改良紅黏土復(fù)合材料的路用性能試驗研究

楊興之

（貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

紅黏土是碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶環(huán)境條件下的風(fēng)化產(chǎn)物，也稱為碳酸鹽紅色風(fēng)化殼或碳酸鹽巖紅土，呈棕紅、褐黃色的特殊土體，具有的高塑性、高液限、高孔隙比、明顯脹縮不可逆性等特性[1]。在貴州多雨的氣候環(huán)境下，紅黏土的親水性，脹、縮性等，暴露出水穩(wěn)性差、反射裂縫大的破壞性工程特點，其強度等材料力學(xué)性能無法滿足建筑材料的要求。因此，為滿足實際工程生產(chǎn)的需要，國內(nèi)外學(xué)者對紅黏土進(jìn)行了改良。文江泉等[2]、劉寶臣等[3]、李曉全等[4]研究了水泥加固紅黏土的無側(cè)限抗壓強度及增長機理，給出了不同摻量、不同齡期水泥土之間的強度推算公式，研究了其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形成機理。吳瑞潛等[5]通過對土體中加入水泥和粉煤灰或其他混合料，基于各類室內(nèi)試驗，研究了粉煤灰對土體強度及含水量的影響，探討了水泥和粉煤灰加固紅黏土的機理。上述研究成果為紅黏土的改良奠定了良好的基礎(chǔ)，但研究內(nèi)容還不夠全面，存在一定局限，仍有許多改良紅黏土的路用力學(xué)性能問題需進(jìn)一步深入研究。

本文以粒化礦渣、粉煤灰、硅酸鹽水泥、硅灰等多粒徑摻合料為固化劑對天然紅黏土進(jìn)行改良，研究改良紅黏土復(fù)合材料的路用特性。試驗采用5 組不同固化劑摻量（質(zhì)量百分比分別為0%、3%、5%、9%、13%）的紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行試驗，包括對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗、直接剪切試驗、擊實試驗、回彈試驗、CBR 試驗、抗沖刷試驗，分析不同摻量下的紅黏土復(fù)合材料最大干密度、最優(yōu)含水量、變形參數(shù)、強度參數(shù)、抗沖刷能力等指標(biāo)的變化規(guī)律，為改良紅黏土復(fù)合材料作為道路路面材料工程設(shè)計與施工實踐提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 原狀紅黏土基本物理性質(zhì)

試驗土樣為貴陽市的殘積紅黏土，其母巖為白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖，原狀紅黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)為：含水量59.5%，容重16.9kN/m3，比重2.75，孔隙比1.60，飽和度102.3%，液限89.0%，塑限52.0%，塑性指數(shù)37.0，液性指數(shù)0.2。

由此可看出，原狀紅黏土具有黏粒多、含水率高、飽和度高、液限高等對工程穩(wěn)定不利的特點，必須對其進(jìn)行改良處理才能作為道路材料。

2 改良紅黏土復(fù)合材料組成

路用改良紅黏土復(fù)合材料主要由基材和固化劑按一定配比拌制而成。基材主要為就地取材的紅黏土，固化劑由摻合料（粒化礦渣、粉煤灰、硅酸鹽水泥、硅灰）、膨脹劑、堿性激發(fā)劑、聚合物按一定質(zhì)量配比組成，各單元材料通過正交試驗獲得紅黏土固化劑最優(yōu)配合比。

3 紅黏土復(fù)合材料路用性能改良試驗

3.1 無側(cè)限抗壓強度

對5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在不同齡期（7d、28d、60d）條件下進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗數(shù)據(jù)及變化規(guī)律見圖1、圖2。

圖1 不同固化劑摻量下的無側(cè)限抗壓強度

圖2 不同固化劑摻量下的壓縮變形量

由圖1 可見，隨固化劑摻量的增加，在摻入劑量為3%、5%時的無側(cè)限抗壓強度稍有下降，隨后迅速增加，未摻入固化劑的自然紅黏土強度隨養(yǎng)護(hù)時間的增加，無側(cè)限抗壓強度幾乎保持不變。就摻入9%固化劑的復(fù)合材料來說，在養(yǎng)護(hù)7d 時，其無側(cè)限抗壓強度達(dá)為2.1MPa，相比較未摻入固化劑的試樣增加了37.7%；養(yǎng)護(hù)28d 后固化土的無側(cè)限抗壓強度增長到2.28MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到60d 其無側(cè)限抗壓強度約為未摻入固化劑試樣的1.6 倍。整體而言，在固化劑摻量達(dá)到一定程度時，紅黏土復(fù)合材料的無側(cè)限抗壓強度隨固化劑摻量的增加以及養(yǎng)護(hù)齡期的增長而不斷提高。

在無側(cè)限抗壓強度試驗中，不同固化劑摻量、不同齡期的改良紅黏土復(fù)合材料試樣在軸向的變形見圖2。可以看出，齡期28d 后，試樣水穩(wěn)性能增加較迅速但未達(dá)到完全穩(wěn)定，說明固化劑與土的膠結(jié)作用仍在進(jìn)行。對于同一齡期的試樣，隨固化劑摻量的增加，變形減少先快后慢，說明固化劑用量可以限制在某一范圍。從原理上來講，固化劑使試樣的剛性迅速增加，從而使應(yīng)力能迅速傳遞，抵抗變形的能力增強。

3.2 抗剪強度

對5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在7d 齡期條件下進(jìn)行直接剪切試驗，抗剪強度指標(biāo)值見表1。

表1 不同固化劑摻量下的抗剪強度指標(biāo)

由表1 可見，固化劑摻量較低時（3%、5%），試樣的內(nèi)摩擦角與未摻入固化劑的土樣相比有小幅度提高，黏聚力有所降低，其抗剪強度也略有降低，但在固化劑相同摻量時，抗剪強度仍隨著正應(yīng)力的提高而增加。當(dāng)固化劑摻量達(dá)到9%、13%時，試樣的內(nèi)摩擦角降低，黏聚力大幅度提升，抗剪強度與未摻入固化劑試樣相比增加了14%～26%。

研究認(rèn)為，在固化劑摻量較低時，固化劑顆粒還不足以與混合的紅黏土顆粒并存，而它們之間的黏結(jié)力低于紅黏土顆粒之間的黏結(jié)力，故造成其黏聚力下降。在固化劑摻量較高時（9%、13%），由于固化劑的膠凝作用，使整個試樣黏聚力增加，顆粒間的咬合摩擦減小。

3.3 壓實特性

考慮到紅黏土與固化劑的充分混合反應(yīng)，對5 組改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行重型擊實試驗，擊實試驗數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 不同固化劑摻量下的擊實試驗曲線

從圖3 上可以看出：改良紅黏土復(fù)合材料的最大干密度隨固化劑摻量的增加而減小，并向含水量降低方向移動，即最優(yōu)含水量逐漸減小，其最大干密度也有所降低。這是由于固化劑顆粒比重較紅黏土顆粒比重輕的緣故。

隨著固化劑摻量的增加，最大干密度降低了0.2%～2%，最優(yōu)含水量降低了1.8%～18.3%，固化劑摻量對最優(yōu)含水量的影響大于對最大干密度的影響。隨著固化劑摻量的增加，擊實曲線逐漸平緩，表明密度隨含水量增大逐漸減小，即土的控制含水量范圍增大，此特點對于含水量變化較大的紅黏土來說有重要意義。

3.4 回彈特性

對5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在7d 齡期條件下進(jìn)行承載板試驗，得到荷載回彈變形關(guān)系，進(jìn)而獲得材料回彈模量。試驗采用重復(fù)加載法，逐級加載卸載進(jìn)行。回彈模量統(tǒng)計值及變化情況見表2。

由表2 可見，回彈模量隨固化劑摻量增加而迅速增大，基本呈線性關(guān)系增長。說明摻入適量的固化劑可以迅速調(diào)整改良紅黏土復(fù)合材料由不可恢復(fù)的塑性變形到可恢復(fù)的彈性變形的轉(zhuǎn)變，有利于紅黏土基材工程特性的發(fā)揮。

表2 回彈模量與固化劑摻量的關(guān)系

3.5 CBR 試驗

加州承載比是美國California 州提出的一種評定材料承載能力的試驗方法。CBR 加州承載比是評定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)。

對5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行CBR 試驗測定，得到不同固化劑摻量下對應(yīng)的CBR 值，數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 改良紅黏土復(fù)合材料CBR 試驗結(jié)果

圖4 為改良紅黏土復(fù)合材料在不同固化劑摻量下的CBR 試驗結(jié)果，隨著固化劑量的增加，CBR 值的增加速率比較快（斜率越來越大），表明紅黏土作為路面材料改良效果較好。這就說明了紅黏土中固化劑含量的增加對紅黏土的承載能力有突出的改良作用，固化劑的加入使得紅黏土的承載能力越來越強。

3.6 抗沖刷能力

對5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行抗沖刷試驗，抗沖刷性能試驗結(jié)果見圖5。

圖5 改良紅黏土復(fù)合材料抗沖刷性能試驗結(jié)果

改良紅黏土復(fù)合材料表面的沖刷總量與混合料中細(xì)粒部分的含量和細(xì)度有很大關(guān)系。實際上在沖刷作用中被沖掉的正是粒徑較小的細(xì)顆粒，而且混合料中細(xì)顆粒的含量越多、粒徑越小，復(fù)合材料的沖刷現(xiàn)象越明顯，對結(jié)構(gòu)的破壞越大。改良紅黏土穩(wěn)定粒料的結(jié)構(gòu)中固化劑與細(xì)顆粒所形成的結(jié)合物填充在粗顆粒之間并將粗顆粒黏結(jié)在一起，構(gòu)成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到的沖刷作用到一定程度時，這些較大的粗顆粒又保護(hù)細(xì)顆粒免受過度的沖刷，使得沖刷作用減緩。

根據(jù)圖5 抗沖刷性能試驗結(jié)果，可以看出：影響改良紅黏土復(fù)合材料抗沖刷性能的材料組成因素主要是固化劑摻量，隨著固化劑摻量增加，復(fù)合材料抗沖刷能力迅速增強；從機理上看，抗沖刷性能主要取決于其中固化顆粒骨架網(wǎng)在空間的分布密度，網(wǎng)的密度增加，抗沖刷性能增強，并與抗壓強度相關(guān)性大。

4 結(jié)語

通過對改良紅黏土復(fù)合材料進(jìn)行各項路用特性試驗并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

（1）改良紅黏土復(fù)合材料的無側(cè)限抗壓強度、抗剪強度隨固化劑摻量的增加先減小后增大，當(dāng)含量高于5%時，其強度開始增長，說明固化劑摻量高于5%時有利于提高試樣強度。

（2）改良紅黏土復(fù)合材料的最大干密度隨固化劑摻量的增加而逐漸減小，壓實性能逐漸增強。

（3）隨著固化劑摻量的增大，改良紅黏土復(fù)合材料的回彈模量、CBR、抗沖刷能力迅速增大，實現(xiàn)了由塑性材料向彈性材料路用工程特性的轉(zhuǎn)變。

（4）路用改良紅黏土復(fù)合材料技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會環(huán)境效益，為改良紅黏土作為道路路面材料提供了工程設(shè)計與施工的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。