路用改良紅黏土的水理性質研究

楊興之

（貴州省建筑設計研究院有限責任公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

紅黏土是由碳酸鹽巖在氣候溫暖潮濕，降雨充沛的環境下經物理和化學風化、紅土化及殘積作用形成的呈棕紅、褐黃色的特殊土體，具有高液限、高塑性、高孔隙比、高強度、低壓縮性和明顯脹縮不可逆性及“反剖面”特征，一般認為是一種較好的天然地基或良好的建筑材料[1-2]。但是它又具有較突出的地球化學敏感性和生態環境脆弱性。貴州的道路工程技術人員試圖利用紅黏土的優點作為路基建筑材料，但經工程實踐證明，在貴州多雨的氣候環境下，紅黏土的親水性、脹縮性、淋濾作用強暴露出其水穩性差、易產生裂縫的破壞性工程特點，危及建筑物的安全使用，因此需要采取科學的技術對其進行改良處理。

本文以多種摻合料、膨脹劑、堿性激發劑和水溶聚合物等組成的復合材料作為固化劑對自然紅黏土進行改良，針對5 組不同固化劑摻入量（0%、3%、5%、9%、13%）的路用改良紅黏土土樣，對其進行含水率試驗、擊實試驗、稠度試驗、脹縮性試驗和水穩定測試，分析不同固化劑摻入量下的路用改良紅黏土土樣含水率、最大干密度、最優含水量、液塑限、脹縮指標及水穩系數的變化規律，為貴州紅黏土相關道路工程實踐提供理論依據。

1 路用改良紅黏土改良原理

路用紅黏土改良復合材料主要由基材和固化劑組成。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、堿性激發劑、聚合物按一定質量配比組成，各單元材料通過正交試驗獲得紅黏土固化劑最優配合比。

1.1 摻和料膠凝反應

粒化礦渣是鋼鐵工業生產過程中產生的廢渣。其化學成份主要是CaO、SiO2、Al2O3和MgO、Fe2O3等氧化物以及一些硫化物，與水泥具有相似的性質，其水化產物中的CSH（水化硅酸鈣）和CAH（水化鋁酸鈣）是使松散土顆粒膠結起來的主要成分，使土體形成更為堅固的整體，從而提高土體強度[3-4]。

粉煤灰對水泥土的固化作用在早期以粉煤灰的形態效應和微集料效應為主，后期則是火山灰效應起主要作用[5]。粉煤灰本身不具備膠凝性能，但當其處在常溫有水存在時，能與硅酸鹽水泥堿性材料水化后的產物Ca（OH）2發生化學反應，生成具有膠凝性能的CSH。

摻合料的顆粒形態、細度和分布對其水化程度及硬化后的性能有較大的影響。由于礦粉顆粒不規則且表面粗糙，礦粉、硅粉與粉煤灰的復合起到一定的增塑減水作用，有益于改良紅黏土密實結構的形成。因此，多元膠凝材料的復合，在形態上起到互補的作用，從微觀結構改善復合材料宏觀性能。

1.2 膨脹劑

紅黏土穩定固化中膨脹劑的主要作用在兩個方面，一是緩凝作用，另一個方面是隨著體積的膨脹，起著補償收縮和充分填充紅黏土顆粒間隙的作用。

1.3 堿性激發劑

粒化礦渣和粉煤灰主要是以玻璃體的形式存在，玻璃體結構比較穩定，表面相當致密，活性不高，水化作用生成的Ca（OH）2很難對玻璃體表面進行溶解。采用堿性激發劑可以改善粉煤灰的和易性，破壞粉煤灰玻璃球的硅氧鍵和鋁氧鍵，提高粉煤灰的活性，促進粉煤灰與水泥的水化反應速度，使整個化學反應向有利的方向進行。

1.4 聚合物

本次研究所使用的聚合物為水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力。在紅黏土的穩定固化中主要作用如下：①吸附架橋：高分子聚合物分子鏈固定在不同的顆粒表面上，各顆粒之間形成聚合物的橋，使顆粒凝聚成聚集體。②表面吸附：微觀分子上的極性基團顆粒的各種吸附。③增強作用：分子鏈與分散相通過種種機械、物理、化學等作用，將分散相牽連在一起，形成網狀，起到增強作用。

2 路用改良紅黏土水理性質試驗

2.1 含水量

試驗土樣為貴陽市花果園的殘積紅黏土，其母巖為白云質灰巖及白云巖，該地區殘積紅黏土液限高、黏性好、較難于穩定，必須在改良后才能實施工程建設。對固化劑摻入量為紅黏土質量的0%、3%、5%、9%、13%的路用改良紅黏土進行室內試驗。

土體的含水量變化是解決路用改良紅黏土穩定、固化的先決條件，將參入0%、3%、5%、9%、13%固化劑的試樣分別在60℃（烘干）與110℃（烘干）的條件下養護7d、28d、60d，測其含水量，得到加固后紅黏土隨溫度、時間變化的含水量變化特征。

由圖1、圖2 可見，不摻入固化劑時，紅黏土的含水量與溫度、時間的變化無關。當摻入固化劑后，其含水量在不同溫度下有所改變。烘干溫度60℃比烘干溫度110℃時的含水量小，說明鈣釩石發生生成效應。堿性激發劑與粉煤灰中的活性二氧化硅和活性氧化鋁之間發生反應，這些反應產物具有良好的水穩性和抗凍性，而生成產物中的水化鋁酸鈣并不是最后的生成物，將繼續與磷石膏中的主要成分二水硫酸鈣進一步反應，當溫度大于60℃時，生成三硫型水化鋁酸鈣（簡稱鈣礬石），結晶水轉變為自由水。在時間進程中，含水量不斷增加，說明化學反應不斷進行，自由水向結構水轉變。

圖1 60℃時含水量隨時間的變化

圖2 110℃時含水量隨時間的變化

2.2 最優含水率

考慮到紅黏土與固化劑的充分混合反應，采用重型擊實儀進行試驗，從擊實曲線（圖3）上可以看出，路用改良紅黏土的最大干密度隨固化劑的增加向含水量降低的方向移動，即最優含水量逐漸減小，其最大干密度也有所降低。隨著固化劑摻入量的增加，最大干密度降低了0.2%~2%，最優含水量降低了1.8%~18.3%，固化劑摻入量對最優含水量的影響大于對最大干密度的影響。擊實曲線逐漸平緩，說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。

圖3 不同固化劑摻量下的擊實試驗

2.3 稠度狀態

對固化劑不同摻入量的土樣養護0h、24h、72h 后，測定其液、塑限，并記錄試驗結果，如圖4 所示。

圖4 不同固化劑摻量下液、塑限的變化

圖4 給出的是路用改良紅黏土液、塑限與固化劑摻入量之間的關系，從試驗中可以看出：摻入固化劑摻入量3%時，試樣塑性指數有些許下降；當含量高于5%時，塑性指數隨固化劑摻入量增加而減少，使紅黏土在塑、液含水量增大的情況下，其塑性變形區間變窄，反映穩定固化后的良好工程特性；塑性指數略有減小，但仍保持在30 以上，說明紅黏土的可塑性與紅黏土的可塑性大體相同，改良后的紅黏土黏性顆粒在工程狀態、物理特征方面依然表現出有良好的黏連性，使紅黏土作為膠凝材料的理想得以實現。不像以往黏土穩定需將塑性指數降到17 以下，徹底改變土體中黏粒的工作狀況，使土體不再具備黏性，無法成為膠凝材料。試驗表明改良的過程不是簡單的改變紅黏土的物理化學性質，而是保留了紅黏土的優良品質，使紅黏土的高塑性得到了改善，遏制了紅黏土水穩定性差的工程特性。

2.4 脹縮性

紅黏土的脹縮性主要與成因、礦物成分、孔隙比、顆粒連結以及天然含水量等因素有關，它具有特殊的低膨脹、高收縮性的特性。不同固化劑摻入量的復合紅黏土材料對應的脹縮性試驗結果見表1。從表1 中得出如下結論：①隨固化劑摻入量增加，自由膨脹率迅速降低。②隨固化劑摻入量增加，膨脹應力有降低趨勢。③隨固化劑摻入量增加，收縮系數有減小趨勢。④在有壓力下，隨固化劑摻入量增加，膨脹率呈減小趨勢。

表1 不同固化劑摻量的紅黏土膨脹試驗結果

2.5 水穩性

水穩性是紅黏土改良后的一個重要指標，是指遇水抗破壞的能力。表2 是不同固化劑摻入量的路用改良紅黏土水穩性分析試驗結果。水穩定性系數是以不同齡期飽水抗壓強度與干抗壓強度的比值表示，用以表征水穩定性，系數越大，則水穩定性越好。

表2 不同養護天數水穩情況

由表2 可見，改良后的紅黏土隨固化劑摻入量增加而水穩性增強，隨養護時間增加水穩性增強，固化劑摻入量太低時，如固化劑摻入量3%，5%時，由于紅黏土不能全面固化，固化部分與未固化部分膨脹性差異增大而很快破壞，以至于破壞速度超過了純紅黏土。

3 結語

針對自然紅黏土地球化學敏感性和水穩定性差的問題，提出紅黏土作為路用復合材料的改良方案，分析了改良原理，并從多種水理性質試驗結果及指標證實改良效果，可得到以下結論。

（1）路用改良紅黏土仍然具有高塑限、高液限的特征，隨著摻入固化劑摻入量的增加，其塑性指數、最優含水量均有所降低，但仍然是一種具有良好黏連性的膠凝材料，保持了自然紅黏土的優良品質。

（2）隨固化劑的摻入量增加，路用改良紅黏土的膨脹性大為減少。當摻量到達較佳劑量時，膨脹收縮區間壓縮，反映出紅黏土的收縮膨脹受到良好的控制和穩定，改良后的土體趨于穩定。

（3）改良后的紅黏土隨固化劑摻入量增加、養護時間增加水穩定性增強。