化學(xué)改良紅黏土作用模型研究

喬建剛，王敏

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401)

紅黏土的膨脹性容易使土體產(chǎn)生病害，化學(xué)改良紅黏土技術(shù)因其效果和經(jīng)濟(jì)性顯著而受到廣泛關(guān)注[1]。石灰被廣泛應(yīng)用于紅黏土改良[2]；經(jīng)石灰改良后土的工程性質(zhì)發(fā)生改變，其摻入率與紅黏土的強(qiáng)度成正比[3-5]；在膨脹土中摻入水泥可以增加土體強(qiáng)度、減少收縮應(yīng)變和自由膨脹，并且效果顯著[6-8]；常用的ESR生態(tài)改性劑在適宜深度范圍內(nèi)能提高紅黏土強(qiáng)度[9-10]；堿液能夠改變土體應(yīng)力，在溫度及加固方式等條件不同的情況下改良效果不同[11-12]。目前的研究主要針對(duì)單一改良劑的作用效果，對(duì)混合改良劑共同作用的研究較少。因此，對(duì)混合化學(xué)改良劑改良紅黏土的作用模型展開(kāi)研究非常必要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

生石灰(CaO，白色粉末，溶于水，純度大于98%)；聚乙烯醇([C2H4O]n，白色粉末，溶于水，無(wú)毒無(wú)味、無(wú)污染，規(guī)格088-05，醇解度88%)；營(yíng)養(yǎng)液(含植物所需營(yíng)養(yǎng)成分、提高土壤肥力和透氣性)。

WX-2000自由膨脹率測(cè)定儀;ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀;GYS-3數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀。

1.2 改良劑制備

1.2.1 單一改良劑制備 在燒杯中加30 g水，放入相應(yīng)質(zhì)量石灰或聚乙烯醇，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%的石灰溶液和1.2%，1.3%，1.4%，1.5%，1.6%，1.7%，1.8%，1.9%，2.0%的聚乙烯醇溶液。用玻璃棒攪拌，使溶液充分溶解。

1.2.2 混合改良劑制備 燒杯中加30 g水，放入按質(zhì)量比混合后的石灰與聚乙烯醇，按需求配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石灰與聚乙烯醇混合溶液。

1.2.3 改良劑處理 將配制的改良劑每一份中都加入一定量的營(yíng)養(yǎng)液，根據(jù)《公路工程土工合成材料 土工網(wǎng) 通用技術(shù)條件》的規(guī)定，營(yíng)養(yǎng)液質(zhì)量為水質(zhì)量的1.3%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

以改良劑摻入量為土質(zhì)量的0.6%為基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.1 制備改良土樣階段 ①將風(fēng)干后的紅黏土用木錘碾碎，過(guò)0.5 mm篩后放入盛土容器，用噴水壺噴灑一定質(zhì)量的水，保證土樣達(dá)到25%的含水率；②按干土質(zhì)量的0.6%分別摻入指定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單一改良劑和混合改良劑，用調(diào)土刀調(diào)勻后常溫密封保存24 h。

1.3.2 自由膨脹率測(cè)定階段 依據(jù)GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 紅黏土基本性質(zhì)測(cè)定階段 粘聚力、內(nèi)摩擦角的測(cè)定使用應(yīng)變控制式直剪儀；液塑限、塑性指數(shù)的測(cè)定使用數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得聚乙烯醇和石灰兩種化學(xué)改良劑分別添加及混合添加時(shí)紅黏土的自由膨脹率，分析得到改良劑的最佳配比，并對(duì)比分析改良前后紅黏土基本性質(zhì)。

2.1 石灰添加量對(duì)紅黏土自由膨脹率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得紅黏土自由膨脹率和石灰添加量關(guān)系的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到圖1的變化關(guān)系。紅黏土自由膨脹率隨石灰添加量的增加呈先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)，石灰添加量達(dá)到4%以后自由膨脹率降低到40%以下，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中非膨脹土的規(guī)定。與未改良土相比自由膨脹率降低33.9%。

使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)回歸分析，通過(guò)對(duì)比擬合優(yōu)度，確定自由膨脹率與石灰添加量的關(guān)系模型，得到下式：

(1)

式中y——與石灰添加量相關(guān)的紅黏土自由膨脹率，%；

x——石灰添加量，%。

式(1)通過(guò)F檢驗(yàn)，該模型顯著相關(guān)。

由上述模型可得，石灰添加量為4%時(shí)，紅黏土自由膨脹率降低至非膨脹土標(biāo)準(zhǔn)，隨著石灰添加量逐漸增加，紅黏土自由膨脹率穩(wěn)定至非膨脹水平。

圖1 石灰添加量與紅黏土自由膨脹率關(guān)系Fig.1 The relationship between the amount of lime added and the free expansion rate of red clay

2.2 聚乙烯醇添加量對(duì)紅黏土自由膨脹率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得紅黏土自由膨脹率和聚乙烯醇添加量關(guān)系的數(shù)據(jù)，得到圖2的變化關(guān)系。紅黏土自由膨脹率隨聚乙烯醇添加量的增加同樣呈先降低后穩(wěn)定的趨勢(shì)，聚乙烯醇添加量達(dá)到1.6%以后自由膨脹率降低到42%以下，但是未達(dá)到非膨脹土40%以下自由膨脹率的要求，與未改良土相比自由膨脹率降低28.8%。

圖2 聚乙烯醇添加量與紅黏土自由膨脹率關(guān)系Fig.2 The relationship between the amount of polyvinyl alcohol added and the free expansion rate of red clay

使用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)回歸分析，通過(guò)對(duì)比擬合優(yōu)度，確定自由膨脹率與聚乙烯醇添加量的關(guān)系模型，得到下式：

(2)

式中y——與聚乙烯醇添加量相關(guān)的紅黏土自由膨脹率,%；

x——聚乙烯醇添加量,%。

式(2)通過(guò)F檢驗(yàn)，該模型顯著相關(guān)。

由上述模型可得，聚乙烯醇添加量>1.6%時(shí)，紅黏土自由膨脹率<42%，但是未降低到非膨脹土標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 混合改良劑對(duì)紅黏土自由膨脹率的影響

2.3.1 化學(xué)改良劑綜合作用模型的建立

2.3.1.1 偏相關(guān)分析 由上述分析可知，紅黏土自由膨脹率與石灰、聚乙烯醇都有不同程度的關(guān)系。石灰添加量>4%、聚乙烯醇添加量>1.6%時(shí)，能達(dá)到較好的降低紅黏土自由膨脹率的效果。因此，選擇石灰的添加量在4%～8%、聚乙烯醇添加量在1.6%～1.9%，對(duì)自由膨脹率、石灰和聚乙烯醇進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

表1 樣本統(tǒng)計(jì)表Table 1 Sample statistics table

表2 數(shù)據(jù)零階相關(guān)矩陣Table 2 Data zero-order correlation matrix

表3 自由膨脹率與聚乙烯醇的偏相關(guān) 矩陣(控制變量石灰)Table 3 Partial correlation matrix between free expansion rate and polyvinyl alcohol(control variable lime)

表4 自由膨脹率與石灰的偏相關(guān)矩陣 (控制變量聚乙烯醇)Table 4 Partial correlation matrix between free expansion rate and lime(control variable polyvinyl alcohol)

對(duì)偏相關(guān)矩陣分析可知，自由膨脹率與聚乙烯醇間偏相關(guān)系數(shù)為0的概率為0.001，即可以認(rèn)為二者相關(guān)；自由膨脹率與石灰間偏相關(guān)系數(shù)為0的概率為0.000，也可以認(rèn)為二者相關(guān)。由此可以確定石灰和聚乙烯醇都是影響紅黏土自由膨脹率的因素。石灰與自由膨脹率相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值為0.739，大于聚乙烯醇與自由膨脹率的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值0.518，可以確定石灰為主要影響因素。

2.3.1.2 模型建立 為了得到石灰和聚乙烯醇綜合作用下的紅黏土自由膨脹率變化模型，將單因素模型降維分析，先確定綜合作用下的紅黏土自由膨脹率與單因素模型中得到的自由膨脹率的關(guān)系模型，建立二元一次回歸模型：

Z=AX+BY

(3)

式中 A、B——回歸系數(shù)；

Z——石灰和聚乙烯醇綜合作用下的紅黏土自由膨脹率,%；

X——石灰不同添加量對(duì)應(yīng)的自由膨脹率,%;

Y——聚乙烯醇不同添加量對(duì)應(yīng)的自由膨脹率,%。

根據(jù)回歸結(jié)果，確定模型參數(shù)見(jiàn)表5，得到綜合作用下自由膨脹率與單因素模型中得到的自由膨脹率的關(guān)系模型為：

Z=0.433X+0.465Y

(4)

將單因素模型代入公式，得到石灰和聚乙烯醇綜合作用下的紅黏土自由膨脹率變化模型：

R2=0.996

(5)

式中x1——石灰不同添加量對(duì)應(yīng)的自由膨脹率,%；

x2——聚乙烯醇不同添加量對(duì)應(yīng)的自由膨脹率,%。

上式通過(guò)F檢驗(yàn)，該模型顯著相關(guān)。

由上述模型可得，化學(xué)改良劑的最佳配比為石灰∶聚乙烯醇∶營(yíng)養(yǎng)液=4%∶1.6%∶1.3%，改良后的紅黏土自由膨脹率為37%。

表5 回歸模型參數(shù)Table 5 Regression model parameters

2.3.2 模型的驗(yàn)證 利用實(shí)測(cè)自由膨脹率和模型計(jì)算得到的石灰和聚乙烯醇綜合作用下的自由膨脹率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

其中誤差ω計(jì)算如下式：

(6)

式中N1——實(shí)測(cè)自由膨脹率，%；

N——石灰和聚乙烯醇綜合作用下的自由膨脹率,%。

表6 數(shù)據(jù)驗(yàn)證表Table 6 Data verification form

把實(shí)測(cè)自由膨脹率和模型計(jì)算得到的石灰和聚乙烯醇綜合作用下的自由膨脹率在區(qū)域上進(jìn)行圖像對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)測(cè)自由膨脹率與計(jì)算自由膨脹率對(duì)比Fig.3 Comparison of measured free expansion rate and calculated free expansion rate

通過(guò)分析得到模型平均誤差為2.03%，可以認(rèn)為計(jì)算精度較好，能夠反應(yīng)自由膨脹率隨改良劑添加量改變時(shí)的變化。

2.4 改良劑干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)紅黏土自由膨脹率作 用效果模型

為探究化學(xué)改良劑干濕循環(huán)次數(shù)與紅黏土自由膨脹率的關(guān)系，采用最佳配比改良劑對(duì)紅黏土進(jìn)行4次改良實(shí)驗(yàn)。

2.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟 ①在土料中加入相應(yīng)質(zhì)量的水，使其達(dá)到25%的含水率，常溫下密封悶料24 h；②將悶好的土填入尺寸為24 cm×15 cm×4 cm的木盒中并達(dá)到90%壓實(shí)度；③按照間距2.67 cm，直徑0.33 cm，孔深2.67 cm鉆孔。每孔注入改良劑0.08 g，第1次改良后隔48 h進(jìn)行第2次改良，同理，共改良4次，每次改良后測(cè)自由膨脹率。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型建立 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得紅黏土自由膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)，得到見(jiàn)圖4的變化關(guān)系。

由圖4可知，改良1次紅黏土自由膨脹率平均值為37.00%，改良2次自由膨脹率平均值為36.67%，改良3次與改良4次自由膨脹率平均值都為36.33%。紅黏土自由膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈先降低后穩(wěn)定趨勢(shì)，改良3次后基本可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，干濕循環(huán)次數(shù)的增加可以進(jìn)一步降低紅黏土自由膨脹率，增加邊坡穩(wěn)定性。

圖4 改良劑干濕循環(huán)次數(shù)與自由膨脹率關(guān)系Fig.4 The relationship between the number of dry and wet cycles of the amendments and the free expansion rate

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到自由膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系模型：

(7)

式中y——紅黏土自由膨脹率，%；

x——干濕循環(huán)次數(shù)。

上式通過(guò)F檢驗(yàn)，該模型顯著相關(guān)。

由上述分析可以得出，干濕循環(huán)3次后，紅黏土自由膨脹率穩(wěn)定到最低值36.33%，從而確定紅黏土化學(xué)改良次數(shù)為3次。

2.5 化學(xué)改良前后紅黏土基本性質(zhì)對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定化學(xué)改良后紅黏土的基本性質(zhì)，并與改良前的性質(zhì)對(duì)比，見(jiàn)表7。

表7 改良前后紅黏土基本性質(zhì)Table 7 Basic properties of red clay before and after improvement

由表7可知，改良后紅黏土塑性指數(shù)降低，抗剪強(qiáng)度增大，由改良前的弱膨脹土變?yōu)榉桥蛎浲粒牧夹Ч^好。

3 結(jié)論

本文采用單一化學(xué)改良劑及混合化學(xué)改良劑對(duì)紅黏土進(jìn)行改良，得到結(jié)論如下：

(1)石灰添加量為4%、聚乙烯醇添加量為1.6%時(shí)，紅黏土自由膨脹率分別降低至40%,42%；建立石灰和聚乙烯醇綜合作用下的紅黏土自由膨脹率變化模型得到石灰∶聚乙烯醇=4%∶1.6%時(shí)紅黏土自由膨脹率穩(wěn)定至37%。

(2)化學(xué)改良劑干濕循環(huán)3次后，紅黏土自由膨脹率穩(wěn)定到最低值36.33%，得到紅黏土化學(xué)改良次數(shù)為3次。

(3)經(jīng)改良后紅黏土塑性指數(shù)降低，抗剪強(qiáng)度增大，由改良前的弱膨脹土變?yōu)榉桥蛎浲粒牧夹Ч^好。研究成果對(duì)降低紅黏土膨脹性、提升土體力學(xué)性能提供理論依據(jù)，為多種化學(xué)改良劑共同作用的研究奠定基礎(chǔ)。