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【摘 要】水泥改性土是将一定比例的水泥掺入膨胀土之中用以改善膨胀土的性质或结构，使膨胀土丧失膨胀潜能，并在一定程度上提高土体强度或承载力的改性土料。水泥改性土广泛应用于南水北调中线一期工程渠道工程的填筑中。本文选取南水北调中线工程禹州长葛段膨胀土，采用水泥对其改性，通过室内试验研究了水泥掺入对膨胀土改性的影响与效果。
【关键词】膨胀土水泥改性；试验；效果
一、水泥的改良膨胀土作用机理
膨胀土含有较多的黏粒及亲水性强的蒙脱石、 伊利石和高岭土等矿物成分，具有遇水膨胀、崩解、软化、失水收缩、干裂、硬化等工程特性。在我国膨胀土分布较广的地区，往往又存在着土地资源匮乏的问题，因此不得不利用工程性质不良的膨胀土作为工程材料。这时为保证工程质量，需对膨胀土进行性质改良，方可作为填料，比如对于引水工程中遇到的膨胀土可采用加强水稳性的改良方法，而水泥就是一种水稳定性好的无机化学改性剂。
水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性。掺入水泥后，膨胀土的化学组成以及内部结构发生变化，从而引起膨胀土的强度、胀缩性等特性发生改变。水泥对膨胀土物理力学性能的影响主要体现在以下3个方面：
（1）团粒作用：水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘结起来，提高了土体的稳定性和耐水性。
（2）离子交换作用：水泥与膨胀土发生离子交换作用改变了膨胀土颗粒与水分子的作用力。
（3）凝硬反应和碳酸反应：水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙，提高了膨胀土的强度。
二、膨胀土水泥改性均匀性
（一）现场取样
针对现场中膨胀水泥改性土试验区与弱膨胀水泥改性土试验区各选取一典型断面，进行开槽、现场照相、描述，对其掺拌均匀性进行初判：并对现场取样进行无侧限抗压强度试验和渗透试验。取样弱膨胀水泥改性土试验区一级马道以下采用水泥改性土处理，处理层厚度0.6m，水泥掺量为4%，施工采用路拌机拌合；中膨胀水泥改性土试验区为全断面水泥改性土处理，处理层厚度lm，水泥掺量为5%，采用液压碎土机碎土后再由稳定土拌和机拌合。
在两个改性土试验区各选取一典型断面，用挖掘机开挖长约7m、深度达到处理层底部的坑槽。在坑槽侧壁各选取一长约4m的剖面，人工修平后。观察发现处理层无明显水泥结块或松散现象，但在姜石的外表均有水泥包裹的痕迹。
（二）密度测试
在两个改性土试验区处理层的不同高程、不同埋深分别取环刀样，测试改性土层的密度如图1所示。成果显示，中膨胀水泥改性土干密度最小值为1.34g/cm3，最大1.59g/cm3；弱膨胀水泥改性土干密度最小值为1.44g/cm3，最大1.62g/cm3。中、弱膨胀水泥改性土干密度变化幅度均较大，分别为0.25 g/cm3、0.18g/cm3。分析认为其原因主要与现场掺拌的膨胀土中姜石含量不均匀有关，此外与水泥掺拌比较困难也有一定关系。
（三）无侧限抗压强度试验
1、中膨胀水泥改性土
中膨胀水泥改性土无侧限抗压强度试验成果见表l。
室内试验得到28天龄期中膨胀改性土饱和样的抗压强度为247.2kPa，初始切线模量为46.4MPa，破坏应变为0.62%。由表l，中膨胀现场水泥改性土饱和样的抗压强度为718.6kPa，初始切线模量为71.9MPa，破坏应变为1.0%。这是因为现场水泥改性试样的龄期为1年多，而室内试验试样仅为28大龄期。说明随着龄期的增长水泥改性膨胀土的无侧限抗压强度增大。
2、弱膨胀水泥改性土
弱膨胀水泥改性土无侧限抗压强度试验成果见表2。
室内试验得到28天龄期弱膨胀改性土饱和样的抗压强度为370.0kPa。由表2，弱膨胀现场水泥改性土饱和样的抗压强度变化范同较大，从118.5kPa变化到468.7kPa，这表明弱膨胀水泥改性士现场拌合不均匀。
（四）渗透试验
现场水泥改性土渗透试验成果见表3所示。其中中膨胀改性土渗透系数在10-7cm/s数量级，表明拌合效果相对较好；弱膨胀改性士渗透系数为10-4～10-6cm/s数量级，变化范围较大，表明拌合效果不理想，局部掺拌不均匀。
三、水泥改性土处理膨胀土的其它试验
（一）试验准备
首先在总干渠桩号SH（3）67+800～SH（3）67+900内布置试验场地，对场地进行清理和平整后，在其上摊铺一层厚约30cm的弱膨胀土垫层料做试验基层，并用20T振动平碾对其碾壓10遍。每区试验面积均为6m×10m，试验场布置区的平整度不超过5cm。从渠道弱膨胀土Ⅲ区试验场开采试验土料，运至试验场堆土区，翻晒至最优含水率后备用。水泥采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。
（二）弱膨胀土机械选型碾压试验
使用22T的凸块碾和22T汽胎碾，分别对铺填厚度为30cm，含水率约18%的弱膨胀土土料按照设计规定的碾压遍数（8遍）进行碾压试验。根据碾压后土料最大干密度大小确定最佳碾压机械，并用于后续试验中。试验结论如下：22T汽胎碾碾压区Ⅱ-1-②试验块区的平均含水率为18.2%，平均干密度为1.47g/cm3；22T凸块碾碾压区Ⅱ-1-①试验块区的平均含水率为17.8%，平均干密度为1.59g/cm3。此次试验检测成果表明，在同样的试验条件下，对同一种土料使用22T凸块碾进行压实的效果较好。
（三）弱膨胀土水泥改性拌和工艺试验
对水泥掺量严格控制在4%、拌和前含水率严格控制在20.8%的弱膨胀土，使用路拌机分别拌和2～6遍后，在试验场区中部分别取样6个（每次拌和后的取样点在同一位置），测定弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度。试验结果如下：弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥在拌和2～3遍的均匀性较差；4～5遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和6遍的与标准曲线上的水泥剂量基本一致，水泥剂量检测结果均大于设计掺量。
（四）渠坡换填弱膨胀土水泥改性土碾压机械选型工艺试验
对2组水泥掺量均严格控制在4%、采用设计要求的弱膨胀土土料分2个区铺土，2组试验使用路拌机分别拌和4遍、拌和3遍后根据拌和前含水率，考虑两组试验3个百分点的含水率损失，对2组试验土料加水至水泥改性土设计要求的含水率范围内。测定2组3遍、4遍的弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度，4遍拌和全部完成后，用装载机将拌和完成后的土料铲至1：2的边坡填筑试验场。两组铺土厚度均为30cm，分别采用22T凸块碾和22T振动平碾对两组试验碾压8遍，测其含水率和水泥含量。
试验结论：本次两组弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥3遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和4遍的与标准曲线上的水泥剂量较接近，水泥剂量检测结果平均大于设计4%掺量，碾压后水泥剂量检测结果偏小。碾压区弱膨胀土水泥改性土机械选型试验块区22T振动平碾碾压区的压实度为96%；22T凸块碾碾压区的压实度为98%。
四、膨胀土水泥改性效果
在一年半的运行后，膨胀土水泥改性再次进行取样试验分析，经分析发现通过水泥改性的膨胀土他们的的自由膨胀率基本都在40%以下，中、弱水泥改性土的液限均小于素土，塑性指数较素土显著减小，表明中、弱膨胀土经改性后土中结合水含量的变化范围显著减小。中、弱膨胀土水泥改性后，胶粒含量和粘土矿物含量明显降低，这正是水泥改性膨胀土效果显著的主要原因。
水泥改性材料掺入后能有效改善膨胀土的膨胀性。采用水泥进行改性时，随着水泥用量的增加，有荷膨胀率呈线性减小。这说明膨胀土掺水泥后，能在一定程度上减小膨胀土的膨胀性。对于收缩系数，水泥改性有一定的减小作用。
参考文献：
[1]熊海帆.膨胀土水泥改性试验研究[D].武汉理工大学：岩土工程水泥改性土处理弱膨胀土的施工技术，2010.
[2]许正周，翟会见.水泥改性土处理弱膨胀土的施工技术[J].城市建设理论研究（电子版），2012年29期.
【关键词】膨胀土水泥改性；试验；效果
一、水泥的改良膨胀土作用机理
膨胀土含有较多的黏粒及亲水性强的蒙脱石、 伊利石和高岭土等矿物成分，具有遇水膨胀、崩解、软化、失水收缩、干裂、硬化等工程特性。在我国膨胀土分布较广的地区，往往又存在着土地资源匮乏的问题，因此不得不利用工程性质不良的膨胀土作为工程材料。这时为保证工程质量，需对膨胀土进行性质改良，方可作为填料，比如对于引水工程中遇到的膨胀土可采用加强水稳性的改良方法，而水泥就是一种水稳定性好的无机化学改性剂。
水泥改良膨胀土能大幅度地提高膨胀土的稳定性和耐久性。掺入水泥后，膨胀土的化学组成以及内部结构发生变化，从而引起膨胀土的强度、胀缩性等特性发生改变。水泥对膨胀土物理力学性能的影响主要体现在以下3个方面：
（1）团粒作用：水泥水化反应的胶凝产物将土颗粒粘结起来，提高了土体的稳定性和耐水性。
（2）离子交换作用：水泥与膨胀土发生离子交换作用改变了膨胀土颗粒与水分子的作用力。
（3）凝硬反应和碳酸反应：水泥凝硬反应以及氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生反应生成耐水的碳酸钙，提高了膨胀土的强度。
二、膨胀土水泥改性均匀性
（一）现场取样
针对现场中膨胀水泥改性土试验区与弱膨胀水泥改性土试验区各选取一典型断面，进行开槽、现场照相、描述，对其掺拌均匀性进行初判：并对现场取样进行无侧限抗压强度试验和渗透试验。取样弱膨胀水泥改性土试验区一级马道以下采用水泥改性土处理，处理层厚度0.6m，水泥掺量为4%，施工采用路拌机拌合；中膨胀水泥改性土试验区为全断面水泥改性土处理，处理层厚度lm，水泥掺量为5%，采用液压碎土机碎土后再由稳定土拌和机拌合。
在两个改性土试验区各选取一典型断面，用挖掘机开挖长约7m、深度达到处理层底部的坑槽。在坑槽侧壁各选取一长约4m的剖面，人工修平后。观察发现处理层无明显水泥结块或松散现象，但在姜石的外表均有水泥包裹的痕迹。
（二）密度测试
在两个改性土试验区处理层的不同高程、不同埋深分别取环刀样，测试改性土层的密度如图1所示。成果显示，中膨胀水泥改性土干密度最小值为1.34g/cm3，最大1.59g/cm3；弱膨胀水泥改性土干密度最小值为1.44g/cm3，最大1.62g/cm3。中、弱膨胀水泥改性土干密度变化幅度均较大，分别为0.25 g/cm3、0.18g/cm3。分析认为其原因主要与现场掺拌的膨胀土中姜石含量不均匀有关，此外与水泥掺拌比较困难也有一定关系。
（三）无侧限抗压强度试验
1、中膨胀水泥改性土
中膨胀水泥改性土无侧限抗压强度试验成果见表l。
室内试验得到28天龄期中膨胀改性土饱和样的抗压强度为247.2kPa，初始切线模量为46.4MPa，破坏应变为0.62%。由表l，中膨胀现场水泥改性土饱和样的抗压强度为718.6kPa，初始切线模量为71.9MPa，破坏应变为1.0%。这是因为现场水泥改性试样的龄期为1年多，而室内试验试样仅为28大龄期。说明随着龄期的增长水泥改性膨胀土的无侧限抗压强度增大。
2、弱膨胀水泥改性土
弱膨胀水泥改性土无侧限抗压强度试验成果见表2。
室内试验得到28天龄期弱膨胀改性土饱和样的抗压强度为370.0kPa。由表2，弱膨胀现场水泥改性土饱和样的抗压强度变化范同较大，从118.5kPa变化到468.7kPa，这表明弱膨胀水泥改性士现场拌合不均匀。
（四）渗透试验
现场水泥改性土渗透试验成果见表3所示。其中中膨胀改性土渗透系数在10-7cm/s数量级，表明拌合效果相对较好；弱膨胀改性士渗透系数为10-4～10-6cm/s数量级，变化范围较大，表明拌合效果不理想，局部掺拌不均匀。
三、水泥改性土处理膨胀土的其它试验
（一）试验准备
首先在总干渠桩号SH（3）67+800～SH（3）67+900内布置试验场地，对场地进行清理和平整后，在其上摊铺一层厚约30cm的弱膨胀土垫层料做试验基层，并用20T振动平碾对其碾壓10遍。每区试验面积均为6m×10m，试验场布置区的平整度不超过5cm。从渠道弱膨胀土Ⅲ区试验场开采试验土料，运至试验场堆土区，翻晒至最优含水率后备用。水泥采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。
（二）弱膨胀土机械选型碾压试验
使用22T的凸块碾和22T汽胎碾，分别对铺填厚度为30cm，含水率约18%的弱膨胀土土料按照设计规定的碾压遍数（8遍）进行碾压试验。根据碾压后土料最大干密度大小确定最佳碾压机械，并用于后续试验中。试验结论如下：22T汽胎碾碾压区Ⅱ-1-②试验块区的平均含水率为18.2%，平均干密度为1.47g/cm3；22T凸块碾碾压区Ⅱ-1-①试验块区的平均含水率为17.8%，平均干密度为1.59g/cm3。此次试验检测成果表明，在同样的试验条件下，对同一种土料使用22T凸块碾进行压实的效果较好。
（三）弱膨胀土水泥改性拌和工艺试验
对水泥掺量严格控制在4%、拌和前含水率严格控制在20.8%的弱膨胀土，使用路拌机分别拌和2～6遍后，在试验场区中部分别取样6个（每次拌和后的取样点在同一位置），测定弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度。试验结果如下：弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥在拌和2～3遍的均匀性较差；4～5遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和6遍的与标准曲线上的水泥剂量基本一致，水泥剂量检测结果均大于设计掺量。
（四）渠坡换填弱膨胀土水泥改性土碾压机械选型工艺试验
对2组水泥掺量均严格控制在4%、采用设计要求的弱膨胀土土料分2个区铺土，2组试验使用路拌机分别拌和4遍、拌和3遍后根据拌和前含水率，考虑两组试验3个百分点的含水率损失，对2组试验土料加水至水泥改性土设计要求的含水率范围内。测定2组3遍、4遍的弱膨胀土水泥改性土中水泥掺量的均匀度，4遍拌和全部完成后，用装载机将拌和完成后的土料铲至1：2的边坡填筑试验场。两组铺土厚度均为30cm，分别采用22T凸块碾和22T振动平碾对两组试验碾压8遍，测其含水率和水泥含量。
试验结论：本次两组弱膨胀土水泥改性工艺试验中，水泥3遍拌和均匀性逐渐趋于稳定，拌和4遍的与标准曲线上的水泥剂量较接近，水泥剂量检测结果平均大于设计4%掺量，碾压后水泥剂量检测结果偏小。碾压区弱膨胀土水泥改性土机械选型试验块区22T振动平碾碾压区的压实度为96%；22T凸块碾碾压区的压实度为98%。
四、膨胀土水泥改性效果
在一年半的运行后，膨胀土水泥改性再次进行取样试验分析，经分析发现通过水泥改性的膨胀土他们的的自由膨胀率基本都在40%以下，中、弱水泥改性土的液限均小于素土，塑性指数较素土显著减小，表明中、弱膨胀土经改性后土中结合水含量的变化范围显著减小。中、弱膨胀土水泥改性后，胶粒含量和粘土矿物含量明显降低，这正是水泥改性膨胀土效果显著的主要原因。
水泥改性材料掺入后能有效改善膨胀土的膨胀性。采用水泥进行改性时，随着水泥用量的增加，有荷膨胀率呈线性减小。这说明膨胀土掺水泥后，能在一定程度上减小膨胀土的膨胀性。对于收缩系数，水泥改性有一定的减小作用。
参考文献：
[1]熊海帆.膨胀土水泥改性试验研究[D].武汉理工大学：岩土工程水泥改性土处理弱膨胀土的施工技术，2010.
[2]许正周，翟会见.水泥改性土处理弱膨胀土的施工技术[J].城市建设理论研究（电子版），2012年29期.