水泥加固粘土的試驗研究

王勝　蘇恩華

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的公路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時期。為了探討水泥加固粘土的固化機(jī)理，將武漢地區(qū)的紅色粘土按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ051-93）相關(guān)的試驗要求進(jìn)行擊實度驗，然后收縮試驗。試驗結(jié)果表明：在紅色粘土中加入3%水泥后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互之間連結(jié)力加強(qiáng)；線縮率和縮限呈現(xiàn)明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%，土體收縮變形能力變小。

關(guān)鍵詞：粘土 干密度 比重 收縮

中圖分類號：U41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0088-02

粘性土透水性差，粘聚力大，干燥時土質(zhì)堅硬，強(qiáng)度較高，承載力好[1]。但同時，它具有較大的可塑性，還帶有一定的膨脹性，毛細(xì)管現(xiàn)象和粉性土一樣也很明顯。若是用粘性土來用作為路基，相比較而言比粉性土好，但不如用作路基的良好材料砂性土。粘性土遇水后，吸水能力強(qiáng)，能夠較長時間保持水分，承載力很小。因此，若是用粘性土作為路基，必須在適當(dāng)含水量充分壓實，保證路基承載力，同時由于它吸水強(qiáng)度變小，承載力弱，所以要有良好的排水設(shè)施或在粘性土添加一些加固材料等施工措施進(jìn)行改良，這樣的路基才能獲得較好的穩(wěn)定性，達(dá)到公路工程路基的規(guī)范要求。

1 試驗材料

1.1 試驗用土

該次用于加固的粘土樣取自湖北省武漢市漢陽區(qū)的紅色粘土。試樣用土的取樣深度為2～4 m，該地區(qū)的紅色粘土樣遇水強(qiáng)度變小，吸水能力強(qiáng)，塑性指數(shù)高，并且還帶有一定的膨脹性。晴天干燥時，紅色粘土強(qiáng)度較高，網(wǎng)紋狀裂隙發(fā)育明顯。這種土若是用于公路路基，需要進(jìn)行一定的工程措施，改善紅色粘土的親水性和膨長性，才能具有較好的承載能力和穩(wěn)定性。

1.2 固化材料

用于加固紅色粘土的水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，此水泥的3 d抗壓強(qiáng)度大于17 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度大于42.5 MPa，3天抗折強(qiáng)度大于3.5 MPa，28天抗折強(qiáng)度大于6.5 MPa。水泥初凝時間不小于45 min，終凝不大于600 min。采用的32.5經(jīng)測試初凝時間為55 min，終凝時間為7 h。由于水泥加入粘土后，水泥與粘土中的水分結(jié)合發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，需要很長一段時間才能完成，故以水泥的終凝時間7 h作為最終拌合的標(biāo)準(zhǔn)時間，然后用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實儀進(jìn)行擊實試驗。

2 試驗研究

2.1 素土擊實試驗

該次擊實試驗采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實試驗。由于紅色粘土塑性指數(shù)高，吸水能力強(qiáng)，并有含有一定的膠結(jié)物，因此不能用干土法進(jìn)行制樣。該次試驗采取濕土法制備土樣，主要步聚是在土樣中用手直接揀除大于38 mm的粗石子即可。保持天然含水量的第一個土樣，其余五個試樣將土分成小土塊，分別自然風(fēng)干，土樣的含水量控制按原2%～3%遞減。試驗操作嚴(yán)格按《公路土工試驗規(guī)程》中的擊實試驗操作步驟，在向小筒加入土樣時，分三層進(jìn)行擊實試驗，每次大約按800～900 g加樣進(jìn)行擊實。每層擊實完土樣，必須把土樣表面進(jìn)行表面整平，層面進(jìn)行“拉毛”，重復(fù)操作，直至土樣三層擊實試驗完[2]。需要注意的是，第三層土樣應(yīng)稍多于前二次，擊實完的試樣要稍高于筒面，但不能高出筒頂面5 cm。擊實完后，用修土刀進(jìn)行筒內(nèi)削刮，這樣便于套筒與土樣脫離。取下套筒，削平土樣，進(jìn)行稱重。用推土器從筒內(nèi)取出試樣，從試樣中心取土樣進(jìn)行含水量測試。進(jìn)行含水量與干密度曲線繪制時，各點的干密度計算按如下公式：

ρd=ρ÷（1+ω）

公式中：ρd表示干密度，ρ代表土的濕密度，ω為土樣含水量。

試驗數(shù)據(jù)如表1所示，所得的含水量與干密度曲線如圖1所示。

從擊實曲線圖1可知，該紅色粘土的最大干密度為1.64 g/cm3，最佳含水量為23.51%。從圖中可以看出，紅色粘土的最大干密度小于1.75 g/cm3，說明了紅色粘土的孔隙較大。

2.2 水泥加固粘土的擊實試驗

水泥土的擊實試驗同以上素土制樣方法一樣采用濕土法，水泥用量為3%，拌合時，要求拌合均勻，試樣取點需要五個點。需要注意的是，試樣擊實要求在水泥終凝時間前完成，否則重新進(jìn)行制樣。試驗數(shù)據(jù)如表2所示，所得的含水率與干密度曲線如圖2所示。

從擊實曲線圖2可知，水泥加固粘土的最大干密度為1.76 g/cm3，最佳含水量為25.11%。與圖1相比，加入水泥3%后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，這說明用水泥加入紅色粘土后，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互之間連結(jié)力加強(qiáng)，能有效提高土的密實度，從而增加土的承載力和強(qiáng)度。

3 收縮試驗

該次收縮試驗是在室溫25 ℃條件下進(jìn)行。通過上面擊實試驗確定素土和水泥固化土混合料的最佳含水率和最大干密度。試驗時，每隔2 h測記百分表讀數(shù)，并準(zhǔn)確稱量試樣和裝置質(zhì)量，精確到0.1 g。2 d后，每隔6～24 h測記百分表讀數(shù)，直至百分表讀數(shù)不變。根據(jù)公式計算試樣的線縮率和縮限，試驗結(jié)果見表3。從表3中可以看出在，在紅色粘土中加入水泥后，線縮率和縮限明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%。紅色粘土的線縮率、縮限數(shù)據(jù)的減小，說明水泥與紅色粘土發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使土顆粒之間的聯(lián)接力加強(qiáng)，土體收縮變形能力變小。

4 水泥加固粘土的固化機(jī)理

用水泥加固粘土，水泥相對于土來說，其用量比較少。水泥與土發(fā)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)是其強(qiáng)度提高的主要原因?？偨Y(jié)來說，大致有以下三個方面。

第一，水泥水化后，含有大量的Ca2+，它會與土粒表面帶有的低價陽離子Na+、K+進(jìn)行陽離子交換，從而使結(jié)合水的厚度變薄，土粒之間的距離減小，使土粒相互吸引易形成較大的土團(tuán)。再加上水泥水化后生成Ca（OH）2的水化生成物，它具有強(qiáng)烈的吸附活性，它能把大的土粒團(tuán)用鏈條狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步結(jié)合起來，填充土粒與土粒之間的孔隙，使土的干密度增大，含水量減小，易于壓實，增加土的承載力，提高土體強(qiáng)度。

第二，水泥與土中的水化反應(yīng)后，會與粘土中的一部分或大部分粘土礦物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定的結(jié)晶礦物，這些結(jié)晶礦物從開始的不規(guī)則針形礦物，隨著時間的延長會向板狀粒子變化，這些重新生成的化合物極大的提高了土體強(qiáng)度。這種化學(xué)反應(yīng)就是通常所說的硬凝反應(yīng)。

第三，水泥與土中的水進(jìn)行水化反應(yīng)后，水泥水化物中的游離Ca（OH）2會與空氣中的CO2水中的HCO3-繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣[3]。這種反應(yīng)也能使土固結(jié)，提高土的強(qiáng)度。

總之，水泥就是通過與粘土細(xì)微顆粒產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，土粒之間相互吸引形成更大的顆粒，顆粒界面形成牢固的結(jié)晶聚集體，從而提高土的強(qiáng)度和其它性能。

5 結(jié)語

該文通過對武漢地區(qū)紅色粘土的試驗，可得出如下結(jié)論。

（1）在紅色粘土中加入3%水泥后，紅色粘土的最大干密度提高了19.68%，這說明水泥加入紅色粘土后，能使紅色粘土顆粒的孔隙減少，土粒之間相互連結(jié)力加強(qiáng)。

（2）在紅色粘土中加入3%水泥后，線縮率和縮限明顯降低，線縮率減小了42.41%，縮限減小了31.84%。紅色粘土的線縮率、縮限數(shù)據(jù)的減小，說明了水泥與紅色粘土發(fā)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使土顆粒之間的聯(lián)接力加強(qiáng)，土體收縮變形能力變小。

參考文獻(xiàn)

[1] 方左英主編.路基工程[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2] 公路土工試驗規(guī)程（JTJ051-93）[S].北京：人民交通出版社，1993.

[3] 方福森主編.路面工程[M].北京：人民交通出版社，1993.