王勝　蘇恩華

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的公路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。為了探討水泥加固粘土的固化機(jī)理，將武漢地區(qū)的紅色粘土按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ051-93）相關(guān)的試驗(yàn)要求進(jìn)行擊實(shí)度驗(yàn)，然后收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在紅色粘土中加入3%水泥后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互之間連結(jié)力加強(qiáng)；線縮率和縮限呈現(xiàn)明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%，土體收縮變形能力變小。

關(guān)鍵詞：粘土 干密度 比重 收縮

中圖分類號(hào)：U41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0088-02

粘性土透水性差，粘聚力大，干燥時(shí)土質(zhì)堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高，承載力好[1]。但同時(shí)，它具有較大的可塑性，還帶有一定的膨脹性，毛細(xì)管現(xiàn)象和粉性土一樣也很明顯。若是用粘性土來用作為路基，相比較而言比粉性土好，但不如用作路基的良好材料砂性土。粘性土遇水后，吸水能力強(qiáng)，能夠較長時(shí)間保持水分，承載力很小。因此，若是用粘性土作為路基，必須在適當(dāng)含水量充分壓實(shí)，保證路基承載力，同時(shí)由于它吸水強(qiáng)度變小，承載力弱，所以要有良好的排水設(shè)施或在粘性土添加一些加固材料等施工措施進(jìn)行改良，這樣的路基才能獲得較好的穩(wěn)定性，達(dá)到公路工程路基的規(guī)范要求。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)用土

該次用于加固的粘土樣取自湖北省武漢市漢陽區(qū)的紅色粘土。試樣用土的取樣深度為2～4 m，該地區(qū)的紅色粘土樣遇水強(qiáng)度變小，吸水能力強(qiáng)，塑性指數(shù)高，并且還帶有一定的膨脹性。晴天干燥時(shí)，紅色粘土強(qiáng)度較高，網(wǎng)紋狀裂隙發(fā)育明顯。這種土若是用于公路路基，需要進(jìn)行一定的工程措施，改善紅色粘土的親水性和膨長性，才能具有較好的承載能力和穩(wěn)定性。

1.2 固化材料

用于加固紅色粘土的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，此水泥的3 d抗壓強(qiáng)度大于17 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度大于42.5 MPa，3天抗折強(qiáng)度大于3.5 MPa，28天抗折強(qiáng)度大于6.5 MPa。水泥初凝時(shí)間不小于45 min，終凝不大于600 min。采用的32.5經(jīng)測試初凝時(shí)間為55 min，終凝時(shí)間為7 h。由于水泥加入粘土后，水泥與粘土中的水分結(jié)合發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，需要很長一段時(shí)間才能完成，故以水泥的終凝時(shí)間7 h作為最終拌合的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，然后用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 素土擊實(shí)試驗(yàn)

該次擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)。由于紅色粘土塑性指數(shù)高，吸水能力強(qiáng)，并有含有一定的膠結(jié)物，因此不能用干土法進(jìn)行制樣。該次試驗(yàn)采取濕土法制備土樣，主要步聚是在土樣中用手直接揀除大于38 mm的粗石子即可。保持天然含水量的第一個(gè)土樣，其余五個(gè)試樣將土分成小土塊，分別自然風(fēng)干，土樣的含水量控制按原2%～3%遞減。試驗(yàn)操作嚴(yán)格按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中的擊實(shí)試驗(yàn)操作步驟，在向小筒加入土樣時(shí)，分三層進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，每次大約按800～900 g加樣進(jìn)行擊實(shí)。每層擊實(shí)完土樣，必須把土樣表面進(jìn)行表面整平，層面進(jìn)行“拉毛”，重復(fù)操作，直至土樣三層擊實(shí)試驗(yàn)完[2]。需要注意的是，第三層土樣應(yīng)稍多于前二次，擊實(shí)完的試樣要稍高于筒面，但不能高出筒頂面5 cm。擊實(shí)完后，用修土刀進(jìn)行筒內(nèi)削刮，這樣便于套筒與土樣脫離。取下套筒，削平土樣，進(jìn)行稱重。用推土器從筒內(nèi)取出試樣，從試樣中心取土樣進(jìn)行含水量測試。進(jìn)行含水量與干密度曲線繪制時(shí)，各點(diǎn)的干密度計(jì)算按如下公式：

ρd=ρ÷（1+ω）

公式中：ρd表示干密度，ρ代表土的濕密度，ω為土樣含水量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，所得的含水量與干密度曲線如圖1所示。

從擊實(shí)曲線圖1可知，該紅色粘土的最大干密度為1.64 g/cm3，最佳含水量為23.51%。從圖中可以看出，紅色粘土的最大干密度小于1.75 g/cm3，說明了紅色粘土的孔隙較大。

2.2 水泥加固粘土的擊實(shí)試驗(yàn)

水泥土的擊實(shí)試驗(yàn)同以上素土制樣方法一樣采用濕土法，水泥用量為3%，拌合時(shí)，要求拌合均勻，試樣取點(diǎn)需要五個(gè)點(diǎn)。需要注意的是，試樣擊實(shí)要求在水泥終凝時(shí)間前完成，否則重新進(jìn)行制樣。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，所得的含水率與干密度曲線如圖2所示。

從擊實(shí)曲線圖2可知，水泥加固粘土的最大干密度為1.76 g/cm3，最佳含水量為25.11%。與圖1相比，加入水泥3%后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，這說明用水泥加入紅色粘土后，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互之間連結(jié)力加強(qiáng)，能有效提高土的密實(shí)度，從而增加土的承載力和強(qiáng)度。

3 收縮試驗(yàn)

該次收縮試驗(yàn)是在室溫25 ℃條件下進(jìn)行。通過上面擊實(shí)試驗(yàn)確定素土和水泥固化土混合料的最佳含水率和最大干密度。試驗(yàn)時(shí)，每隔2 h測記百分表讀數(shù)，并準(zhǔn)確稱量試樣和裝置質(zhì)量，精確到0.1 g。2 d后，每隔6～24 h測記百分表讀數(shù)，直至百分表讀數(shù)不變。根據(jù)公式計(jì)算試樣的線縮率和縮限，試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3中可以看出在，在紅色粘土中加入水泥后，線縮率和縮限明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%。紅色粘土的線縮率、縮限數(shù)據(jù)的減小，說明水泥與紅色粘土發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使土顆粒之間的聯(lián)接力加強(qiáng)，土體收縮變形能力變小。

4 水泥加固粘土的固化機(jī)理

用水泥加固粘土，水泥相對(duì)于土來說，其用量比較少。水泥與土發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)是其強(qiáng)度提高的主要原因。總結(jié)來說，大致有以下三個(gè)方面。

第一，水泥水化后，含有大量的Ca2+，它會(huì)與土粒表面帶有的低價(jià)陽離子Na+、K+進(jìn)行陽離子交換，從而使結(jié)合水的厚度變薄，土粒之間的距離減小，使土粒相互吸引易形成較大的土團(tuán)。再加上水泥水化后生成Ca（OH）2的水化生成物，它具有強(qiáng)烈的吸附活性，它能把大的土粒團(tuán)用鏈條狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步結(jié)合起來，填充土粒與土粒之間的孔隙，使土的干密度增大，含水量減小，易于壓實(shí)，增加土的承載力，提高土體強(qiáng)度。

第二，水泥與土中的水化反應(yīng)后，會(huì)與粘土中的一部分或大部分粘土礦物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物，這些結(jié)晶礦物從開始的不規(guī)則針形礦物，隨著時(shí)間的延長會(huì)向板狀粒子變化，這些重新生成的化合物極大的提高了土體強(qiáng)度。這種化學(xué)反應(yīng)就是通常所說的硬凝反應(yīng)。

第三，水泥與土中的水進(jìn)行水化反應(yīng)后，水泥水化物中的游離Ca（OH）2會(huì)與空氣中的CO2水中的HCO3-繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣[3]。這種反應(yīng)也能使土固結(jié)，提高土的強(qiáng)度。

總之，水泥就是通過與粘土細(xì)微顆粒產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，土粒之間相互吸引形成更大的顆粒，顆粒界面形成牢固的結(jié)晶聚集體，從而提高土的強(qiáng)度和其它性能。

5 結(jié)語

該文通過對(duì)武漢地區(qū)紅色粘土的試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論。

（1）在紅色粘土中加入3%水泥后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，這說明水泥加入紅色粘土后，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互連結(jié)力加強(qiáng)。

（2）在紅色粘土中加入3%水泥后，線縮率和縮限明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%。紅色粘土的線縮率、縮限數(shù)據(jù)的減小，說明了水泥與紅色粘土發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使土顆粒之間的聯(lián)接力加強(qiáng)，土體收縮變形能力變小。

參考文獻(xiàn)

[1] 方左英主編.路基工程[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2] 公路土工試驗(yàn)規(guī)程（JTJ051-93）[S].北京：人民交通出版社，1993.

[3] 方福森主編.路面工程[M].北京：人民交通出版社，1993.