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率為20%。

3.2 機(jī)械碎土

3.2.1 破碎機(jī)功效

現(xiàn)場(chǎng)采用的土壤破碎機(jī)為XTP-600A型銑削式破碎機(jī)(圖5)，設(shè)計(jì)碎土功效200～300 m3/h，其工作原理是在高速旋轉(zhuǎn)的破碎刀鼓上安裝多組拆卸式硬質(zhì)合金刀頭，對(duì)土塊進(jìn)行高速銑削，并達(dá)到強(qiáng)制篩分的目的。

圖5 XTP-600A型銑削式土壤破碎機(jī)Fig.5 XTP-600A soil crusher with milling cutter

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，如將開(kāi)挖土料直接輸入到破碎機(jī)碎土，極易造成機(jī)械堵塞，功效低下，如圖6所示。主要有2個(gè)方面的原因：①超大土團(tuán)易造成料斗卡死，機(jī)械無(wú)法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；②碎土機(jī)械內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的破碎刀鼓上安裝的是刀頭，由于土料含水率高，土塊、土團(tuán)多，易將高塑性土擠壓成面餅狀導(dǎo)致機(jī)器堵死。

圖6 XTP-600A型銑削式土壤破碎機(jī)料斗淤堵Fig.6 The stucked hopper of XTP-600A soil crusher by soil aggregate

試驗(yàn)中進(jìn)行了土料含水率與破碎機(jī)功效試驗(yàn)，料源是利用旋耕機(jī)翻曬后含水率逐步降低的碎土，成果匯總?cè)绫?所示。

表2 旋耕機(jī)翻曬遍數(shù)、含水率、破碎機(jī)功效匯總

可見(jiàn)，當(dāng)旋耕機(jī)翻曬遍數(shù)增至8遍，含水率降低至20.0%，低于土料塑限值，破碎機(jī)功效達(dá)到100 m3/h；當(dāng)含水率降低至19%，破碎機(jī)功效達(dá)到150 m3/h，仍低于設(shè)計(jì)碎土額定功效200 m3/h。也就是說(shuō)，采用破碎機(jī)碎土，要求土料含水率至少要低于塑限Wp以下，如要實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷碎土功效，土料含水率應(yīng)要降低至Wp-2%以下。

3.2.2 拌和機(jī)功效

現(xiàn)場(chǎng)采用WC600型拌和機(jī)進(jìn)行水泥拌和施工，如圖7所示。拌和原理類似碎土機(jī)，機(jī)械在拌和過(guò)程實(shí)際上也有一定程度碎土功效?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，摻拌土料含水率不能超過(guò)Wp+2%，一方面拌和機(jī)由于黏土相互依附、粘連，使機(jī)械負(fù)荷過(guò)重易導(dǎo)致電機(jī)燒毀，機(jī)械時(shí)常清理，生產(chǎn)效率低下；另一方面含水率過(guò)高，水泥拌和不易均勻。為了達(dá)到拌和機(jī)生產(chǎn)功效(120 m3/h)，土料進(jìn)入拌和機(jī)前含水率應(yīng)控制在塑限Wp以下。

圖7 WC600型拌和機(jī)Fig.7 WC600 mixer

3.3 旋耕機(jī)碎土

在進(jìn)行旋耕機(jī)翻曬試驗(yàn)時(shí)，土料含水率降低同時(shí)，土團(tuán)得到破碎，各翻曬遍數(shù)下土團(tuán)團(tuán)徑分布如圖8所示。

圖8 旋耕機(jī)碎土前后土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線Fig.8 Grading curve of soil aggregate before and after the breakage by rotavator

試驗(yàn)成果表明：開(kāi)挖料土團(tuán)團(tuán)徑分布，以>50 mm團(tuán)徑含量為主，占73%，而50～5 mm和<5 mm含量則分別為23%和4%。當(dāng)旋耕機(jī)旋耕翻曬4遍后，>50 mm團(tuán)徑含量降至20%，50～5 mm土團(tuán)團(tuán)徑含量為69%，<5 mm含量為17%；當(dāng)旋耕機(jī)翻曬8遍后，中間團(tuán)徑50～5 mm含量達(dá)79%，>50 mm含量?jī)H4%；當(dāng)旋耕機(jī)翻曬10遍以上，基本沒(méi)有>50 mm團(tuán)徑含量。由此說(shuō)明，旋耕機(jī)在粉碎50 mm以上超大土團(tuán)團(tuán)徑方面效果明顯，粉碎后的團(tuán)徑以中間團(tuán)徑50～5 mm含量為主。當(dāng)旋耕機(jī)翻曬6遍以上后，土團(tuán)團(tuán)徑進(jìn)一步破碎細(xì)化的效果開(kāi)始減緩。

3.4 條篩碎土

如上所述，旋耕機(jī)翻曬12遍以上，土料含水率降低19%以下，碎土機(jī)碎土功效可提高到200 m3/h，碎土功效仍然不高。為此，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還嘗試采用了另一種碎土工法——條篩碎土施工。

條篩為工型鋼蓖結(jié)構(gòu)，篩網(wǎng)間距10 cm，長(zhǎng)6 m、寬4 m、高5 m。圖9為型鋼條篩施工圖。施工原理為：利用反鏟抓斗提升高度，將土料拋下，自重過(guò)篩，使土塊、泥團(tuán)經(jīng)條篩碰撞進(jìn)行粉碎。開(kāi)挖料土塊通過(guò)條篩破碎后，基本上沒(méi)有團(tuán)徑大于100 mm的團(tuán)塊，條篩碎土前后土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線如圖10和表3所示。

圖9 型鋼條篩現(xiàn)場(chǎng)施工圖Fig.9 Site construction of steel strip sieve

圖10 條篩碎土前后土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線Fig.10 Grading curves of soil aggregate before and after the breakage by strip sieve

試驗(yàn)成果表明，就土團(tuán)團(tuán)徑分布的平均線而言，比較開(kāi)挖料>100 mm,100～50 mm,50～5 mm土團(tuán)團(tuán)徑含量分別為60%,12%,23%，條篩碎土后，>100 mm土團(tuán)團(tuán)徑含量降為0，團(tuán)徑含量主要集中在50～5 mm

表3 條篩碎土、旋耕機(jī)翻曬土團(tuán)分布成果對(duì)比

范圍，含量為73%，與旋耕機(jī)翻曬6～8遍土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線基本接近。條篩碎土工法最大優(yōu)點(diǎn)是使開(kāi)挖土料超大團(tuán)徑土團(tuán)快速破碎，但降低含水率很有限，因此要求條篩碎土，土料含水率應(yīng)控制在Wp+2%以下。

3.5 機(jī)械組合碎土

3.5.1 旋耕機(jī)+破碎機(jī)

旋耕機(jī)翻曬碎土雖然能大大減少土團(tuán)超大團(tuán)徑土量，但對(duì)50～5 mm中間團(tuán)徑進(jìn)一步破碎細(xì)化有限，因此開(kāi)挖料在旋耕機(jī)翻曬基礎(chǔ)上，與破碎機(jī)組合再進(jìn)行粉碎，試驗(yàn)成果如圖11和表4所示。

圖11 破碎機(jī)碎土后土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線Fig.11 Grading curves of soil aggregate after breakage by crusher

成果表明：開(kāi)挖土料含水率降低至20%以下，再進(jìn)行碎土機(jī)碎土，破碎土團(tuán)團(tuán)徑集中在50～5 mm范圍，<5 mm團(tuán)徑含量增加。如，當(dāng)旋耕機(jī)翻曬8遍再進(jìn)行破碎機(jī)破碎，>50 mm土團(tuán)含量已降至0，50～5 mm團(tuán)徑含量從79%減少到65%，<5 mm團(tuán)徑含量從17%增至35%；當(dāng)旋耕機(jī)翻曬12遍進(jìn)行破碎機(jī)破碎，50～5 mm團(tuán)徑含量從79%減少到51%，<5 mm團(tuán)徑含量從18%增至49%。隨著旋耕機(jī)翻曬遍數(shù)的進(jìn)一步增加，50～5 mm團(tuán)徑含量減少幅度及<5 mm團(tuán)徑增加幅度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明旋耕機(jī)翻曬后，土料含水率降低，破碎機(jī)功效得到發(fā)揮。

表4 破碎機(jī)碎土前后土團(tuán)團(tuán)徑分布成果對(duì)比

3.5.2 條篩+拌和機(jī)

拌和機(jī)進(jìn)行水泥摻拌同時(shí)，土團(tuán)也得到破碎，圖12繪制了拌和機(jī)碎土前后級(jí)配曲線。

圖12 拌和機(jī)碎土前后土團(tuán)團(tuán)徑分布曲線Fig.12 Grading curves of soil blocks before and after the breakage by mixer

成果表明：根據(jù)圖12級(jí)配曲線，就平均線而言，條篩下20～10 mm團(tuán)徑含量31%，拌和機(jī)拌和后降為16%；<10 mm團(tuán)徑含量，從拌和前44%增加為65%；<5 mm團(tuán)徑含量，從拌和前17%增加為37%，說(shuō)明經(jīng)拌和機(jī)拌和水泥后，土料土團(tuán)團(tuán)徑細(xì)化10%～20%。

3.6 均勻性驗(yàn)證

參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[8]，摻拌水泥或石灰穩(wěn)定材料，其劑量的測(cè)定方法采用EDTA滴定。EDTA二鈉是乙二胺四乙酸二鈉(Ethylene Diamine Tetra Acetic Acid Disodium Salt)的簡(jiǎn)稱，分子式為C10H14N2Na2O8。EDTA二鈉易溶于水，且與多種金屬離子形成十分穩(wěn)定的混合物，是一種重要的絡(luò)合劑。在進(jìn)行EDTA滴定測(cè)試時(shí)，EDTA二鈉消耗量反映了Ca2+的含量，而Ca2+的含量又反映了土料改良劑含量，并呈線性關(guān)系。

膨脹土摻拌改性劑均勻程度，可采用標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)定判定，即根據(jù)一組EDTA滴定測(cè)試劑量數(shù)據(jù)值，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，判定其是否滿足均勻標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種量化形式，是表示精確度的重要指標(biāo)，即反映出大部分?jǐn)?shù)值和其平均值之間差異性，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)離散程度越大，反映到改良劑摻量就越不均勻。目前水泥改性膨脹土施工，設(shè)計(jì)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)定值為：弱膨脹土≤0.7，中膨脹土≤0.5。

按上述劑量測(cè)定方法和均勻性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)第3.3節(jié)旋耕機(jī)翻曬8遍土料和3.4節(jié)條篩碎后土，摻拌4%水泥，進(jìn)行6組以上EDTA滴定測(cè)試劑量，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算為0.8～1.0。由于試驗(yàn)用料為弱膨脹土，按≤0.7的標(biāo)準(zhǔn)，判定不滿足摻拌均勻要求，說(shuō)明僅采用旋耕機(jī)和條篩碎土，雖能一定程度破碎開(kāi)挖料超大團(tuán)徑土團(tuán)和降低含水率，但破碎程度仍不夠，不足以使水泥摻拌達(dá)到均勻。如果將旋耕機(jī)翻曬或條篩碎土+機(jī)械碎土組合，碎土后同樣摻4%水泥，進(jìn)行EDTA滴定標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)定，其結(jié)果均在0.2～0.6范圍，低于標(biāo)準(zhǔn)值0.7。由此，說(shuō)明機(jī)械組合碎土后，土料團(tuán)徑和含水率能滿足水泥摻拌均勻性要求。

4 水泥改性土施工時(shí)效性

由于水泥摻入土體中會(huì)產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)形成改性土，如果改性土到碾壓填筑階段擱置(或悶料)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響土體強(qiáng)度特性，主要原因是水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的，附著在顆粒表面凝膠物質(zhì)在壓實(shí)過(guò)程會(huì)破壞土顆粒膠結(jié)，這對(duì)改性土碾壓填筑后強(qiáng)度、密度極為不利。另外，土料在摻灰后水泥土化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，加速了水分蒸發(fā)，這種蒸發(fā)對(duì)土的含水率損失比自然蒸發(fā)更為嚴(yán)重。因此，如果改性土擱置(或悶料)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，到碾壓填筑時(shí)，土體含水率難以保持在最優(yōu)含水率附近，就直接影響到碾壓密實(shí)程度。

4.1 試驗(yàn)方案

水泥改性土料拌和后到開(kāi)始碾壓施工，分別按2，3，4，5，6 h擱置時(shí)間進(jìn)行，施工碾壓機(jī)具為20 t凸塊振動(dòng)碾，碾壓虛鋪30 cm，每時(shí)段均碾壓6遍即檢測(cè)密度、含水率。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表5，圖13顯示現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)景。

4.2 成果分析

試驗(yàn)成果如圖14所示，水泥改性土擱置4 h干密度、含水率開(kāi)始出現(xiàn)明顯下降，擱置6 h后下降開(kāi)始加速，干密度從1.74 g/cm3降到1.7 g/cm3，相差0.04 g/cm3；含水率從22.7%降至20.9%，減少近2%；如果擱置時(shí)間從6 h延至8 h，2 h內(nèi)干密度將減小近0.05 g/cm3，含水率下降近1.9%。由此可見(jiàn)，為避免水泥拌和擱置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而導(dǎo)致改性土料砂化嚴(yán)重和含水率損失，水泥拌和后改性土應(yīng)在4 h內(nèi)完成碾壓填筑施工。

表5 改性土施工時(shí)效碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合

圖13 時(shí)效性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓場(chǎng)景Fig.13 Test of time effect of in-situ rolling compaction

圖14 水泥改性土填筑施工擱置時(shí)間與干密度、含水率關(guān)系Fig.14 The relations of time interval of cement mixing and rolling compaction for expansive soil vs. dry density and water content

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)水泥改性施工中開(kāi)挖土料高含水率降低方法、土團(tuán)破碎方法、水泥拌合均勻性和水泥改性土施工時(shí)效性等施工技術(shù)和工藝進(jìn)行了初步的研究，得到以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論：

(1) 含水率速降施工方法。自然翻曬降低土料含水率速度較慢，采用旋耕機(jī)法，按20 m×20 m場(chǎng)地，開(kāi)挖土料初始含水率從25%～28%，一次作業(yè)時(shí)間(旋耕翻曬+間隔時(shí)間)30～40 min，經(jīng)旋耕機(jī)翻曬5～8遍后，含水率能降至塑限值內(nèi)。

(2) 土團(tuán)破碎施工方法。對(duì)于膨脹土開(kāi)挖料存在超大土團(tuán)，如含水率遠(yuǎn)高于塑限Wp的情況，采用通常的破碎機(jī)碎土，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效碎土功效。采用旋耕機(jī)翻曬或條篩碎土(條篩篩網(wǎng)間距為10 cm，篩高5 m)+機(jī)械組合施工，克服了機(jī)械碎土的缺陷，大大提高了降低土料含水率和破碎土團(tuán)功效，減少了施工難度。開(kāi)挖料碎土施工工法如下：①天然含水率≤Wp,直接采用機(jī)械碎土。②Wp+2%>天然含水率>Wp,采用條篩+機(jī)械組合碎土；③天然含水率>Wp+2%,采用旋耕機(jī)+機(jī)械組合碎土。根據(jù)旋耕機(jī)遍數(shù)與土料含水率關(guān)系圖估算旋耕次數(shù)。該碎土施工工法，經(jīng)EDTA滴定測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)判，可滿足水泥拌和均勻性要求。

(3) 水泥改性土填筑施工要求。為避免水泥改性土擱置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得水泥水化反應(yīng)在顆粒表面產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)在壓實(shí)過(guò)程破壞，以及水化反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量加速土料水分蒸發(fā)損耗，導(dǎo)致改性土料填筑強(qiáng)度、壓實(shí)密度降低，要求水泥拌和后改性土應(yīng)在4 h內(nèi)完成碾壓填筑施工。

同時(shí)，為了彌補(bǔ)水泥水化反應(yīng)土料水分蒸發(fā)損耗，要求土料含水率在Wp+1%～Wp+2%基礎(chǔ)上，再增加2%水量，這與拌和機(jī)要求土料含水率不高于Wp相矛盾。為此，水泥拌和施工工序?yàn)椋核橥梁蠛嗜钥刂圃赪p以下，輸入拌和機(jī)后，應(yīng)先進(jìn)行水泥拌和，均勻后再進(jìn)行增補(bǔ)3%水分。

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(編輯：黃 玲)Key Technologies in the Construction ofCement-improved Expansive Soil

LIU Ming1，LIU Jun1，GONG Bi-wei1，MU Wei2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；2.China Water Conservancy and Hydropower Third Engineering Bureau Ltd.， Xi’an 710016, China)

In order to solve problems in the cement-improved treatment for expansive soil, we conducted a field test of the construction techniques according to summary of relevant literatures and construction method of expansive soil improved by lime. Furthermore, three key methods in construction were studied, including reduction of high water content in the excavated soil, breakage of oversize soil aggregate, and time effect of filling construction of cement-improved expansive soil. Then, uniformity of blending cement and the applicability and feasibility of construction process using crusher, rotavator, strip sieve, machine combination ,etc were systematically analyzed.Finally, a construction method for improving expansive soil by cement was put forward. The results can provide

for the construction techniques of improving expansive soil.

cement-improved expansive soil；construction technology；reduction rate of moisture content；breakage of soil aggregate；EDTA titration

2014-07-17；

2014-10-22

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAB10B05)

劉 鳴(1963-)，男，浙江奉化人，高級(jí)工程師，主要從事巖工工程試驗(yàn)、安全監(jiān)測(cè)等方面的研究工作，(電話)18627112217(電子信箱)lmoyq6763@sina.com。

10.11988/ckyyb.20140593

2016,33(01):89-94，100

TU443

A

1001-5485(2016)01-0089-06