董浩強(qiáng) 王永康 朱紫陽(yáng) 龔舒暢 杜銳光

（信陽(yáng)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

紅黏土主要由花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物而形成，以高嶺石、伊利石和綠泥石為主要礦物成分，因此紅黏土具有大量裂隙和脹縮等工程特性，作為工程材料廣泛應(yīng)用于路基填料，如果不對(duì)紅黏土進(jìn)行改良，容易引發(fā)滑坡等工程事故[1]。目前，最常用的方案是向土體中按照一定比例摻入粉煤灰、石灰或者水泥，其中粉煤灰、石灰具有來(lái)源廣、造價(jià)低、環(huán)境友好的特點(diǎn)，在世界各地軟土工程性質(zhì)改良中得到廣泛應(yīng)用[2、3]。錢程[4]、曾軍[5]、張吉[6]在紅黏土中摻入不同量的石灰，通過(guò)土工試驗(yàn)研究，分析不同石灰摻入量下改良土體的液塑限、塑性指數(shù)、最大干密度、承載比等指標(biāo)的變化規(guī)律，從而確定石灰最佳摻入量；黃娟[7]、梁?jiǎn)⑶賉8]、劉海波[9]在紅黏土中摻入粉煤灰，測(cè)試改良土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率等指標(biāo)，表明在紅黏土中摻入一定量的粉煤灰可以有效改善紅黏土的工程特性。本文主要針對(duì)信陽(yáng)紅黏土，采用摻入石灰、粉煤灰的方式，通過(guò)試驗(yàn)研究改良紅黏土的工程力學(xué)特性變化規(guī)律，對(duì)比分析確定最佳改良方式及摻入量，從微觀上分析石灰、粉煤灰改良紅黏土的機(jī)制，為該地區(qū)道路建設(shè)、邊坡維護(hù)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中使用的紅黏土采集于信陽(yáng)市羊山新區(qū)新十一大街滑動(dòng)土坡，經(jīng)測(cè)試原狀紅黏土天然含水量為32.3%、密度為2.02g/cm3、孔隙比為1.15、液限為28.4%、塑限為16.8%、塑性指數(shù)為11.6、最優(yōu)含水量為20.5%、壓縮系數(shù)a1-2為0.65MPa-1、粒徑小于0.075mm的顆粒占比為67.8%。采用的石灰其中CaO含量為92.5%，粉煤灰中Fe2O3、SiO2、Al2O3含量約為83.5%。

1.2 試驗(yàn)方法

取一定量的紅黏土，烘干后粉碎，并過(guò)2mm篩，取2mm篩下土體來(lái)制樣。第一組為粉煤灰改良組，按5%、10%、15%、20%摻入粉煤灰；第二組為石灰改良組，按2%、5%、8%、11%摻入石灰；第三組為對(duì)照組，不摻入石灰、粉煤灰。三組土體含水量相同，在加入石灰或粉煤灰后，攪拌均勻，放入養(yǎng)護(hù)箱中恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)14d，然后使用手提式擊實(shí)儀，制成試樣。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）測(cè)試土體的液塑限、塑性指數(shù)、直接剪切強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、最大干密度、最優(yōu)含水量、壓縮系數(shù)等指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界限含水量

由液限、塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)得不同配合比土樣的液塑限、塑性指數(shù)如表1所示。由表1可知粉煤灰摻量由0增加到20%的過(guò)程中，當(dāng)粉煤灰摻量為5%時(shí)，液塑限值達(dá)到最大值，液限先減小后增加，液塑限最小值均小于原狀紅黏土，塑性指數(shù)均小于原狀紅黏土，因此塑限、塑性指數(shù)隨粉煤灰摻入量變化規(guī)律不明顯。隨著石灰摻量的增加，改良土體的液塑限規(guī)律不明顯，塑性指數(shù)呈現(xiàn)出先遞增再遞減的趨勢(shì)，在摻量為8%時(shí)達(dá)到最大值。

表1 界限含水量測(cè)試結(jié)果

2.2 直接剪切強(qiáng)度

對(duì)土樣分別施加50kPa、100kPa、200kPa的豎直荷載，剪切速率為6r/min，改良土體直接剪切抗剪強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量、石灰摻入量的變化，分別如圖1、圖2所示。由圖1可知當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，能夠最大程度改善紅黏土的抗剪強(qiáng)度，相同等級(jí)荷載下，改良后的土樣抗剪強(qiáng)度是素土的1.19～1.33倍。由圖2可知當(dāng)石灰的摻量為5%時(shí)，能夠最大程度改善紅黏土的抗剪強(qiáng)度，改良后的土樣是原狀紅黏土的1.68～2.02倍。相對(duì)而言，加入5%石灰改善土體抗剪強(qiáng)度的能力遠(yuǎn)大于加入15%的粉煤灰，加入石灰改良后的抗剪強(qiáng)度是加入粉煤灰的1.4～1.7倍。加入生石灰以后，與土中的水發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2電離產(chǎn)生Ca2+，與土體表面的鈉、鉀離子發(fā)生交換，使得土顆粒表面結(jié)合水膜變薄，拉近了土顆粒的距離，讓整體結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)[10]。此外，紅黏土中的礦物成分被電離出來(lái)的鈣離子激化，生成膠結(jié)物，增大了土體的抗剪強(qiáng)度。

圖1 直接抗剪強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量變化曲線

圖2 直接抗剪強(qiáng)度隨石灰摻入量變化曲線

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)不同配合比的土體進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰、石灰的不同摻灰量變化曲線如圖3所示。由圖3中可知，土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻入量減小后增加，當(dāng)粉煤灰摻入量為10%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值0.89MPa，摻入量為20%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值2.14MPa；土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰摻入量先增大，后減小，當(dāng)石灰摻入量為5%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值2.96MPa。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粉煤灰含量較高時(shí)，試樣呈現(xiàn)出一定的“脆性”，在試樣兩端邊緣部分容易出現(xiàn)“掉渣”現(xiàn)象；摻入5%的石灰，其土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于粉煤灰。因此，總體上來(lái)，看粉煤灰對(duì)紅黏土改良后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果低于石灰。

圖3 不同摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響曲線

2.4 最大干密度與最優(yōu)含水量

不同粉煤灰、石灰摻入量下改良土體最大干密度、最優(yōu)含水量測(cè)試結(jié)果分別如表2、表3所示。由表2、表3可知，改良土體的最大干密度隨粉煤灰、石灰的摻入量增加而減小，最優(yōu)含水量隨粉煤灰、石灰的摻入量增加而增加。這是因?yàn)榧t黏土是團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，而粉煤灰、石灰是微粒結(jié)構(gòu)，粉煤灰、石灰可以填充紅黏土的孔隙，這樣粉煤灰、石灰中的活性物質(zhì)發(fā)生水化作用，生成新的物質(zhì)，這些物質(zhì)填充紅黏土中的孔隙；粉煤灰、石灰的顆粒較細(xì)，比表面積較大，具有較強(qiáng)的親水性，使得最優(yōu)含水量隨粉煤灰、石灰摻入量增加而增加，最大干密度反而減小。

表2 粉煤灰改良紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 石灰改良紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.5 改良土壓縮性評(píng)價(jià)

將摻入不同量的粉煤灰、石灰的混合土制成試樣，使用單向固結(jié)儀土進(jìn)行無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，施加荷載分別為50kPa、100kPa、200kPa、400kPa四級(jí)荷載，根據(jù)改良土體的初始孔隙比及每級(jí)荷載壓縮穩(wěn)定的累計(jì)變形量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的孔隙比，最終得到壓縮系數(shù)a1-2，壓縮系數(shù)a1-2隨粉煤灰、石灰摻入量變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可以看出，摻入粉煤灰、石灰均能降低土體的壓縮性；當(dāng)紅黏土摻入粉煤灰時(shí)，其壓縮系數(shù)隨粉煤灰摻入量增加而增大，然后趨于穩(wěn)定值0.2MPa-1，從壓縮性降低到中等壓縮性；當(dāng)摻入石灰時(shí)，壓縮系數(shù)先隨石灰摻入量的增加而減小，后又增大，當(dāng)石灰摻入量為5%時(shí)壓縮系數(shù)為0.18MPa-1，為低壓縮性土。

圖4 不同摻量下壓縮系數(shù)變化曲線

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 試樣制備

在對(duì)土體進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)以后，分別取原狀紅黏土、粉煤灰摻入量20%、石灰摻入量5%剪切破壞土樣，分別取一小塊土樣，經(jīng)烘箱烘干后，使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察改良后土體孔隙分布及孔隙充填情況。

3.2 改良土體微觀結(jié)構(gòu)分析

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)原狀紅黏土及改良土體進(jìn)行電鏡掃描，如圖5所示，其中（a）為原狀紅黏土、（b）為粉煤灰摻入量20%改良土樣、（c）為石灰摻入量5%改良土樣。從圖5可知，原狀紅黏土顆粒形狀不規(guī)則、顆粒之間存在較大孔隙，摻入粉煤灰、石灰，一方面粉煤灰、石灰中的細(xì)顆?？梢猿涮罴t黏土孔隙，另一方面粉煤灰、石灰中的部分活性物質(zhì)與紅黏土中的自由水發(fā)生反應(yīng)，生成凝膠物質(zhì)覆蓋在土粒表面及充填在孔隙，增加土體的內(nèi)粘聚力和內(nèi)摩擦角，以此提升紅黏土的工程特性。圖5中（b）與（c）對(duì)比分析可知，粉煤灰改良的主要是顆粒充填紅黏土孔隙，土顆粒表面覆蓋物較少；石灰改良紅黏土主要是中CaO產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生了較多凝膠物質(zhì)覆蓋在土顆粒表面，同時(shí)包裹土顆粒，且凝膠物質(zhì)相互膠結(jié)。

圖5 改良土體電鏡掃描

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在紅黏土中摻入一定量的粉煤灰、石灰均能在一定程度上提高土體強(qiáng)度，降低壓縮性。

（2）石灰摻量為5%或者粉煤灰摻量為20%時(shí)，能夠最大程度改善土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且石灰改良紅黏土的效果比粉煤灰更佳。

（3）通過(guò)電鏡掃描從微觀上分析了粉煤灰、石灰改良紅黏土的機(jī)理。