粉煤灰和二灰對(duì)桂林紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響

劉之葵，郭 彤，王 劍

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

粉煤灰和二灰對(duì)桂林紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響

劉之葵1,2，郭 彤1,2，王 劍1,2

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

為了研究粉煤灰和二灰摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)桂林紅黏土的改良效果，進(jìn)行了直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)以及電鏡掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的摻入提高了紅黏土的抗剪強(qiáng)度，但超過(guò)一定量(18%粉煤灰摻量)反而會(huì)降低紅黏土黏聚力，各摻量粉煤灰紅黏土隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，抗剪強(qiáng)度呈先增后緩趨勢(shì)。二灰改良紅黏土，在早期強(qiáng)度劇增，且強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而大幅增加，一定齡期內(nèi)，二灰紅黏土黏聚力隨二灰摻量呈先增后減趨勢(shì)。粉煤灰和二灰的摻入均增大了紅黏土的壓縮模量，且隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。紅黏土中隨粉煤灰、石灰的加入，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從微觀結(jié)構(gòu)分析得知土中孔隙減少，結(jié)構(gòu)性較素紅黏土好。

粉煤灰；二灰；抗剪強(qiáng)度；壓縮性；微觀結(jié)構(gòu)

桂林巖溶紅黏土廣泛分布，且在垂直方向上一般從上至下呈由硬變軟狀態(tài)，上段紅黏土壓縮模量大，紅黏土地基承載力大，適宜直接作為天然的地基，紅黏土具有軟弱下臥層，其地基下臥基巖面也起伏不定，屬于特殊土地基[1～5]。而隨深度加深紅黏土壓縮模量小，紅黏土承載力較小，不適合做持力層，此時(shí)有必要對(duì)下臥層進(jìn)行物理化學(xué)加固，滿足建筑地基強(qiáng)度、變形要求，即對(duì)桂林紅黏土進(jìn)行性能改良，使其物理力學(xué)性能滿足工程需求，帶來(lái)更好的效益。

郭培璽[6]等在紅黏土中摻入水泥對(duì)紅黏土進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)在紅黏土中摻入水泥能有效提高土體強(qiáng)度。劉莉[7]等對(duì)粉煤灰的物理化學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)以及礦物組成進(jìn)行了初步的介紹，并簡(jiǎn)要分析了土中摻入粉煤灰之后的一系列物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。相關(guān)學(xué)者[8～11]還用砂礫、碎石、固硫灰渣、纖維、纖維水泥等材料或者兩種或以上混合材料以及通過(guò)添加別的化學(xué)添加劑來(lái)對(duì)紅黏土進(jìn)行改良，也已取得相關(guān)成果。本文選取桂林紅黏土為研究對(duì)象，在紅黏土中摻入粉煤灰、二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1(質(zhì)量比))，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)比分析桂林紅黏土改性前后工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)的變化及其機(jī)理。

1 不同粉煤灰、二灰摻量及不同養(yǎng)護(hù)齡期的試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自桂林市理工大學(xué)雁山校區(qū)。將取回的紅黏土攤開(kāi)在雨布上進(jìn)行風(fēng)干，過(guò)0.5 mm篩備用。試驗(yàn)用粉煤灰取自桂林國(guó)電永福發(fā)電有限公司，由于取回的粉煤灰?guī)в猩僭S粗顆粒雜質(zhì)以及少量水分，考慮到后期配土以及計(jì)算簡(jiǎn)易，需人工將其雜質(zhì)清除并過(guò)篩、裝入托盤放到烘箱105 ℃烘干，備用。試驗(yàn)用石灰屬于鈣質(zhì)生石灰，其中氧化鈣、氧化鎂含量不小于80%，生產(chǎn)于廣西桂林金山化工有限責(zé)任公司。同樣，人工將其雜質(zhì)清除并過(guò)篩、裝入托盤放到烘箱105 ℃烘干，烘干之后取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，用塑料袋裝好保存，備用。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了研究摻入粉煤灰、二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1(質(zhì)量比))后紅黏土的抗剪強(qiáng)度、壓縮性與不同摻量、養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系，根據(jù)不同的目的分別對(duì)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

在桂林紅黏土中分別摻入6%，12%，18%，24%，30%摻量粉煤灰，養(yǎng)護(hù)齡期分別為1 d，7 d，14 d，28 d；摻入6%，12%，18%，24%摻量二灰，養(yǎng)護(hù)齡期分別為1 d，3 d，7 d，14 d，通過(guò)直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)測(cè)定其改性前后數(shù)據(jù)值，對(duì)比分析在以上粉煤灰、二灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期條件下紅黏土抗剪強(qiáng)度、壓縮變形、微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

1.4 試驗(yàn)方法

稱取事先計(jì)算好的紅黏土、粉煤灰、二灰、水的質(zhì)量，用噴水壺均勻噴水，統(tǒng)一配置含水量為25%和規(guī)定的產(chǎn)量百分比，三者必須均勻混合，將配置好的粉煤灰、二灰紅黏土裝入袋子放在濕沙中養(yǎng)護(hù)，在規(guī)定的養(yǎng)護(hù)齡期到期后取出土，實(shí)驗(yàn)前晚將過(guò)0.5 mm篩的土在烘箱中105～108 ℃烘8 h后取出，冷卻后用以試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀、WG型單杠桿固結(jié)儀、S4800場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粉煤灰、二灰摻量和養(yǎng)護(hù)周期對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響

為了和改性之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)進(jìn)行直剪試驗(yàn)(快剪試驗(yàn))，測(cè)得零摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)之前抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c=45.8 kPa，φ=23.6°，土的物理性質(zhì)指標(biāo)為：含水率ω=38%，天然重度γ=18 kN/m3，孔隙比e=1.11，液限WL=64%，塑限WP=37%。

2.1.1 粉煤灰不同摻量與不同齡期對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度結(jié)果分析

圖1為不同粉煤灰摻量(6%，12%，18%，24%，30%)、不同齡期(1 d，7 d，14 d，28 d)下紅黏土黏聚力關(guān)系。

圖1 不同粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與紅黏土黏聚力關(guān)系Fig.1 Relationship between the cohesive force and the curing time under different fly ash proportion in the red clay

從圖1中得出，各摻量粉煤灰紅黏土黏聚力基本隨齡期的增加呈遞增趨勢(shì)，同時(shí)在后期趨于平緩。同一養(yǎng)護(hù)齡期粉煤灰紅黏土黏聚力與粉煤灰摻量呈反相關(guān)趨勢(shì)，在6%，12%，18%摻量各養(yǎng)護(hù)齡期中黏聚力值都大于素紅黏土，而24%，30%摻量在各養(yǎng)護(hù)齡期中只有個(gè)別黏聚力值高于素紅黏土，其余值均低于素紅黏土。任一摻量紅黏土黏聚力在養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)時(shí)均大體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，即養(yǎng)護(hù)越久，黏聚力值越大，最終將趨于穩(wěn)定。

在粉煤灰紅黏土養(yǎng)護(hù)1 d，7 d，14 d，28 d時(shí)，6%粉煤灰摻量紅黏土黏聚力相應(yīng)為素紅黏土的1.92，3.06，3.44，3.69倍，各齡期里粉煤灰摻量增加黏聚力降低，各齡期粉煤灰摻量為30%時(shí)黏聚力相應(yīng)為摻量6%的0.34，0.3，0.16，0.21倍，分別相對(duì)于素紅黏土的0.66，0.93，0.54，0.78倍。

圖2 不同粉煤灰摻量紅黏土與內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.2 Relationship between the curing period and the internal friction angle under different fly ash proportion in the red clay

從圖2中得出，各摻量粉煤灰紅黏土內(nèi)摩擦角大致隨齡期的增加而呈遞增趨勢(shì)，同時(shí)在后期趨于平緩。12%粉煤灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)四周后出現(xiàn)內(nèi)摩擦角最大值，為素紅黏土的1.36倍，而最小值出現(xiàn)在18%粉煤灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)1 d之時(shí)，為素紅黏土的1.13倍。

2.1.2 二灰不同摻量與不同齡期對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度結(jié)果分析

圖3為不同二灰摻量(6%，12%，18%，24%)、不同齡期(1 d，3 d，7 d，14 d)下桂林紅黏土黏聚力關(guān)系。從圖3中可知，各摻量二灰紅黏土黏聚力基本與齡期正相關(guān)，且各二灰摻量、各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)黏聚力值都較大，為素紅黏土的數(shù)倍之多，其中6%與24%二灰摻量紅黏土黏聚力隨養(yǎng)護(hù)齡期變化同步性較好，而12%與18%二灰摻量紅黏土黏聚力在養(yǎng)護(hù)7～14 d這一階段，隨養(yǎng)護(hù)齡期變化黏聚力同步性較好。各養(yǎng)護(hù)齡期里二灰紅黏土黏聚力隨二灰摻量的增加，呈現(xiàn)出在一定摻量?jī)?nèi)逐漸增加，隨后逐漸減小趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在二灰摻量為12%或18%，相應(yīng)最小值出現(xiàn)在二灰摻量為18%或24%，且各二灰摻量紅黏土黏聚力值隨養(yǎng)護(hù)齡期增大而增加。

圖3 不同二灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與紅黏土黏聚力關(guān)系Fig.3 Relationship between the curing period and the cohesive force under different lime fly ash proportion in the red clay

圖4表明，內(nèi)摩擦角于各摻量二灰紅黏土中與齡期整體上呈正增長(zhǎng)，且各二灰摻量、各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)內(nèi)摩擦角值都較素紅黏土大。最小內(nèi)摩擦角于18%二灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)1 d之時(shí)，為素紅黏土的1.33倍，其余摻量在養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)分別為素紅黏土的1.66，1.71，1.73倍。內(nèi)摩擦角最大值為養(yǎng)護(hù)前的2.06倍。各養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，二灰紅黏土黏聚力隨二灰摻量呈先增后變緩趨勢(shì)。黏聚力最大值出現(xiàn)在12%或18%二灰摻量。

圖4 不同二灰摻量紅黏土與內(nèi)摩擦角與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the curing period and the internal friction angle under different lime fly ash proportion in the red clay

2.1.3 粉煤灰、二灰紅黏土直剪試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

上述試驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，摻入粉煤灰可以提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度，但超過(guò)一定量反而會(huì)減小紅黏土黏聚力；各摻量粉煤灰紅黏土隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，抗剪強(qiáng)度呈先增后緩趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)齡期一致時(shí)，粉煤灰紅黏土抗剪強(qiáng)度隨摻量增大而減小。摻入二灰可以大幅度提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度，隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，二灰紅黏土抗剪強(qiáng)度增加。粉煤灰、二灰的摻入均提高了紅黏土的內(nèi)摩擦角，在養(yǎng)護(hù)齡期及摻量相同時(shí)，二灰紅黏土黏聚力是粉煤灰紅黏土的1.76～5.73倍，內(nèi)摩擦角是粉煤灰紅黏土的1.18～1.65倍。

2.2 粉煤灰、二灰摻量和養(yǎng)護(hù)周期對(duì)紅黏土壓縮模量的影響

在對(duì)桂林紅黏土進(jìn)行改性之前，為了和改性之后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，用WG型單杠桿固結(jié)儀進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)得零摻入物摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)之前壓縮模量為9.91 MPa。據(jù)此對(duì)以下改性紅黏土WG型單杠桿固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 粉煤灰不同摻量與不同齡期對(duì)紅黏土壓縮性結(jié)果分析

圖5為不同粉煤灰摻量(6%，12%，18%，24%，30%)、不同養(yǎng)護(hù)齡期(1 d，7 d，14 d，28 d)下紅黏土壓縮模量關(guān)系曲線。

圖5 不同粉煤灰摻量紅黏土壓縮模量與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the compression modulus and the curing period under different fly ash proportion in the red clay

從圖5中可知，壓縮模量與齡期呈正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，壓縮模量越大。整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)壓縮模量最大值出現(xiàn)在24%粉煤灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，與素紅黏土壓縮模量相比增幅37.3%，相應(yīng)的最小值出現(xiàn)在18%粉煤灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，最小值與素紅黏土壓縮模量相比降幅32%。

2.2.2 二灰不同摻量與不同齡期對(duì)紅黏土壓縮性結(jié)果分析

圖6為不同二灰摻量(6%，12%，18%，24%)、不同養(yǎng)護(hù)齡期(1 d，3 d，7 d，14 d)下紅黏土壓縮模量關(guān)系曲線。

圖6 不同二灰摻量紅黏土壓縮模量與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between the compression modulus and the curing period under different lime fly ash proportion in the red clay

從圖6中得出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，各二灰摻量紅黏土壓縮模量逐步增大。整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)最大壓縮模量值出現(xiàn)于6%二灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)至第二周時(shí)，為素紅黏土壓縮模量的3.67倍，相應(yīng)的最小值出現(xiàn)在24%二灰摻量紅黏土養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)，最小壓縮模量值為素紅黏土的2倍。

2.2.3 粉煤灰、二灰紅黏土固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在粉煤灰、二灰摻量(均為6%，12%，18%，24%)以及養(yǎng)護(hù)齡期(1 d，7 d，14 d)均相同時(shí)，摻粉煤灰跟摻二灰的紅黏土壓縮模量均不同，且在其他條件一致時(shí)，同摻量、同養(yǎng)護(hù)齡期二灰紅黏土壓縮模量大于粉煤灰紅黏土的壓縮模量。

摻入桂林紅黏土中的粉煤灰所含的氧化鈣、氧化鎂等氧化物，于介質(zhì)環(huán)境中，能迅速發(fā)生水解反應(yīng)，XO+H2O→X2++2OH-(X表示Ca，Mg)，水解為游離高價(jià)陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+)，而紅黏土顆粒表面本身呈負(fù)電性，兩者間的靜電引力隨陽(yáng)離子價(jià)位的增高而增大，隨水解反應(yīng)的推進(jìn)，高價(jià)位陽(yáng)離子濃度增大，使得擴(kuò)散層變薄，紅黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密、穩(wěn)定，從而會(huì)增大其壓縮性。

摻入桂林紅黏土中的二灰，各類水解、水化反應(yīng)劇烈程度甚于摻入粉煤灰，由于石灰中所含氧化物主要是氧化鈣以及氧化鎂，在發(fā)生水解反應(yīng)時(shí)，相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)二灰的水解能水解出的Ca2+、Mg2+濃度更大，二價(jià)鈣、鎂離子更容易置換土顆粒所吸附的低價(jià)鉀離子和鈉離子等離子[14]，相應(yīng)與負(fù)離子間的吸引力更大，使得擴(kuò)散層變得更薄，固體顆粒骨架結(jié)構(gòu)更加緊湊，從而更大地降低了土體的壓縮性，增加土的壓縮模量。

2.3 粉煤灰、二灰摻量對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度影響的機(jī)理

對(duì)于同一種紅黏土來(lái)說(shuō)，在不同排水條件下(如三軸試驗(yàn)不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水和固結(jié)排水)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力、內(nèi)摩擦角，兩者有一定的耦合關(guān)系，一方高另一方就相應(yīng)低。但在對(duì)紅黏土進(jìn)行加固后，可以發(fā)生紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角同時(shí)升高的情形。

由于粉煤灰的主要成分為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等，二灰是粉煤灰和石灰的拌合物(粉煤灰∶石灰=1∶1)。當(dāng)摻入粉煤灰或者二灰后，其中的 Ca2+、Mg2+等與土顆粒表面的自由水相互作用，會(huì)產(chǎn)生離子交換，原本吸附在土黏粒表面的一價(jià)陽(yáng)離子(K+、Na+)被土溶液中的高價(jià)陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+)置換，原來(lái)土黏粒表面一價(jià)陽(yáng)離子(K+、Na+)形成較厚的擴(kuò)散層，由于Ca2+、Mg2+的置換，土顆粒中擴(kuò)散層將變薄，一方面，土顆粒之間的距離減小，相互之間吸引力增大，同時(shí)還有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生土顆粒間的鈣質(zhì)膠結(jié)，這些均會(huì)導(dǎo)致土的黏聚力增大；另一方面，土顆粒形成膠結(jié)團(tuán)聚而使顆粒之間滑動(dòng)摩擦及咬合摩擦也加大，使土的內(nèi)摩擦角變大。

此外，對(duì)于摻入二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1)后，主要成分CaO能夠減少土顆粒間的水含量，即顆粒間水膜厚度變薄，土的黏聚力增大。

當(dāng)試驗(yàn)中粉煤灰摻量超過(guò)一定量，紅黏土剪切強(qiáng)度反而低于改性前。其它條件一致時(shí)，粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)越大反而強(qiáng)度低，則是由于粉煤灰本身是一種細(xì)顆粒材料，在摻入到紅黏土中后，一部分粉煤灰會(huì)積極參與到各類反應(yīng)中，而更多的粉煤灰并沒(méi)有參與反應(yīng)，只是充當(dāng)填充物，跟本身具有黏性的紅黏土相比，黏結(jié)力顯得更小，即多余的惰性粉煤灰反而抑制了紅黏土強(qiáng)度的增加。

3 粉煤灰、二灰摻量和養(yǎng)護(hù)周期對(duì)紅黏土微觀結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)無(wú)任何添加物、無(wú)養(yǎng)護(hù)齡期的重塑紅黏土放大20 K倍下的掃描電鏡圖片(圖7)進(jìn)行分析。由圖7可發(fā)現(xiàn)，紅黏土基本結(jié)構(gòu)單元有薄片狀結(jié)構(gòu)單元，且薄片狀結(jié)構(gòu)單元相互之間或平行或在空間上呈一定角度交錯(cuò)，呈現(xiàn)出邊對(duì)面或面對(duì)面的狀態(tài)，薄片狀結(jié)構(gòu)單元輪廓較為清晰，尺寸各異，能看出薄片明顯的邊緣線，是構(gòu)成土顆粒骨架的一部分，而復(fù)合式結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部孔隙較為發(fā)達(dá)，形態(tài)各異，在紅黏土所展示出的物理力學(xué)性質(zhì)方面起主導(dǎo)作用，它構(gòu)成紅黏土基本骨架[15]。從微觀結(jié)構(gòu)圖中可以看到，不管是薄片狀的基本結(jié)構(gòu)單元還是復(fù)合式的結(jié)構(gòu)單元，在骨架當(dāng)中的排列都是雜亂無(wú)序的，且呈堆積狀，相互交錯(cuò)較為緊密。

圖7 紅黏土微觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Map of micro-structure of the red clay

在紅黏土中摻入粉煤灰進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，隨著粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的改變，粉煤灰紅黏土物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生不同程度的改變，微觀上即土顆粒骨架的組分、結(jié)構(gòu)的變化。通過(guò)不同粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)紅黏土與素紅黏土微觀結(jié)構(gòu)圖(圖8)的對(duì)比，可以直觀地進(jìn)行比較分析。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，粉煤灰紅黏土較素紅黏土結(jié)構(gòu)更為緊密，大粒團(tuán)之間夾雜、充填著細(xì)小顆粒礦物，原本相對(duì)獨(dú)立架立的粒團(tuán)被水化物膠結(jié)在一塊，形成更大塊的骨架。而當(dāng)粉煤灰摻量變大時(shí)，骨架顆粒的堆積更為密實(shí)。而在養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)時(shí)，各類反應(yīng)趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，黏粒團(tuán)棱角更圓潤(rùn)，堆積厚實(shí)，各類化學(xué)反應(yīng)生成物填充于孔隙間，骨架孔隙減少，緊密連結(jié)黏土顆粒，構(gòu)成土體骨架，凝膠體牢牢連結(jié)基本結(jié)構(gòu)單元并逐漸硬化穩(wěn)定，雜亂排列，同時(shí)凝膠體對(duì)細(xì)小顆粒有一定的包裹效應(yīng)，封閉、穩(wěn)定骨架。故隨紅黏土中粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)的增加，黏粒團(tuán)間更多的是粉煤灰顆粒而不是膠結(jié)彼此的凝膠體，土體骨架處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，從而會(huì)在宏觀上表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度降低的特性。

圖9為不同二灰摻量、不同齡期下紅黏土電鏡掃描圖，從圖9也可以發(fā)現(xiàn)，二灰紅黏土較素紅黏土結(jié)構(gòu)更為致密、細(xì)膩，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)。二灰紅黏土微觀結(jié)構(gòu)中單晶片基本結(jié)構(gòu)單元已很少見(jiàn)，粒團(tuán)表面覆蓋一層膠結(jié)物質(zhì)，該膠結(jié)物質(zhì)將土體骨架粒團(tuán)內(nèi)部孔隙填充，黏結(jié)在粒團(tuán)表面，同時(shí)將相鄰粒團(tuán)連結(jié)在一塊，且連結(jié)強(qiáng)度大，使得構(gòu)成骨架的粒團(tuán)之間穩(wěn)固連結(jié)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易失穩(wěn)。并且從圖9中可以看出，整個(gè)骨架完整性很好，十分密實(shí)且黏結(jié)充分，相比素紅黏土及粉煤灰紅黏土，二灰紅黏土顆粒骨架孔隙更少，在相同二灰摻量條件下，可以發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)齡期14 d的比養(yǎng)護(hù)7 d的孔隙明顯要少很多，結(jié)構(gòu)更為致密，凝膠體對(duì)礦物的包裹黏結(jié)更加充分，整體類似被擠壓，骨架更加密實(shí)、穩(wěn)定。

圖8 摻入粉煤灰不同齡期下紅黏土電鏡掃描圖Fig.8 Map of electron microscope for the fly ash red clay with different curing periods

圖9 摻入二灰不同齡期下紅黏土電鏡掃描圖Fig.9 Map of electron microscope for the lime fly ash red clay with different curing periods

4 結(jié)論

(1)紅黏土中摻入粉煤灰可以提高紅黏土的抗剪強(qiáng)度，但超過(guò)一定量(18%粉煤灰摻量)反而會(huì)減小紅黏土黏聚力。各摻量粉煤灰紅黏土隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，土體內(nèi)摩擦角變大，抗剪強(qiáng)度呈先增后緩趨勢(shì)。

(2)二灰改良紅黏土強(qiáng)度效果顯著，早期強(qiáng)度劇增；在養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，二灰紅黏土抗剪強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)而大幅增加，二灰紅黏土黏聚力隨二灰摻量呈先增后變緩趨勢(shì)。二灰對(duì)紅黏土強(qiáng)度的改良效果好于粉煤灰，且粉煤灰改良效果較二灰改良具有滯后性。

(3)粉煤灰紅黏土的壓縮模量與齡期呈正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，壓縮模量越大。

(4)二灰改良紅黏土效果顯著，各二灰摻量紅黏土壓縮模量增大明顯，在不同摻量和齡期條件下，二灰改良紅黏土的壓縮模量為素紅黏土的壓縮模量2～3.67倍。

(5)電鏡掃描表明，紅黏土中隨粉煤灰和二灰的加入，微觀結(jié)構(gòu)中骨架孔隙更少，顆粒自由度更受限制，結(jié)構(gòu)更加致密、穩(wěn)定。

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責(zé)任編輯：張明霞

Effect of the fly ash and lime fly ash on the mechanicalproperties of red clay in Guilin

LIU Zhikui1,2, GUO Tong1,2, WANG Jian1,2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,Guilin,Guangxi541004,China; 2.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China)

To examine the improvement effect the content and curing time of fly ash and lime fly ash on the red clay in Guilin, the direct shear tests, oedometer tests and Scanning Electron Microscope tests are conducted. The mixture of fly ash can improve the shear strength of the red clay. After over a certain amount (18% fly ash content), the cohesion of the red clay reduces. With the prolonging of the curing time, the shear strength of the red clay with different content of fly ash increases first and then increases slowly, The shear strength of lime-fly ash red clay improves rapidly in the early stage, and increases intensely with the prolonging of the curing time. The cohesive strength of the lime-fly ash red clay increases first and then decreases with the increasing lime-fly ash content. The modulus of compressibility of the red clay increases with the mixing of fly ash and lime fly ash and increases gradually with the prolonging of the curing time. With the addition of fly ash and lime, a series of physical and chemical reactions occur in the red clay. Analysis of the micro-structure show that the pores in the soil decreases, and the structure is better than the that of the plain red-clay.

fly ash; lime fly ash; sheer strength; compressibility; micro-structure

2016-09-10;

2016-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51169004)；廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助(2012GXNSFGA060001)；廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助(2015-A-01)

劉之葵(1968-),男,博士(后),教授,博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程、地質(zhì)工程專業(yè)的教學(xué)與科研工作。 E-mail:liuzhikui@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.13

U411.3; TU446

A

1000-3665(2017)03-0086-07