內蒙古地區改良紅黏土擊實與收縮特性研究

張宏 何靈靈

摘要 黏土系材料常被用作高放廢物處置中的緩沖屏障、垃圾填埋場防滲襯墊以及重金屬污染隔離墻等用途。在環境溫度、濕度的變化下，黏土系材料易產生收縮變形，甚至開裂，嚴重劣化材料的工程應用性。為此，對比分析了內蒙古地區水泥改良前后紅黏土的擊實與收縮特征以及裂縫的發展規律。結果表明：隨著水泥摻量的增加，改良紅黏土的最大干密度減小，最佳含水率增大;水泥摻量未顯著改變紅黏土擊實曲線的曲率特征，改良前后紅黏土干密度對含水率的敏感程度基本相似;紅黏土失水過程可劃分為線性失水、非線性失水與失水停滯3個階段;收縮指標（徑向線縮率εr、軸向線縮率εa以及體積收縮率εv）隨干燥時間呈指數規律變化;紅黏土軸向收縮大于徑向收縮，線性伸長系數（COLE）小于0.03、幾何因子rs小于3，具有明顯的各向異性與低收縮潛能;從改良紅黏土收縮性能和控制裂縫的發生發展及工程成本控制視角而言，改良紅黏土摻量具有最優選擇。

關 鍵 詞 改良紅黏土;失水率;收縮特性;裂縫寬度

Abstract Clay-based materials are often used as buffer barriers in high-level radioactive waste disposal， landfill impervious liners and heavy metal pollution barriers. Under the change of environment temperature and humidity， clay materials are prone to shrinkage， deformation and even cracking， which severely damages engineering application. Therefore， the compaction and shrinkage characteristics before and after cement improvement of red clay as well as the development pattern of cracks in Inner Mongolia area were compared and analyzed. The results show that with the increase of cement content， the maximum dry density of improved red clay decreases and the optimum moisture content increases， while the curvature characteristics of compaction curve of red clay are not significantly changed， and the sensitivity of dry density of red clay to water content is basically similar before and after the improvement. The process of water loss in red clay can be divided into three stages： linear water loss， nonlinear water loss and stagnation of water loss. The shrinkage index （radial linear shrinkage εr， axial linear shrinkage εa and volume shrinkage εv） varies exponentially with drying time. Simultaneously， the axial shrinkage of red clay is greater than that of radial shrinkage， the linear extension coefficient （COLE） is less than 0.03， geometric factor rs less than 3， which presents a characteristic of obvious anisotropy and low shrinkage potential. From the point of view that improving red clay shrinkage， controlling the occurrence and development of cracks and engineering cost， there is an optimum choice for the cement content of improved red clay.

Key words improved red clay; water loss rate; shrinkage characteristics; crack width

0 引言

粘土系材料因具有滲透性低、吸附能力強等特點常作為防滲系統的主要材料，在治理重金屬污染環境問題，高放廢物處置以及垃圾填埋場工程中得到了廣泛應用。其中紅黏土因其較低的滲透性已成為填埋場防滲系統的新型材料之一[1-2]，然而在環境溫度、濕度的變化作用下易發生收縮變形，當應變超過其允許應變時土體開裂，產生各種縱橫交錯的裂縫，使滲透系數增加，導致防滲屏障功能失效。可見，分析研究壓實紅黏土的收縮規律對于紅黏土作為防滲屏障阻滯污染物遷移擴散具有重要意義。

目前，有關改良紅黏土的收縮特性研究較多。葉瓊瑤等[3]，李海鵬[4]通過在紅黏土中添加砂礫、石灰、水泥等改良材料，使其與紅黏土發生一系列的化學反應，進而增加土體強度，降低土體收縮。Horpibulsuk 等[5]從微觀結構的角度分析了水泥改良粉質黏土穩定性和強度，結果表明隨著水泥含量的增加，水泥膠結物隨之增加并填充土體孔隙，從而提高黏土的密實度。劉之葵等[6]研究了不同水泥含量與養護時間對桂林紅黏土收縮特性的影響，得出水泥能夠較好的提高紅黏土的黏聚力與強度。王海湘等[7]通過碎石改良紅黏土收縮試驗，得出碎石能有效減少紅黏土的細粒含量、降低收縮變形的同時提高土體壓實度。郭彪等[8]，王云等[9]對比分析了機制砂與生石灰對云南紅黏土的收縮特性的影響，結果表明石灰摻量越高，改良紅黏土的收縮越小，且生石灰對紅黏土改良效果優于機制砂。Tollenaar等[10]得出聚酯纖維的存在可以減少黏土由于干燥收縮產生的裂縫。綜上所述，紅黏土收縮性的改材料種類較多，且不同的改良方法對紅黏土收縮裂隙的發育情況影響不同。其中水泥作為一種常用的改良材料，具有遇水膠結、凝聚的特點，可填充土體的孔隙，降低紅黏土的含水率，從而使土體得以壓實。然而，由于紅黏土的區域性較強，具有一定的特殊性，應用水泥改良其收縮變形的研究較少，且對于水泥改良后紅黏土的收縮特性及裂隙演化研究尚不完善，因此需要進行深入探討。

在內蒙古地區廣泛分布有一層厚度不等的紅黏土，當地老百姓將此紅黏土稱為“紅膠泥”，常用作漏雨房屋的涂抹材料以及地下儲存食物與外界隔絕的封閉材料。受此啟發，為開發內蒙古地區紅黏土材料用于阻滯重金屬污染的帷幕屏障、垃圾填埋場防滲襯墊等工程用途潛能奠定基礎，以內蒙古地區典型的紅黏土為研究對象，通過摻入不同含量的水泥，改良紅黏土的擊實與收縮性能以供工程應用借鑒和參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的紅黏土取自內蒙古呼和浩特市，土樣呈棕紅色，濕度偏大，土質較均勻。水泥為PI 42.5硅酸鹽水泥，細度為332 m2/kg，密度為3 170 kg/m3。紅黏土的基本物理指標如下：黏粒含量高達70%，比重為2.6，液限為42%，塑限為26%，塑性指數為16。圖1為紅粘土塑性圖，土樣塑性指數主要分布于A線上、B線左側，屬于低液限黏土。

1.2 試驗方法與過程

根據《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）采用干質量摻配法，在紅粘土中摻加0%、1%、2%、3%的水泥，拌和均勻后制備擊實試樣，通過擊實曲線確定其最佳含水率與最大干密度，用于干燥收縮試驗。

基于改良紅粘土擊實試驗，制備4個不同水泥摻量下的最佳含水率與最大干密度的圓柱體試樣S0、S1、S2、S3（高為20 mm，直徑為100 mm），將其放入烘箱中以30 ℃恒溫干燥收縮。干燥前3 h，每隔0.5 h測定一次試樣的質量，使用游標卡尺測量試樣在干燥過程中尺寸（直徑和高度）變化。同時，干燥過程中定時拍照，用于圖像處理試樣表面裂縫。采用ZBL-F101型裂縫寬度觀測儀測量相同時刻試樣徑向與軸向出現的最大裂縫寬度，干燥過程中因其表面裂縫較多，只標記其中典型裂縫寬度的變化過程。土樣質量若在2 h之內沒有變化，則認為試樣收縮已結束。試樣與試驗裝置如圖2所示。

2 改良紅粘土擊實特性

根據《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）對水泥摻量分別為 0%、1% 、2% 、3% 的紅黏土進行標準擊實試驗，擊實曲線如圖3所示。由圖3不難看出，隨著水泥摻量的變化，未顯著影響紅黏土的擊實曲線特征。以最佳含水率為界，干密度對含水率的敏感性基本未隨水泥摻量的改變而有明顯的變化。即水泥的摻入改變了最佳含水率與最大干密度的數值而不會改變擊實特性發展規律。

不同水泥摻量下試樣的最大干密度與最佳含水率見表1。

改良紅黏土最大干密度與最佳含水率隨水泥摻量的變化規律如圖4所示。改良紅黏土試樣隨著水泥摻量的增加，最大干密度減小，最佳含水率增加;水泥摻量為1%時改良紅黏土最大干密度下降0.52%，最佳含水率增大了0.1%;水泥摻量為2%時改良紅黏土最佳含水率與最大干密度達到峰值其最大干密度減小了4.7%，最佳含水率增大了2.6%;水泥摻量為3%時改良紅黏土的最大干密度減小了4.1%，最佳含水率降低了1%。從試驗結果可以看出最大干密度與最佳含水率隨著水泥摻量的變化呈S曲線形趨勢變化。由于水泥的摻入，提高了土體整體的黏結力，擊實過程中部分擊實功被土顆粒間的黏結力消耗，使最大干密度出現下降趨勢。水泥越多，水泥水化吸收的水分也越多，用于密實土體的水分減少，導致最佳含水率出現增長趨勢。

3 改良紅黏土收縮特性研究

基于改良紅黏土擊實試驗，制備最佳含水率與最大干密度的4個（S0、S1、S2、S3）試樣進行收縮試驗，試樣的基本參數如表2所示。

為了分析試樣收縮特性，利用失水率ω、徑向線縮率[εr]、軸向線縮率[εa]以及體積收縮率[εv]等指標表征其收縮特性，具體指標定義見表3。

3.1 改良紅黏土收縮試驗結果

試樣失水率隨干燥時間的變化規律如圖5所示。試樣在最佳含水率與最大干密度的情況下，4個試樣的失水曲線具有相似的趨勢。試樣在初始干燥階段失水較快，呈線性變化趨勢，隨著干燥時間的延續，水分蒸發速率逐漸減緩，最終趨于穩定。

由圖5可將各失水曲線隨干燥時間的變化分為線性失水階段、非線性失水階段以及失水停滯階段。其中線性失水階段（0～10 h）試樣水分快速減少，此階段水分減少主要以試樣表層部分的水分為主。非線性失水段（10～45 h），此階段內試樣在毛細作用下內部的水分不斷地向試樣表層輸送，隨著土體內部水分的減小，失水率呈現逐漸降低的趨勢。失水停滯階段（45～65 h）隨著失水速率的減小，試樣逐漸達到收縮穩定狀態。經過65 h的恒溫干燥，初始含水率為13%的2個試樣[S0]，[S1]的失水率較小，且失水曲線幾乎重合。由于試樣[S2]的初始含水率為15.7%，因此相應的失水率也最大，4個試樣的失水率大小關系為[S2>S3>S0>S1]。

試樣失水率隨干燥時間變化關系采用指數函數進行擬合，其方程為：[y=a×（1-bx）]，式中x為干燥時間;a，b為常數。

不同水泥摻量下改良紅黏土在最佳含水率與最大干密度時徑向線縮率、軸向線縮率及體積收縮率隨干燥時間變化關系如圖6所示，4個試樣的收縮規律基本相同。試樣在初始干燥階段收縮較快，呈線性變化趨勢，隨著干燥時間的延續，收縮速率逐漸減緩，最終趨于穩定。收縮曲線斜率反映了試樣收縮速率的大小，收縮曲線斜率越大，試樣收縮達到穩定狀態所需時間越短。

由圖6各收縮指標隨干燥時間的變化規律可見，收縮變形主要分為線性收縮階段、非線性收縮階段以及收縮停滯階段。其中線性收縮階段，原在土體孔隙中占據著一定體積的自由水通過微孔隙不斷向外運動，單位時間土體表面水分蒸發速率基本不變，試樣水分蒸發量基本相同，收縮曲線呈直線變化。非線性收縮階段，隨著含水率的持續減小，試樣孔隙中自由水逐漸減少，導致土體顆粒間相互作用力增強，土體結構強度變大，使土體的抗變形能力也得到提高，收縮曲線斜率逐漸減小。收縮停滯階段，土顆粒之間的聯接力達到最大，結構狀態最為密實，土體內部的水分基本蒸發完畢，土體收縮達到最終的穩定狀態。

改良紅黏土試樣徑向線縮率、軸向線縮率及體積收縮率隨干燥時間變化關系采用指數函數進行擬合，其方程為：[y=a×（1-bx）]式中x為干燥時間;a，b為常數。

圖7為水泥摻量不同的4個試樣徑向線縮率與軸向線縮率隨水泥摻量變化趨勢。由圖可知，試樣軸向與徑向線縮率差別較大，試樣軸向收縮均大于徑向收縮，由此可見，改良紅黏土的收縮具有各向異性的特點。

為定量描述水泥改良紅黏土的收縮特性，引入收縮潛勢與各向異性來評價土體收縮。用線性伸長系數（COLE）來描述黏土的收縮潛勢，用幾何因子[rs]評價土體變形的各向異性[11-13]，收縮潛勢如式（1）所示。

表4為不同水泥摻量的試樣達到最終穩定狀態時線性伸長系數與幾何因子。4個試樣的線性伸長系數均在0.02左右小于0.03，土體具有低收縮勢能。試樣的幾何因子rs均小于3，表明土體收縮具有一定的各向異性且土體收縮以軸向收縮為主。本文制備的試樣形狀為圓柱體，其邊緣部分水分易蒸發，從而使土體產生收縮變形。由于土體內部的水分得不到及時的蒸發，造成了圓柱體試樣呈現出“內凸外凹”的現象，在這一過程中試樣軸向收縮占據了主導作用。在工程應用中為改良土體收縮，可添加適當的水泥，此外，在工程設計過程中，也應考慮土體收縮各向異性的特點。

不同水泥摻量下試樣的線性伸長系數與幾何因子的變化如圖8所示。線性伸長系數越大其收縮潛勢越高，則表明試樣易產生收縮。幾何因子越大表明試樣收縮各向異性越強。由圖可知，水泥摻量為2%的試樣線性伸長系數與幾何因子大于1%、3%的試樣，這是由于土體收縮過程中受初始含水率的影響較大。幾個試樣中水泥摻量為2%的試樣最佳含水率最大。

3.2 改良紅黏土收縮裂縫的發展規律

干燥收縮過程中定時拍照，試樣的表面裂縫分布如圖9所示。由于篇幅限制僅列出[S0]，[S1]試樣的表面裂縫演化圖像。干燥初期試樣表面均開始出現裂縫，分別位于試樣的圓心以及邊緣，且試樣的裂縫細而少。隨著干燥時間的延續，試樣表面裂縫逐漸擴展、貫通，其寬度也逐漸增大。干燥后期，試樣表面沒有新的裂縫產生，且已產生的裂縫逐漸變窄，部分裂縫出現閉合的現象。

為定量分析試樣裂縫的發展規律，借助MATLAB軟件的圖像處理功能對裂縫圖像進行二值化處理，提取相關參數，引入裂縫長度、裂隙率與分形維數等指標來定量分析試樣裂縫特征。圖像處理過程如10圖所示。

試樣表面裂縫的特征參數，裂隙率與分形維數定義見表5。

不同水泥摻量下試樣收縮穩定后裂縫特征值及隨水泥摻量變化規律如表6，圖11所示。從表6可以看出，水泥摻量為1%、2%、3%的3個試樣表面裂縫的總長度、裂隙率以及分形維數均小于水泥摻量為0%的試樣。水泥與紅黏土的混合，使其發生了離子交換作用，形成水泥紅黏土的團粒結構，提高了紅黏土的強度，改善了紅黏土的水敏性，較好地抑制了紅黏土的收縮開裂[14-16]。

由圖11可知，試樣的裂縫總長度、裂隙率與分形維數隨水泥摻量變化呈橫向“S”形曲線。試樣的水泥摻量為1%，3%時裂縫總長度、裂隙率與分形維數相對較小，這是由于水泥摻量為1%，3%試樣的收縮潛勢與各向異性較小。而水泥摻量為2%的試樣最佳含水率大于1%，3%水泥摻量的試樣，收縮潛勢與各向異性較大，導致其裂縫總長度、裂隙率與分形維數出現變大的情況。總體而言，水泥改良紅黏土試樣的裂縫總長度、裂隙率及分形維數均小于未摻入水泥的試樣。

圖12，圖13為采用ZBL-F101裂縫寬度觀測儀測量試樣正面與側面的最大裂縫寬度隨干燥時間的變化規律。試樣在最大干密度與最佳含水率的條件下，正面與側面裂縫隨著干燥時間的延長呈先增大后減小最后趨于穩定的規律。水泥改良紅黏土試樣的正面裂縫寬度小于未摻入水泥的試樣，這與MATLAB圖像分析結果一致。

結合改良紅黏土收縮特性與裂縫的發展規律可知水泥摻量為1%，3%時對紅黏土收縮指標與裂縫特征參數的改良效果顯著。考慮到現場實際的成本效益，水泥摻量不宜過大，在工程設計過程中可摻入1%水泥改良紅黏土收縮。

4 結論

本文對比分析了內蒙古地區水泥改良紅黏土的擊實與收縮特征并結合MATLAB圖像處理軟件進一步闡釋了改良紅黏土裂縫形態的變化規律，得出以下結論。

1）隨著水泥摻量的變化，未顯著影響紅黏土的擊實曲線特征。以最佳含水率為界，干密度對含水率的敏感性基本未隨水泥摻量的改變而有明顯的變化。

2）試樣在最佳含水率與最大干密度的情況下，4個試樣的失水曲線具有相似的趨勢。最初試樣的水分蒸發迅速，隨著干燥時間的延長水分蒸發量逐漸減少，最終趨于穩定。4個試樣失水率的大小關系為[S2>S3>S0>S1]。

3）改良紅黏土試樣徑向線縮率、軸向線縮率及體積收縮率隨干燥時間變化關系可采用指數函數進行擬合，其方程為：[y=a×（1-bx）]式中x為干燥時間;a，b為常數。定量分析試樣的收縮特性，可知4個試樣的線性伸長系數COLE均小于0.03，土體具有低收縮勢能。試樣的幾何因子rs均小于3，表明土體收縮具有一定的各向異性，且以軸向收縮為主。

4）采用MATLAB圖像軟件對試樣表面裂縫的演變過程進行分析，試樣裂縫最早出現在邊緣隨后向中心延伸。定量分析試樣裂縫特征參數可知，水泥改良紅黏土裂縫的總長度、裂隙率以及分形維數均小于未摻水泥的試樣。水泥的摻入會在一定程度上抑制紅黏土收縮變形，其中水泥摻量為1%，3%時對紅黏土收縮指標與裂縫特征參數的改良效果顯著。考慮到工程成本控制，可摻入1%水泥改良紅黏土收縮。

參考文獻：

[1]? ? 康旺東，張可能. 紅粘土作為衛生填埋場粘土襯墊材料的滲透性試驗研究[J]. 廣東建材，2010，26（12）：20-22.

[2]? ? 曹勇，賀進來. 紅粘土人工防滲技術在環衛工程中的應用[J]. 鐵道建筑技術，2000（3）：28-30.

[3]? ? 葉瓊瑤，陶海燕. 高液限紅粘土的改良試驗研究[J]. 公路，2007，52（1）：148-151.

[4]? ? 李海鵬. 鐵路路基工程中紅粘土的處治方式分析[J]. 山西建筑，2016，42（12）：127-129.

[5]? ? HORPIBULSUK S，RACHAN R，CHINKULKIJNIWAT A，et al. Analysis of strength development in cement-stabilized silty clay from microstructural considerations[J]. Construction and Building Materials，2010，24（10）：2011-2021.

[6]? ? 劉之葵，邱曉娟，雷軼. 水泥改良桂林紅粘土的試驗研究[J]. 公路工程，2016，41（1）：6-9，19.

[7]? ? 王海湘，于冬升，張金團，等. 碎石改良高液限紅粘土擊實性能試驗研究[J]. 湖北文理學院學報，2016，37（5）：21-25.

[8]? ? 郭彪，李亞軍，王云，等. 機制砂及生石灰改良紅粘土試驗研究[J]. 公路交通科技（應用技術版），2016，12（9）：90-92.

[9]? ? 王云，張靜波，吳萬平，等. 云南蒙自地區改良紅粘土擊實與收縮特性分析[J]. 工程勘察，2016，44（8）：24-28.

[10]? TOLLENAAR R N，VAN PAASSEN L A，JOMMI C. Observations on the desiccation and cracking of clay layers[J]. Engineering Geology，2017，230：23-31.

[11]? 趙亞楠，黨進謙. 膨脹土的收縮與開裂特性試驗研究[J]. 西安理工大學學報，2014，30（4）：473-478.

[12]? GROSSMAN R B，BRASHER B R，FRANZMEIER D P，et al. Linear extensibility as calculated from natural-clod bulk density measurements[J]. Soil Science Society of America Journal，1968，32（4）：570-573.

[13]? BRONSWIJK J J B. Shrinkage geometry of a heavy clay soil at various stresses[J]. Soil Science Society of America Journal，1990，54（5）：1500-1502.

[14]? 岑勝. 膨脹土水泥改性評價指標試驗研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2013.

[15]? 趙春吉. 水泥改性強膨脹土的試驗及改性機理研究[D]. 大連：大連理工大學，2014.

[16]? 史衛國，阮高，陳風光，等. 水泥在改良黏性土路基中的應用研究[J]. 鐵道建筑，2012，52（2）：53-55.