氯化鈣作用紅黏土持水性能研究

劉 棟，賓 武，鐘勝才，張玉柱，江廷薈

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

紅黏土作為一類特殊的黏性土，在我國南方省區(qū)普遍分布。紅黏土工程性質(zhì)獨特[1-2]，具有高強度、低壓縮性、高含水率、高孔隙比、高液限、受干濕循環(huán)作用干縮開裂明顯的特點。許多工程實例和研究均表明[1，3]：由于紅黏土失水干縮開裂明顯的特點，以紅黏土作為基礎的路基邊坡等構筑物在降雨時雨水會沿著土體表面裂隙向縱深擴展并侵蝕土體，造成開裂發(fā)育更顯著，從而破壞土體結構，損傷土體強度，由此引起的工程事故愈發(fā)頻繁，給社會帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

針對紅黏土改良，學者們進行了大量的改良研究。牛庚等[4]研究了去鐵前后紅黏土的持水性能變化規(guī)律，得到在不同吸力范圍游離氧化鐵對紅黏土持水性能的作用機理。韋全宏[5]使用生物炭作用紅黏土，研究認為生物炭能明顯改變紅黏土的滲透性與持水能力，在高溫條件下能促進水分蒸發(fā)。曹豪榮等[6]使用石灰改良紅黏土，研究認為石灰紅黏土的抗剪強度略高于紅黏土，石灰紅黏土的收縮開裂程度低，強度和變形參數(shù)均明顯增加。陳永輝等[7]探討了土樣固化劑對紅黏土性能的影響。

以紅黏土為基礎的路基邊坡因其失水干縮開裂的特性，易因雨水滲流造成裂隙發(fā)育，增加路基邊坡失穩(wěn)的可能性，而提高紅黏土的持水能力可有效降低因其自身失水干縮開裂造成的路基邊坡失穩(wěn)風險。因此，本文采用氯化鈣作為紅黏土的外加劑，開展紅黏土持水性能方面的研究，探討氯化鈣用于紅黏土改良的效果。氯化鈣作為一種常用干燥劑[8]，吸濕性較強，具有十分優(yōu)秀的持水性能。利用干化試驗研究氯化鈣-紅黏土持水能力的變化規(guī)律，分析其作用機理，為氯化鈣改良紅黏土提供數(shù)據(jù)與理論參考。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試驗材料

本文試驗所用紅黏土為廣西地區(qū)典型紅黏土，土樣呈棕紅色，其物理性質(zhì)指標如表1所示。

試驗所用純氯化鈣基本參數(shù)如表2所示。氯化鈣作為常用的干燥劑[9]，具有吸濕能力強、價格低廉、易取得、毒性低、污染小等優(yōu)點。

注：試驗用水均為蒸餾水。

表1 紅黏土的物理性質(zhì)指標表

表2 氯化鈣(CaCl2)基本參數(shù)表

1.2 試樣制備及試驗方法

本次制備含水率為150%的紅黏土素土泥漿樣、添加5%土體質(zhì)量比例氯化鈣的紅黏土泥漿樣以及添加10%土體質(zhì)量比例氯化鈣的紅黏土泥漿樣各3個(直徑均為85 mm)，將試樣置于30 ℃恒溫箱中，定時使用高清攝像設備進行拍照并稱量試樣質(zhì)量。干化試驗溫度控制設備為高低溫交變濕熱試驗箱，溫度設定為恒定30 ℃。試樣參數(shù)如下頁表3所示。

表3 試樣參數(shù)表

1.3 含水率計算方法

使用高清攝像設備獲取土體試樣表面圖像，使用質(zhì)量稱量裝置獲取試樣質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)試樣質(zhì)量換算含水率。其計算方法如式(1)所示：

(1)

式中：W——含水率；

m0——土樣干質(zhì)量；

mi——稱量時土樣質(zhì)量。

2 氯化鈣-紅黏土的持水性能

2.1 紅黏土的干化試驗

為探討氯化鈣對紅黏土持水能力的影響，對紅黏土素土以及摻加比例分別為5%、10%的氯化鈣-紅黏土進行干化試驗。

干化試驗使用高低溫交變濕熱試驗箱，溫度設定為恒定30 ℃。紅黏土素土試樣與添加5%、10%土體質(zhì)量比例氯化鈣的氯化鈣-紅黏土試樣置于30 ℃恒溫箱中，定時使用高清攝像設備進行拍照并稱量試樣質(zhì)量。

圖1 干化試驗含水率曲線圖

氯化鈣的加入使紅黏土的持水性能提升。試樣在30 ℃環(huán)境中進行干化試驗，當試驗進行到51 h時，紅黏土素土試樣(1、2、3號試樣)首次出現(xiàn)裂隙；當試驗進行到53 h時，5%氯化鈣-紅黏土試樣(4、5、6號試樣)首次出現(xiàn)裂隙；當試驗進行到55 h時，10%氯化鈣-紅黏土試樣(7、8、9號試樣)首次出現(xiàn)裂隙。在51 h時，紅黏土素土試樣表面首次出現(xiàn)裂隙，其含水率較氯化鈣-紅黏土試樣產(chǎn)生大幅度下降；當干化試驗結束時，紅黏土素土試樣含水率均值為6.06%，5%氯化鈣-紅黏土試樣含水率均值為13.50%，10%氯化鈣-紅黏土試樣含水率均值為20.36%，分別較紅黏土素土試樣含水率提高7.44%、14.30%。由于1、2、3號試樣、4、5、6號試樣以及7、8、9號試樣分別為相同配合比試樣，故相同配合比試樣之間含水率變化差異十分接近，其含水率曲線中大部分重合，為方便比較，取均值。

詳細數(shù)據(jù)如表4所示，干化試驗含水率曲線如圖1所示。

表4 干化試驗數(shù)據(jù)表

2.2 機理分析

氯化鈣性質(zhì)非常穩(wěn)定，有很好的吸濕性能，能吸收潮濕空氣中的水分，無水氯化鈣吸濕量能達到80%[10-11]，要在260 ℃以上溫度才能完全把水脫除[12]。其在水中與潮濕空氣中發(fā)生的反應為：

CaCl2+nH2O=CaCl2·nH2O(n=1，2，4，6)

(2)

無水氯化鈣與水反應形成含多結晶水的水合物(結晶水個數(shù)為1、2、4、6個)，其存在的溫度范圍分別為：CaCl2·6H2O，<29 ℃；CaCl2·4H2O，29 ℃～45 ℃；CaCl2·2H2O，45 ℃～175 ℃；CaCl2·H2O，>200 ℃。在30 ℃環(huán)境中，無水氯化鈣與水反應產(chǎn)物主要為CaCl2·6H2O。在此次試驗中，當紅黏土中加入氯化鈣時，氯化鈣以結晶水合物(主要為CaCl2·6H2O)的形式存在于紅黏土試樣中。CaCl2·6H2O是一種無機水合鹽類固液相變材料，具有大于水的潛熱與比熱容，當相同溫度環(huán)境時(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸發(fā)速率要小于純水。

紅黏土失水收縮產(chǎn)生的開裂破壞比一般黏土明顯，破壞性更大，其土顆粒之間的氣-液界面張力(表面張力)變化導致紅黏土收縮開裂。由于水分的蒸發(fā)，土體從飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，導致土顆粒之間產(chǎn)生水-氣-粒三界面，出現(xiàn)基質(zhì)吸力。當土顆粒之間的張拉應力大于土顆粒之間的抗拉強度時，土體開始出現(xiàn)裂隙。裂隙的發(fā)育為水分的遷移提供了絕佳的路徑，使得水分大量地從裂隙遷移。而當紅黏土中添加氯化鈣時，因氯化鈣溶液大于純水的比熱容及氯化鈣自身的吸水能力作用，使得氯化鈣-紅黏土的水分蒸發(fā)速率低于紅黏土素土。此外，水分蒸發(fā)速率降低提高了相同時間內(nèi)紅黏土土體的含水率，使得土體裂隙的產(chǎn)生時間延長與減慢裂隙產(chǎn)生的速度，進而提高了氯化鈣-紅黏土的持水能力。故添加了氯化鈣的紅黏土試樣持水性能要強于紅黏土素土試樣，氯化鈣-紅黏土試樣在相同試驗時間內(nèi)的含水率要高于紅黏土素土試樣。

3 結語

(1)在30 ℃環(huán)境中，5%、10%氯化鈣-紅黏土試樣持水性能要強于紅黏土素土試樣。CaCl2·6H2O溶液具有大于水的潛熱與比熱容，當相同溫度環(huán)境時(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸發(fā)速率要小于純水，使得氯化鈣-紅黏土水分散失慢于紅黏土素土。氯化鈣的添加提高了紅黏土的持水能力。

(2)紅黏土中添加氯化鈣可延長裂隙出現(xiàn)的時間以及減慢裂隙產(chǎn)生的速度，并與CaCl2·6H2O溶液相對紅黏土較高的比熱容特性相互作用，進一步提高紅黏土持水能力。

(3)在30 ℃溫度條件下，氯化鈣的加入提高了相同時間內(nèi)的紅黏土含水率，延長了土體裂隙出現(xiàn)的時間。因此氯化鈣作為紅黏土改良劑有提高其持水性能、應用于路基邊坡防治的可能，但仍需進行進一步的研究探討。