石灰改良紅粘土物理性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)研究

張 吉，董家興，徐光黎，曹紫超

(1.曲靖師范學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，云南 曲靖 655011；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

紅粘土屬特殊巖土體，廣泛分布于我國(guó)南方地區(qū)，具有高液限、高塑限、高天然含水率、吸水膨脹、失水收縮的特征，屬于膨脹土，在路基工程中難以壓實(shí)，不得直接用做路基填料，需進(jìn)行改良或換填.武漢市地鐵11號(hào)線長(zhǎng)嶺山車輛段附近分布有大量紅粘土，路基最高填方約為20m，為保證廠區(qū)填挖平衡需用紅粘土做填料，擬采用石灰改良.紅粘土改良后作為路基材料研究主要集中在改良材料、微觀形貌、作用機(jī)理等方面.王奕博等[1]評(píng)價(jià)了不同含水量條件下礦粉加固紅粘土效果.陳佳雨等[2]研究了纖維含量及長(zhǎng)度對(duì)紅粘土強(qiáng)度的影響，并用掃描電子顯微鏡(SEM)研究了纖維改良紅粘土機(jī)理.劉之葵等[3]研究了水泥含量和固化時(shí)間對(duì)桂林紅粘土強(qiáng)度的影響.相比礦粉及纖維等改良材料，石灰具有材料價(jià)格低廉、環(huán)境友好、原料易獲取、施工工藝成熟的特點(diǎn).余佳興[4]采用不同摻量石灰、砂土改良紅粘土，并將其改良效果作對(duì)比.譚羅榮等[5]研究了某類紅粘土工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)，并提出了一種土體凝膠膠結(jié)結(jié)構(gòu)模型.萬(wàn)智等[6]研究了石灰、砂土、石灰和砂土三種材料對(duì)紅粘土壓實(shí)效果的影響.劉磊等[7]研究了0%、2%、4%、6%四種石灰摻量下江西紅粘土物理性質(zhì)[7].我國(guó)在新長(zhǎng)鐵路及312國(guó)道中，分別用5%、6%摻量石灰改良沿線膨脹土[8].

綜上，國(guó)內(nèi)外研究關(guān)于如何確定最優(yōu)石灰摻量比報(bào)道較多，對(duì)不同石灰摻量下紅粘土物理力學(xué)性質(zhì)報(bào)道較少，對(duì)石灰摻量與紅粘土物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律報(bào)道則更少，而這是揭示石灰改良紅粘土強(qiáng)度演化的關(guān)鍵.本研究通過(guò)設(shè)計(jì)不同石灰摻量紅粘土水理性質(zhì)及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，并結(jié)合SEM試驗(yàn)，從宏微觀角度分別研究改良紅粘土強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程及機(jī)理，得出一些有益的結(jié)論，對(duì)路基工程領(lǐng)域紅粘土改良提供經(jīng)驗(yàn)參考.

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

為使試驗(yàn)具有代表性、可重復(fù)性、可對(duì)比性，試驗(yàn)所用紅粘土取自武漢市地鐵11號(hào)線長(zhǎng)嶺山車輛段，紅褐色，局部夾少量灰?guī)r碎塊，為典型的南方紅粘土.紅粘土取回后，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得物理參數(shù)表如表1所示.通過(guò)X衍射試驗(yàn)半定量分析，測(cè)定紅粘土礦物成分.結(jié)果表明，紅粘土中蒙脫石含量為22.6%，伊利石含量37.42%，高嶺石含量14.45%，石英含量22.7%，方解石含量1.03%，黃鐵礦含量1.72%.通過(guò)自由膨脹率試驗(yàn)，紅粘土自由膨脹率為66.7%.按鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定[9]，長(zhǎng)嶺山車輛段紅粘土填料為D類填料.按鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)分類[10]，此處紅粘土具有中等膨脹潛勢(shì)，不得直接填筑，需改良或換填.

表1 紅粘土基本物理性質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

以干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，定義石灰摻量為石灰與干土質(zhì)量百分比，定義含水率為水與干土質(zhì)量百分比.石灰摻量設(shè)定為0%、1%、3%、5%、7%、9%六種值.

采用塑液限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)量紅粘土塑液限值，儀器型號(hào)LP-100D，試驗(yàn)所用圓錐重76g.采用量筒測(cè)量自由膨脹率值，量筒容量50ml.為模擬石灰改良土養(yǎng)生過(guò)程，將紅粘土烘干至恒重，碾碎過(guò)0.5mm篩.按試驗(yàn)配比配制土膏，將土膏裝入塑料袋悶樣3d，讓石灰和紅粘土充分反應(yīng).悶樣結(jié)束后，將土膏烘干至恒重，碾細(xì)再過(guò)0.5mm篩，測(cè)量塑液限值及自由膨脹率值.

紅粘土擊實(shí)試驗(yàn)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)進(jìn)行，試驗(yàn)所用儀器為重型擊實(shí)儀，儀器型號(hào)STJ-Ⅱ.

采用直剪試驗(yàn)方法研究石灰摻量與紅粘土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，儀器采用ZJY-2型應(yīng)變直剪儀.制樣環(huán)刀內(nèi)徑61.8mm，高20mm.試樣含水率35%，齡期7d，干密度1.4g·cm-1，設(shè)立6組對(duì)比試驗(yàn)，摻灰率設(shè)定為0%，1%，3%，5%，7%，9%.在樣品上記錄下制樣時(shí)間、摻灰率等信息，將樣品放置于保濕缸中養(yǎng)護(hù)7d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束取出進(jìn)行直剪試驗(yàn).垂直壓力按100kPa、200kPa、300kPa、400kPa施加[11].

采用X衍射試驗(yàn)測(cè)定紅粘土礦物成分，儀器型號(hào)D8-FOCUS，產(chǎn)地德國(guó).采用電鏡掃描儀器研究紅粘土微觀結(jié)構(gòu)，儀器型號(hào)Quanta200，荷蘭FEI公司生產(chǎn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物理性質(zhì)

通過(guò)液塑限試驗(yàn)，測(cè)得不同石灰摻量紅粘土液塑限值并計(jì)算塑性指數(shù).如圖1所示，石灰摻量由0%增至9%，紅粘土液限及塑限先是有所降低，然后有所回升，變化幅度較小，規(guī)律性不強(qiáng).石灰并不能大幅降低紅粘土液塑限值，這與文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果一致.

圖1 塑液限曲線

如圖2所示，石灰摻量小于3%，紅粘土自由膨脹率隨石灰摻量增加迅速衰減，石灰摻量大于3%，自由膨脹率衰減變緩.石灰摻量超過(guò)7%，紅粘土自由膨脹率隨石灰摻量增加反而有所回升.紅粘土黏粒周圍吸附有大量Na+、K+水化陽(yáng)離子，石灰與水作用電解產(chǎn)生的Ca2+將低價(jià)Na+、K+置換出，紅粘土膨脹性降低.離子交換作用程度是有限的，當(dāng)Na+、K+置換完畢后，過(guò)量石灰產(chǎn)生的Ca2+反而增大紅粘土膨脹性.

圖2 自由膨脹率曲線

如圖3、圖4所示，改良紅粘土最優(yōu)含水率隨石灰摻量增加而增加，石灰摻量由0%增加至9%，紅粘土最優(yōu)含水率由24.61%增至29.01%.紅粘土最大干密度隨生石灰增加而減小，石灰摻量由0增加至9%，紅粘土最大干密度由1.641g/cm3降低至1.551g/cm3.紅粘土具有高天然含水率，加入石灰后紅粘土最優(yōu)含水率升高，有利于施工含水率控制.試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，加入石灰后，紅粘土產(chǎn)生“砂化”效應(yīng)，更易壓實(shí)，有效克服了碾壓過(guò)程中的“橡皮土”現(xiàn)象.

圖3 擊實(shí)曲線

圖4 干密度和含水率曲線

2.2 力學(xué)試驗(yàn)

分析直剪試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，摻灰率小于3%，隨摻灰率增加，紅粘土剪應(yīng)力上升迅速，摻灰率大于3%，剪應(yīng)力上升速率變緩.如圖5所示，以垂直壓力400kPa為例，摻灰率由0%增至3%，紅粘土抗剪強(qiáng)度由110.49kPa增至638.18kPa，增長(zhǎng)4.78倍；摻灰率由3%增加至9%，紅粘土抗剪強(qiáng)度由638.18kPa增至735.33kPa，增長(zhǎng)0.15倍.

圖5 抗剪強(qiáng)度曲線

利用土體抗剪強(qiáng)度庫(kù)倫公式求出不同摻灰率土體抗剪強(qiáng)度參數(shù).如圖6所示，摻灰率小于3%，紅粘土內(nèi)聚力增長(zhǎng)迅速，摻灰率大于3%，紅粘土內(nèi)聚力增長(zhǎng)變緩.摻灰率由0%增加至3%，紅粘土內(nèi)聚力由36.20kPa增加至256.27kPa，增長(zhǎng)6.08倍；摻灰率由3%增加至9%，紅粘土內(nèi)聚力由256.27kPa增加至360.05kPa，增長(zhǎng)0.40倍.

圖6 內(nèi)聚力曲線

如圖7所示，摻灰率小于3%，紅粘土內(nèi)摩擦角隨摻灰率增加迅速上升；摻灰率大于3%，紅粘土內(nèi)摩擦角反而降低.摻灰率由0%增加至3%，紅粘土內(nèi)摩擦角由10.15°增加至44.99°，增加了4.43倍；摻灰率由3%增加至9%，紅粘土內(nèi)摩擦角由44.99°降至42.32°.

圖7 內(nèi)摩擦角曲線

3 微觀試驗(yàn)

紅粘土中加入石灰后，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，無(wú)法從宏觀角度解釋其強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理，需從微觀角度做出解釋[12-17].選擇以石灰摻量3%紅粘土為研究對(duì)象，采用電鏡掃面研究其微觀結(jié)構(gòu)，并將其與未改良紅粘土微觀結(jié)構(gòu)作對(duì)比.

電鏡掃描樣采用環(huán)刀制樣，環(huán)刀內(nèi)徑61.8mm，高20mm.制樣含水率w=35%，石灰摻量設(shè)為0%和3%，干密度ρd=1.4g·cm-1，養(yǎng)護(hù)7d.SEM試驗(yàn)前，用鑷子將紅粘土試樣掰斷，留下粗糙新鮮斷面，以便觀察紅粘土顆粒表面形態(tài).

如圖8所示，石灰摻量為0%，土樣破裂面整齊，礦物顆粒之間存在貫通裂隙，礦物顆粒排列整齊，呈層狀排列，由結(jié)晶較大的層狀粘土礦物晶片以面面接觸形式疊聚而成板狀集合體，邊界清晰[18].石灰摻量為3%，土樣破裂面粗糙，存有大量團(tuán)聚狀礦物顆粒，顆粒之間無(wú)貫通空隙.礦物顆粒排列無(wú)序，卷曲的粘土礦物晶片通過(guò)邊面、面面接觸形成不規(guī)則的聚集體，晶界不清晰，骨架之間無(wú)貫通裂隙，但粒間孔隙發(fā)達(dá)[18].

加入摻量3%的石灰，紅粘土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，破裂面土顆粒由層狀排列變?yōu)閳F(tuán)聚狀排列.石灰水化生成的Ca(OH)2與紅粘土中大量存在的活性硅、活性鋁在堿性條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝材料，加大了土顆粒之間的連接強(qiáng)度，土顆粒移動(dòng)需克服更大粘聚力及摩擦力.化學(xué)反應(yīng)作用程度是有限的，當(dāng)石灰摻量大于3%，過(guò)量石灰水化后形成一層微晶或非晶Ca(OH)2膜，這層膜會(huì)阻礙土顆粒之間接觸，反而降低了紅粘土內(nèi)摩擦角.

(a)石灰摻量0% (b)石灰摻量3%

4 結(jié) 論

本研究以紅粘土為研究對(duì)象，采用X衍射試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、自由膨脹試驗(yàn)、塑液限試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)研究了0%、1%、3%、5%、7%、9%石灰摻量下紅粘土物理力學(xué)性質(zhì).通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，可得出主要結(jié)論：(1)3%摻量石灰可將紅粘土自由膨脹率由66.7%降低至32.5%.(2)在含水率為35%，干密度1.4g·cm-1，養(yǎng)護(hù)齡期7d的控制條件下，摻灰率由0%增加至3%，紅粘土的粘聚力由36.19kPa增至256.27kPa，增長(zhǎng)6.08倍，內(nèi)摩擦角由10.15°增至44.99°，增長(zhǎng)3.43倍；摻灰率由3%增至9%，紅粘土粘聚力由256.27kPa增加至360.05kPa，增長(zhǎng)0.40倍，內(nèi)摩擦角由44.99°降至42.32°.(3)3%摻量的石灰與紅粘土化學(xué)反應(yīng)最充分，也是紅粘土抗剪強(qiáng)度的突變點(diǎn)；通過(guò)SEM試驗(yàn)研究了0%及3%石灰摻量下紅粘土微觀形貌；石灰水化生成的Ca(OH)2與紅粘土中大量存在的活性硅、活性鋁在堿性條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膠凝材料，改變了土顆粒接觸形態(tài)，加大了土顆粒之間的連接強(qiáng)度.

在石灰改良紅粘土工程實(shí)踐中，采用3%石灰摻量可以取得較好的物理力學(xué)改良效果，過(guò)量生石灰反而降低紅粘土內(nèi)摩擦角，增大其膨脹性.與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)所采用的5%、6%石灰摻量相比，3%的石灰摻量具有較好的經(jīng)濟(jì)性.