南水北调总干渠水泥改性土施工质量控制研究与应用
赵峰，倪锦初 张治军
（长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010）
作者简介：赵峰 （1967-），河北满城人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工方面的研究工作。
摘要：本文结合 “十一五”“十二五”科研成果和现场实际情况，研究提出水泥改性土的料源选择、碎土、拌和、填筑碾压等施工过程的质量控制要素以及控制指标的检测方法，特别在水泥改性土施工过程中重要质量环节注意事项进行说明，可进一步提高类似水泥改性土工程施工质量。
关键词：质量控制 水泥改性土 自由膨胀率 EDTA滴定法
1 概述
南水北调中线工程渠道总长约1432km，其中约400km分布膨胀土或膨胀岩。膨胀土渠段一般采用水泥改性土进行坡面和渠底的保护处理。由于膨胀土水泥改性处理施工技术含量高，施工工艺较为复杂，虽然根据现场实际情况制定了相关水泥改性土技术要求及技术规定，但我国目前没有专门的水泥改性施工技术标准对膨胀土水泥改性的施工质量进行评价，国内施工队伍一般缺少现场改性施工的实践经验，在大规模膨胀土输水渠道中应用尚属首次，施工过程中仍然存在一些问题，这些施工技术问题成为了制约工程建设进度和质量的关键技术问题。
本文结合“十一五”“十二五”课题研究和现场实际情况，对水泥改性施工过程中的关键环节的质量控制进行探讨研究。
2 料源质量控制
按照 《膨胀土地区建筑技术规范》（GB50112-2013）对膨胀土的膨胀潜势分类，将膨胀土分为弱、中、强三类，见表1。
表1 膨胀土的膨胀潜势分类表
自由膨胀率δef<40%的土称为一般性土（或非膨胀土）。
用作水泥改性土料源一般采用膨胀率21≤δef<40的一般性土和弱膨胀土，中膨胀土一般不用作改性土料源，当需要采用中膨胀土进行改性时，必须经过专门科研论证方可用做工程部位，强膨胀土严禁用作水泥改性土料源。
天然土料的自由膨胀率应通过料场采样试验确定，试验方法严格按《土工试验规程》［1］（SL237-1999）中SL237-024-1999执行。由于膨胀土料源的差异性，膨胀率测试土样采集应注意以下3点。
（1）每个不同的开采区采样点平面控制范围不大于100m×100m，地形、地层结构复杂时应适当加密；每个开采区采样点不少于9个。
（2）当开采层为单一土层时膨胀性试验土样采集原则为：当开采厚度小于1m时可在土层厚度中部取样；当开采厚度为1～2m时在距开采层顶、底1/3厚度处取样按等体积混合；当厚度大于2m时，在距开采层顶、底0.3m处以及其间等距离多点（高差不大于1m）采样等体积混合。
（3）当开采层为多个不同性状土层混合开采时膨胀性试验土样采集原则为：在各土层厚度中部取样，各土层土样重量按开采层范围内各土层天然厚度与相应的天然容重之积的比例进行混合。
3 料源颗粒级配质量控制
为了使水泥改性土拌和均匀，应对拌和用土料颗粒级配进行控制，其控制要求目前无现行的国家标准，参照公路行业工程实践，水泥改性土大模实施前，提出了拌和用土料颗粒级配要求为：最大粒径不大于10cm，10～5cm粒径含量不大于5%，50～5mm粒径含量不大于50%。根据“十二五”课题研究和现场实际情况，其要求可调整为：最大粒径不大于10cm，2cm以下粒径含量不小于70%，调整后的控制指标现场更易控制，也不影响水泥改性土的拌和质量。
由于膨胀土含水率及黏粒含量一般偏高，破碎存在一定难度，为了提高破碎质量和破碎效率，可以采取以下措施。
（1）严格控制碎土前土料含水率，根据现场试验成果，碎土前土料含水率宜控制在低于最优含水率2～3个百分点比较合适，太高不易破碎，太低在拌和过程中需增加加水量，不易拌和均匀。
从现场实际情况来看，天然土料的含水率一般高于最优含水率，降低含水率难度较大，可采取在料场区域堆土牛过风、旋耕犁翻晒等措施降低含水率，雨天前及时对土料进行覆盖。
（2）对颗粒较大的土料，为了提高碎土效率，必要时进行预筛分。
土料的土块粒径级配，按场次由施工单位采用筛分法自检，上报监理工程师，监理工程师对土料的土块粒径级配进行抽查，对不达要求的土料重新进行破碎。
4 拌和过程中的质量控制
水泥改性土拌和前，根据天然土料膨胀特性，经室内试验确定水泥掺量，并经碾压试验效果复核。选择改性土水泥掺量时不同自由膨胀率天然土料改性水泥掺量控制指标及试验时参考掺量值［3］见表2。
表2 不同自由膨胀率天然土料改性土水泥掺量室内试验控制指标参考值
膨胀土用水泥改性后，28d自由膨胀率一般可降低为原值的60%～70%，“十一五”“十二五”科研成果也证明了这一点，如果施工单位所做试验成果远低于此值，其室内自由膨胀率测试试验过程中操作可能存在不规范的问题，应引起监理工程师的重视，对其操作过程进行检查，存在问题，须重新进行试验。
水泥改性土拌和过程中的加水量是影响现场碾压质量的重要因素之一，根据“十二五”科研成果及现场工程实践，由于水泥改性土拌和过程中，由于水泥水化反应，拌和过程中含水率一般损失2～3个百分点，拌和过程中需加水至高于最优含水率4～5个百分点控制一般碾压效果较好，现场可用手用力攥紧拌后的水泥改性土，当刚好成团且不至过湿则加水量适中，若呈成松散状，则加水量偏低，难以碾压密实。
水泥改性土成品料的质量通过样品水泥含量的平均值与水泥含量标准差评定。成品料水泥含量采用EDTA滴定法测定，试验方法严格按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》［2］（JTG E51-2009）中T0809-2009执行。测定工作宜在拌和完成后2小时内完成，其水泥掺量平均值不得小于设计掺量，标准差不大于0.7。不合格的改性土拌制品不得用于主体工程填筑施工。
水泥改性土拌和出料口成品料检测频率及数量视工程规模而定，施工初期每拌和批次不大于600m3，水泥改性土抽测不少于6个样（每个样品重量不少于300g），在改性土拌和过程中应间隔均匀取样，约每100m3取一个样。施工过程中，当拌和工艺成熟后，可适当减少检测频次，以减少检测工作量。
5 填筑碾压过程中的质量控制
在“十一五”现场试验过程中，曾对振动凸块碾和轮胎碾碾压水泥改性土效果进行了比较，振动凸块碾在压实土料时，不仅借助碾重与振动的作用，同时借助凸块插入土体使土体受到挤压和揉搓作用，使土体更易压实，其碾压效果优于轮胎碾，故水泥改性土推荐采用振动凸块碾碾压。
水泥改性土铺土厚度一般控制在30cm左右比较合适，太厚难以压实，太薄，由于振动凸块碾凸块厚度约7cm左右，碾压土体上表7cm左右为无效碾压层，压实效率不高。
由于膨胀土的差异性，水泥改性后，同一区域的料源其室内试验最大干密度也存在一定差异，为了更好地控制施工质量，其压实度除满足设计要求外（主体工程部位设计一般要求为98%），同时应规定最少碾压遍数不少于6遍。
对于开挖天然渠坡换填层，为提高处理层与被保护坡面结合质量，被保护边坡面需开挖成小台阶，台阶高为每一层铺土碾压厚度。
6 结语
水泥改性土施工施工环节较多，且无现行国家标准，施工质量控制存在一定难度。从现场实际情况来看，应重点控制膨胀率和水泥含量两个指标，这两个指标的室内检测流程较多，操作要求严格，其指标的准确性与否，对水泥改性土工程质量影响较大，施工现场应严格规范施工单位的操作流程，确保这两项指标的真实性。
参考文献
［1］ SL 237-1999土工试验规程［S］.
［2］ JTG E 51-2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.
［3］ NSBD-ZGJ-1-37南水北调中线一期工程总干渠渠道水泥改性土施工技术规定（试行）［S］.