石灰作用下桂林紅黏土的抗剪強(qiáng)度特性研究

葉子明，王瑜，利鈺連

（柳州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545000）

0 引言

紅黏土是由碳酸鹽巖經(jīng)過紅土化作用而形成的一種土，其中黏粒的含量較高，一般可達(dá)55%～70%，紅黏土主要由高嶺石、伊利石和蒙脫石等黏土類礦物組成，粒度較均勻，分散性較高[1]，主要分布在云南、貴州、廣西、安徽、四川東部等亞熱帶地區(qū)。 由于紅黏土具有特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，因此，許多國家的學(xué)者對(duì)紅黏土進(jìn)行了比較深入的研究[2-4]，我國地域遼闊，紅黏土分布廣泛，國內(nèi)對(duì)紅黏土的研究也較多[5-8]。

紅黏土具有含水率高、孔隙比大、液限高、水穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，公路、鐵路尤其是近年來快速興起的高速鐵路工程很多穿越紅黏土地區(qū)。 若用它作為路基的填筑材料，在旱季和雨季容易產(chǎn)生路基開裂、不均勻沉降等工程問題，給交通安全造成巨大隱患。 因此通過改良紅黏土以提高其土體的強(qiáng)度，對(duì)實(shí)際工程建設(shè)具有重要的意義。關(guān)于紅黏土的改良方面，許多學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。劉寶臣[9]、張?zhí)旒t[10]、盧雪松[11]等主要通過在紅黏土中摻入化學(xué)添加劑（水泥、ISS 固化劑等），研究化學(xué)改良劑對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；楊俊[12]、肖慶一[13]、龐邦輝[14]等加入物理添加劑（風(fēng)化砂、聚丙烯纖維、輪胎橡膠等）來研究改良土強(qiáng)度特性與摻入比例之間的關(guān)系，分析了改良劑對(duì)紅黏土的強(qiáng)度增長機(jī)理。

由于石灰在工程應(yīng)用中比較常見，來源較廣，取材方便，一些學(xué)者通過摻入石灰[15-17]來研究對(duì)紅黏土強(qiáng)度的改變機(jī)理。 但是研究內(nèi)容主要集中在添加劑、改良劑等單一因素對(duì)土體宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，針對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)之間的影響關(guān)系鮮有涉及。本文以桂林地區(qū)的紅黏土為研究對(duì)象，將石灰按不同比例摻入紅黏土中，控制含水率進(jìn)行快剪試驗(yàn)，研究石灰改良桂林紅黏土抗剪強(qiáng)度的變化特征，確定石灰改性黏土的最佳摻量范圍及最佳含水率范圍，可為紅黏土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所需的紅黏土取自桂林市臨桂區(qū)某工地，土樣顏色呈棕紅色，稍濕，土質(zhì)較均勻，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，測定其基本物理性質(zhì)為：液限WL=64 %，塑限WP=45%，塑性指數(shù)IP=19，土粒比重GS=2.75，基本性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 紅黏土的基本物性指標(biāo)表

本試驗(yàn)所用石灰為桂林靈川縣金山灰鈣粉廠生產(chǎn)，質(zhì)量等級(jí)為一等品，其中CaO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%，細(xì)度為0.125mm，試驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)儀器及方案

本次試驗(yàn)中所采用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀 （四聯(lián)剪）。桂林地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，結(jié)合桂林地區(qū)的氣候條件以及工程實(shí)際，本試驗(yàn)通過以含水率與石灰摻入比（石灰與紅黏土質(zhì)量之比）為控制變量，設(shè)定石灰摻入比為0%、3%、5%、7%、9%，含水率為28%、32%、36%、40%。 按不同含水率將試驗(yàn)分為4個(gè)大組，再以不同石灰摻入比為控制變量將每個(gè)大組分為5 個(gè)小組，每個(gè)小組有4 個(gè)試件，共80 個(gè)試件。 每個(gè)小組的4 個(gè)試件分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的垂直壓力下進(jìn)行快剪試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 試樣方案變量控制表

1.3 試驗(yàn)流程

（1） 將取回的土樣自然風(fēng)干，將其碾碎過2mm 篩。

（2） 按照不同的石灰配比與制備好的紅黏土拌勻，然后分別按照不同的含水率往拌勻的石灰土樣加入蒸餾水再次攪拌均勻，隨后將制備好的石灰土樣放入保鮮袋中密封24h，再將密封好的石灰土樣用千斤頂按照90%的壓實(shí)度制備環(huán)刀樣，環(huán)刀尺寸為61.8×20mm，為防止水分蒸發(fā)，將制備好的環(huán)刀樣用保鮮膜密封，將配好的土樣放入室內(nèi)陰暗不通風(fēng)的地方靜置，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7天，溫度一般為（23±2）℃。

（3） 經(jīng)過7 天養(yǎng)護(hù)期之后，取出土樣在四聯(lián)剪儀上進(jìn)行快剪試驗(yàn)。 分別施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的上覆垂直壓力，并保持0.8mm/min 的勻速剪切速率，直至土樣剪切破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次直接剪切試驗(yàn)按照 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行，按不同石灰摻入比和不同含水率共20 個(gè)小組試驗(yàn)，通過圖表分析來大致確定最佳摻入比及最佳含水率。 不同石灰摻入比和不同含水率相對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角和粘聚力關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果如圖1—圖4 所示。

通過試驗(yàn)結(jié)果（圖1—圖4）分析可以得出以下結(jié)論：石灰土的抗剪強(qiáng)度受到石灰摻入比、含水率的影響，隨石灰摻入比的增大，石灰土的內(nèi)摩擦角一直增大，而粘聚力先增大后減小；在相同石灰摻入比條件下，石灰土的內(nèi)摩擦角和粘聚力都隨著含水率的增大先增大后減小。

2.1 石灰對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響結(jié)果

在相同含水率條件下，石灰土的內(nèi)摩擦角隨石灰摻入比的增大而增大；粘聚力隨著石灰摻入比的增大先增大后減?。▓D1、圖2）。 由圖1 分析可知，在相同含水率（28%、32%、36%、40%）下，在紅黏土中摻入不同量的石灰（3%、5%、7%、9%），隨著石灰含量的提高，紅黏土的內(nèi)摩擦角也隨之增大，從35.2°提升到了61.1°。 由圖2 分析可知，石灰摻入比在7%時(shí)紅黏土的粘聚力達(dá)到了峰值，且含水率為28%時(shí)石灰土的粘聚力最大，粘聚力為265.8kPa。 從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石灰摻入比為3%時(shí)，與未摻石灰的紅黏土的粘聚力比較增加并不明顯，究其原因是試驗(yàn)中石灰摻入量比較少，紅黏土與石灰的反應(yīng)不充分，導(dǎo)致紅黏土的粘聚力增加并不是很明顯。 經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，當(dāng)石灰摻入比在7%～9%，含水率在28%～32%的情況下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1 內(nèi)摩擦角與石灰摻入比的關(guān)系圖

圖2 粘聚力與石灰摻入比的關(guān)系圖

圖4 粘聚力與含水率的關(guān)系圖

2.2 石灰對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度的影響機(jī)理

由圖1 和圖2 可知，在相同含水率條件下，石灰土的抗剪強(qiáng)度隨石灰摻入比（一定范圍內(nèi)）的增大而增大。 分析原因如下：

（1） 紅黏土的抗剪強(qiáng)度大小與土粒間結(jié)合水膜厚度有重要關(guān)系，當(dāng)紅黏土摻入石灰后，一方面由于離子交換的作用，使吸附在黏土顆粒表面的水膜厚度變薄，促使土粒凝聚形成了穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，另一方面由于石灰與水在硬化過程中形成Ca(OH)2膠體，膠結(jié)作用令土粒形成整體，從而使石灰土抗剪強(qiáng)度提高；

（2） 在紅黏土中摻入石灰后，新形成了針狀或片狀晶體，聯(lián)結(jié)在黏土團(tuán)粒的表面，形狀清晰可見，如圖5、圖6 所示。 究其原因，由于石灰的主要成分為氧化鈣(CaO)，遇水后發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化鈣[CaO+H2O=Ca(OH)2]，生成的Ca(OH)2易與空氣中的CO2反應(yīng)生成碳酸鈣晶體，反應(yīng)方程式為Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。 隨著石灰摻量的增加，石灰的水化產(chǎn)物CaCO3晶體從黏土表面中結(jié)晶出來，土顆粒之間的連接從柔性連接轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂赃B接，形成針狀或片狀晶體，在集合體中起著“加筋”作用。 在宏觀上來說，土顆粒的“加筋”作用使紅黏土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步提高，更加直觀地闡明了石灰土的強(qiáng)度增大機(jī)理。

圖5 石灰摻入比3%的SEM圖片

圖6 石灰摻入比9%的SEM圖片

2.3 含水率對(duì)紅黏土粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響分析

由圖3 和圖4 分析可知，在相同石灰摻入比條件 （3%、5%、7%、9%）下，紅黏土的粘聚力隨含水率增大而減小，內(nèi)摩擦角隨含水率增大先增大后減小。 在含水率為32%左右時(shí)達(dá)到峰值，下面對(duì)此問題進(jìn)行探討。

圖3 內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系圖

2.3.1 含水率對(duì)紅黏土粘聚力的影響分析

由圖4 可知，含水率對(duì)粘聚力的影響作用是非常明顯的，隨著含水率的增大。 石灰土的粘聚力減小，原因分析如下：

（1） 紅黏土的粘聚力主要表現(xiàn)為土粒間的相互引力，紅黏土的顆粒小、比表面積較大，所以粒間的相互吸引能力強(qiáng)，當(dāng)含水率增大時(shí)，黏土的飽和度隨之增大，顆粒間的空隙被水充滿，孔隙水壓力增大，基質(zhì)吸力變小，土粒之間的相互吸引力變小，導(dǎo)致紅黏土的粘聚力下降；

（2） 紅黏土的土粒具有結(jié)合水膜，顆粒間的作用力主要依靠水膜膠結(jié)作用和聯(lián)結(jié)作用，如圖7 所示。因此紅黏土的粘聚力隨著含水量的不同而變化較大，隨著含水率的增加，紅黏土顆粒之間的水膜厚度增大，使土粒間距變大，這時(shí)水膜膠結(jié)作用和聯(lián)結(jié)作用就逐漸減弱，從而使紅黏土的粘聚力隨著含水率的增加而減小。

圖7 紅黏土顆粒結(jié)合水膜示意圖

2.3.2 含水率對(duì)紅黏土內(nèi)摩擦角的影響分析

影響紅黏土內(nèi)摩擦角的主要因素有土的顆粒大小、土的顆粒結(jié)構(gòu)、土的密實(shí)度、土顆粒間的膠結(jié)作用等4 項(xiàng)。 根據(jù)圖3 的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)石灰摻入量在一定范圍內(nèi)時(shí)，紅黏土的內(nèi)摩擦角隨著含水率增大，先是緩慢增加，到達(dá)峰值之后再快速減小。

從得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在含水率較低的情況下，紅黏土中的游離氧化鐵主要以晶體狀態(tài)和膠結(jié)狀態(tài)存在，以膠結(jié)狀態(tài)存在的游離氧化鐵，由于土顆粒的膠結(jié)作用形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有一定的水穩(wěn)性，在一定的含水率范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大緩慢增加；但當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí)，土顆粒的飽和度增加，其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間的孔隙由于水體的充填逐漸增大，團(tuán)粒與團(tuán)粒之間的聯(lián)結(jié)作用降低，宏觀表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小。 通過圖1 與圖3 的對(duì)比，在相同石灰摻入比的情況下，含水率的變化對(duì)其內(nèi)摩擦角的影響比對(duì)粘聚力的影響小。

3 結(jié)論

（1） 在相同含水率的情況下，紅黏土的抗剪強(qiáng)度隨石灰摻入比的增大而增大；石灰摻入比為7%～9%時(shí)，抗剪強(qiáng)度得到了明顯的改善；在相同石灰摻入比的條件下，石灰土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大先增大后減小，在含水率為28%～32%時(shí)，石灰土的抗剪強(qiáng)度較高。

（2） 由于紅黏土的孔隙比大、水穩(wěn)性差，含水率對(duì)紅黏土的內(nèi)摩擦角和粘聚力影響效果明顯，在相同石灰摻入比的情況下，石灰土的含水率在一定范圍內(nèi)，含水率的增大對(duì)其內(nèi)摩擦角的影響比對(duì)粘聚力的影響小。

（3） 通過掃描電鏡SEM 試驗(yàn)結(jié)果分析得到，隨著石灰摻量的增加，紅黏土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土顆粒團(tuán)聚體數(shù)量增多，形成新的針狀或片狀晶體CaCO3體，聯(lián)結(jié)在土顆粒之間。 土顆粒的“加筋”作用使紅黏土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步提高，試驗(yàn)結(jié)果也表明，紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角也隨石灰摻量的增加而增加。

綜上所述，本試驗(yàn)初步研究表明： 當(dāng)石灰的摻入比為7%～9%，含水率為28%～32%時(shí)，石灰土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最佳，工程性質(zhì)相對(duì)較好。 研究結(jié)果可為紅黏土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。