水泥改良桂林紅粘土的試驗研究

劉之葵， 邱曉娟， 雷　軼

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林　541004；　2.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林　541004)

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水泥改良桂林紅粘土的試驗研究

劉之葵1,2， 邱曉娟1,2， 雷軼1,2

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林541004；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室, 廣西 桂林541004)

[摘要]為了研究水泥摻量和養(yǎng)護時間對桂林紅粘土的改良效果，通過直剪試驗、液塑限聯(lián)合測定法等室內定量試驗進行分析。經(jīng)試驗測定，在相同水泥摻量時，桂林紅粘土粘聚力增長呈先快后慢勢態(tài)。在相同養(yǎng)護齡期時，內摩擦角隨水泥摻量增加而增大，而粘聚力增大則更明顯。液塑限和界限含水率提高。究其原因，摻入水泥并養(yǎng)護使得桂林紅粘土與水泥發(fā)生凝結核硬化，構成團粒、鑲嵌、膠結的空間結構，表現(xiàn)出較高的假粉、砂性特征。

[關鍵詞]水泥改良紅粘土; 水泥摻量; 養(yǎng)護時間; 抗剪強度; 液塑限

0前言

由于紅粘土屬于特殊性土，不時引起諸如邊坡開裂、水庫滲漏、路基下陷、地基承載力不夠等工程地質問題而嚴重影響到實際工程的安全、穩(wěn)定運行。因此，對紅粘土的工程地質適應性的研究和試驗，以及紅粘土的性能改良，具有重要的工程實際意義。關于紅粘土的改良，各方學者已進行了大量研究。易劍波[1]、羅斌[2]、楊建華等[3]運用碎石改良紅粘土，以提高其壓實度和土體強度等在工程方面的適用性。莫百金等[4]進行了砂礫改良紅粘土的研究，分析了不同砂礫摻配率下的改良效果及原因，提出了確定最佳摻配率的方法；黃俊等[5]通過加入NCS-4固化劑與粘土發(fā)生化學反應，降低紅粘土的含水量，提高其路用性能；李曉全[6]、郭培璽[7]、劉寶臣等[8]研究了水泥加固紅粘土的無側限抗壓強度，分析了水泥紅粘土的強度增長機理；欒傳寶[9]研究了粉煤灰對紅粘土強度及含水量的影響；施燦海等[10]運用纖維、纖維水泥對云南紅粘土改良，分析其抗剪強度和無側限抗壓強度的增長機理；趙振亞等[11]進行了水泥紅粘土的抗凍性研究，分析了不同水泥摻量時的抗凍性增長趨勢。除了嘗試摻入單一的改良劑或改良物改良紅粘土的工程性質之外，還有學者進行了混合摻料試驗，如粉煤灰與砂礫的混合，石灰與砂的混合，水泥與粉煤灰的混合[2，12，13]等等。關于桂林紅粘土的改良加固問題，吳瑞潛等[14]研究了水泥和粉煤灰加固紅粘土的強度，分析并探討了水泥和粉煤灰加固紅粘土的機理；葉瓊瑤等[15]利用砂礫、石灰、粉煤灰、二灰、水泥及“康奈”改良劑等對高液限桂林紅粘土路用性能進行了研究，提出了針對性的改良措施。

桂林是我國最典型的巖溶發(fā)育區(qū)，紅粘土廣泛分布，桂林紅粘土具有獨特的成分和結構，但采用水泥改良對桂林紅粘土的液塑限、抗剪強度等的影響，研究得還很不深入。對水泥改良桂林紅粘土進行試驗研究，無論從理論上，還是工程實踐的需要上，都顯得十分的必要。

1水泥土樣試塊的制備和試驗方法

1.1試驗材料(見表1)

① 土樣： 試驗采用的紅粘土來自桂林市凱風路東側原空軍學院內，場地總體呈北高南低之勢，整個地勢相對平坦。場地標高156.045～160.948 m ，地貌單元為峰叢平原亞區(qū)地貌，下伏地層為上泥盆統(tǒng)融縣組石灰?guī)r。紅粘土分布全場地，層厚平均8.24 m，棕紅色、稍濕，分硬塑和可塑兩個亞層。

表1 桂林市凱風路東側空軍學院場地紅粘土一般力學性質指標Table1 Mechanicalpropertiesindexofred-clayineastoftheairforceacademyinkaifengroadguilin顏色狀態(tài)巖土參數(shù)ω/(%)濕密度/(g·cm-3)棕紅色硬塑最大值32.21.88最小值23.61.74平均值27.91.80棕紅色可塑最大值42.11.94最小值33.41.83平均值37.71.87孔隙比e粘聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)N擊/30cm1.14597.7534.2110.76959.7416.280.93979.223.49.31.22824.4417.770.94215.73.451.07621.0810.56.2

②水泥： 試驗所選用的為普通硅酸鹽水泥。

1.2試驗目的

為了研究水泥紅粘土抗剪強度、液塑限與水泥摻量、養(yǎng)護齡期之間的關系，根據(jù)不同目的分別對不同試塊進行直接剪切試驗和液塑限聯(lián)合測定試驗。

1.3試驗方案

試驗主要考慮因素為： 水泥摻量、養(yǎng)護齡期。并據(jù)此設計試驗方案。水泥摻量分為5%、8%、12%、16%、20%，養(yǎng)護齡期為1、7、14、28 d，按照水泥摻量和養(yǎng)護齡期的不同試驗共有20組，進行平行試驗，每組4塊試樣，共計80塊。試驗歷時28 d。

1.4試驗方法

首先制備土樣。取回土樣后將其風干，再碾碎，過2 mm篩。然后將過完篩的土放入烘箱內烘干，烘干時溫度在100～110 ℃。待烘干的土冷卻后，按不同的水泥摻量，26%的含水率配制土樣，放入濕沙中靜置一天后，采用壓樣器開始制樣。試樣為環(huán)刀樣，試驗尺寸為61.8×20 mm。試驗制備好后，用保鮮膜包裹，放入濕沙中養(yǎng)護。

試驗采用四聯(lián)剪ZJ型應變控制式直剪儀和液、塑限聯(lián)合測定儀。

2試驗結果及分析

2.1水泥摻量、養(yǎng)護周期對水泥紅粘土粘聚力的影響(實驗儀器如圖1所示)

圖1 四聯(lián)剪ZJ型應變控制式直剪儀及剪切后的試樣Figure1 QuadrupleshearspecimenZJtypestraincon-trolleddirectshearapparatusandshearedsamples

水泥紅粘土的剪切試驗結果如圖2所示。

圖2　水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土粘聚力關系曲線Figure 2　Curve about cement content, curing period and cohesive force of cement-treated red-clay

從圖2中可看出: 水泥能大幅提高紅粘土粘聚力，且水泥紅粘土粘聚力隨著養(yǎng)護齡期的延長、水泥摻量的增加而不斷提高，但增長幅度有所減緩。實驗中，水泥紅粘土最大粘聚力為素紅粘土的8.5倍。

為了更好的研究水泥摻量和養(yǎng)護齡期與桂林巖溶紅粘土的關系，分別以水泥摻量和養(yǎng)護齡期為橫坐標，粘聚力為縱坐標，水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土粘聚力數(shù)據(jù)擬合如圖3所示。水泥摻量與粘聚力具有較好的相關性，養(yǎng)護齡期與粘聚力也具有一定的相關性，但是較前者差。

圖3　水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土粘聚力擬合曲線Figure 3　Fitting curve about cement content, curing period and cohesive force of cement-treated red-clay

水泥摻量相同時，前期粘聚力增長速度較快，后期增長較緩慢。這是因為在前期，水泥與水接觸后立即發(fā)生水化、水解反應，介質溶液中析出大量鈣離子，離子交換的粒團化作用迅速發(fā)生，能形成水泥土的團粒結構，使水泥土的強度大大提高。而在中后期，隨著離子交換作用的逐漸完成，硬凝反應開始發(fā)揮作用，但硬凝反應生成的化合物硬化速度較慢，所以會造成前期粘聚力增長速度快，后期增長較緩慢的現(xiàn)象。

在剪切過程中，當水泥摻量小時，水泥紅粘土的剪切破壞為塑性破壞，但當水泥摻量增大到一定程度時，其剪切破壞呈脆性破壞。這是因為在水泥紅粘土中，水泥水解、水化作用生成硅酸鈣物質，這種水化產物呈纖維狀或網(wǎng)絡狀，能把紅粘土中的骨架顆粒牢牢地粘結在一起，構成“團粒、鑲嵌、膠結”的空間結構，起到固化劑的作用。當水泥摻量較少時，這種水化產物也生成的較少，只能使土中粘粒團聚，不能構成緊密的纖維狀連鎖網(wǎng)絡骨架，不能改變紅粘土的變形特性，水泥紅粘土與紅粘土的結構比較相近；但當水泥摻量大時，水泥與紅粘土中的水分發(fā)生反應，凝結、硬化而形成水泥石骨架，并包裹著土顆粒，而水泥水解、水化而形成的纖維狀結晶不斷的延伸、充填到粘土顆粒間的空隙中去，形成致密的網(wǎng)狀結構，大大提高了原狀紅粘土的強度，水泥紅粘土的骨架結構與混凝土相似，當受到很大外力作用，超過水泥紅粘土的抗剪強度時，水泥紅粘土很快出現(xiàn)脆性破壞，沿整個剪切面斷開，殘余強度很小或幾乎沒有。

2.2水泥摻量、養(yǎng)護齡期對水泥紅粘土內摩擦角的影響

水泥紅粘土內摩擦角試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土內摩擦角關系曲線Figure 4　Curve about cement content, curing period and internal friction angle of cement-treated red-clay

由圖4可以看出: 當水泥摻量小于l2%時內摩擦角隨摻入比增加且增長幅度較大，但當水泥摻量大于12%時，有小幅下降。與素紅粘土相比，內摩擦角增長幅度在45%～140%之間。在同一水泥摻量中，隨著養(yǎng)護齡期的增加，內摩擦角穩(wěn)步上升，但隨著養(yǎng)護齡期的延長，增大的幅度會逐漸減小。

對水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土內摩擦角進行數(shù)據(jù)擬合，其關系如圖5所示。水泥與內摩擦角的相關性較差，相關系數(shù)最大的僅為0.2648。養(yǎng)護齡期與內摩擦角的相關性較好。水泥摻量為12%時，養(yǎng)護齡期與內摩擦角的相關性最好，相關系數(shù)為0.9574。

圖5　水泥摻量、養(yǎng)護齡期與水泥紅粘土內摩擦角擬合曲線Figure 5　Fitting curve about cement content, curing period and internal friction angle of cement-treated red-clay

土的抗剪強度從物理理論上區(qū)分為摩擦強度和粘聚強度，但若進一步研究，按照固體摩擦的現(xiàn)代理論，摩擦的實質也是一種分子現(xiàn)象。摩擦系數(shù)來源于接觸面上的分子引力，當物體滑動時，接觸面積上的分子引力阻礙物體相對移動，這就是摩擦現(xiàn)象的微觀實質，與粘聚力相似，所以在前期，水泥在紅粘土中發(fā)生的各種水化、水解反應以及膠結作用等，使水泥紅粘土中內摩擦角增長趨勢與粘聚力相似。

但隨著養(yǎng)護齡期的延長，水泥摻量的不斷增加，土體中粘粒越聚越大，當土粒粒徑增大到一定程度時，其內摩擦角會有回落，原因可能是粗顆粒的重心離剪切面遠，受剪切作用，容易產生局部滾動摩擦的緣故，所以會出現(xiàn)圖4中所示情況，在相同的養(yǎng)護齡期下，20%水泥摻量、16%水泥摻量的水泥紅粘土較12%摻量的水泥紅粘土內摩擦角小幅減小的狀況。

2.3水泥摻量、養(yǎng)護齡期對水泥紅粘土液、塑限的影響

水泥紅粘土液、塑限試驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　養(yǎng)護齡期與液塑限關系曲線Figure 6　curing period and liquid and plastic limit curve

由圖6可以看出：水泥紅粘土隨著水泥含量的增加、養(yǎng)護齡期的延長，液限有小幅提高，漲幅在1.9%～13.4%之間；塑限有明顯的提高，漲幅在11%～67%；塑性指數(shù)總體上呈減小的趨勢。

① 水泥水化、水解生成不溶于水、穩(wěn)定的結晶化合物，在水中和空氣中逐漸硬化，形成了致密的結構，使水分不易侵入，土粒的親水性明顯減弱，塑性指數(shù)降低。

② 隨著養(yǎng)護齡期的延長，水泥膠結作用逐漸體現(xiàn)，土中結構單元體的團聚性在不斷增大，而粒徑微小的粘粒含量則不斷減小，大顆粒逐漸增多，土體表現(xiàn)出較高的“假粉、砂性”特征，土體塑限明顯提高。

③ 水泥水化、水解后產生的凝膠粘附在土顆粒表面或溶于介質溶液中，但在液限時，由于土中存在較多的水，膠體不能析出，土的液限增加不明顯，只有小幅增加；而在塑限時，溶于介質溶液的膠體析出，發(fā)揮膠結作用使得塑限增加效果明顯。故土的液、塑限增加，而塑性指數(shù)降低。

④ 紅粘土中摻入水泥后，水泥與土中礦物成分、孔隙水等發(fā)生一系列反應，能消耗掉大量的水，并能將大量的水緊緊的吸附在顆粒表面，成為強結合水，提高了紅粘土的界限含水率。

3結論

桂林紅粘土由于其特殊的成因過程及成因環(huán)境，其中礦物含量與一般粘土有本質的區(qū)別，在不同環(huán)境條件下，工程性質也有很大區(qū)別。

① 水泥能使紅粘土粘聚力大幅提高。相同水泥摻量的條件下，前期粘聚力增長速度較快，后期增長較緩慢；養(yǎng)護齡期相同時，水泥摻量越大，紅粘土的粘聚力會越高，并且隨著水泥摻量的增加，效果越來越明顯。

② 在相同的養(yǎng)護齡期下，當水泥摻量小于12%時內摩擦角隨摻入比增加且增長幅度較大，但當水泥摻量大于12%時，有小幅下降。

③ 水泥紅粘土隨著水泥含量的增加、養(yǎng)護齡期的延長，液限有小幅提高；塑限有明顯的提高。塑性指數(shù)由液限與塑限決定，液限的增長速度明顯小于塑限的增長速度，塑性指數(shù)總體上呈減小的趨勢。

④ 水泥能提高紅粘土的界限含水率，土體會表現(xiàn)出較高的“假粉、砂性”特征。

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The Test Study on Guilin Cement Improved Red-Clay

LIU Zhikui1,2, QIU Xiaojuan1,2, LEI Yi1,2

(1. College of Civil Engineering and architecture, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 2. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin, Guangxi 541004, China)

[Abstract]To study the improvement effect of cement content and curing time on the Guilin red-clay by analysis of direct shear tests and assays Macro function indoor quantitative test. It measured that the Guilin red-clay cohesion slows down after growth momentum by the same cement content. At the same curing period, internal friction angle increases with increasing cement content, while increasing cohesion is even more obvious, and the Liquid and plastic limits and boundaries of the moisture content increased. The reason is that incorporation with cement and conservation makes Guilin red-clay and cement hardening occurs. Then condensation nuclei form aggregates, mosaic, spatial structure cementation appear, showing high false flour, sand characteristics.

[Key words]Cement improved red-clay; cement content, curing time; and shear strength; liquid and plastic limits

[中圖分類號]U 416.03

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0006-04

[作者簡介]劉之葵(1968-)，男，江西興國人，博士(后)，教授，博士生導師，主要從事巖土工程、地質工程專業(yè)的教學與科研工作。

[基金項目]國家自然科學基金項目(51169004)；廣西自然科學基金創(chuàng)新研究團隊項目(2012GXNSFGA060001)；廣西巖土力學與工程重點實驗室基金項目(12-A-01-01；11-CX-02)；廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心項目(KH2012YB025)

[收稿日期]2014-10-22