改良紅黏土復(fù)合材料的路用性能試驗(yàn)研究

楊興之

（貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550081）

0 引言

紅黏土是碳酸鹽巖在熱帶、亞熱帶環(huán)境條件下的風(fēng)化產(chǎn)物，也稱為碳酸鹽紅色風(fēng)化殼或碳酸鹽巖紅土，呈棕紅、褐黃色的特殊土體，具有的高塑性、高液限、高孔隙比、明顯脹縮不可逆性等特性[1]。在貴州多雨的氣候環(huán)境下，紅黏土的親水性，脹、縮性等，暴露出水穩(wěn)性差、反射裂縫大的破壞性工程特點(diǎn)，其強(qiáng)度等材料力學(xué)性能無法滿足建筑材料的要求。因此，為滿足實(shí)際工程生產(chǎn)的需要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅黏土進(jìn)行了改良。文江泉等[2]、劉寶臣等[3]、李曉全等[4]研究了水泥加固紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及增長(zhǎng)機(jī)理，給出了不同摻量、不同齡期水泥土之間的強(qiáng)度推算公式，研究了其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理。吳瑞潛等[5]通過對(duì)土體中加入水泥和粉煤灰或其他混合料，基于各類室內(nèi)試驗(yàn)，研究了粉煤灰對(duì)土體強(qiáng)度及含水量的影響，探討了水泥和粉煤灰加固紅黏土的機(jī)理。上述研究成果為紅黏土的改良奠定了良好的基礎(chǔ)，但研究?jī)?nèi)容還不夠全面，存在一定局限，仍有許多改良紅黏土的路用力學(xué)性能問題需進(jìn)一步深入研究。

本文以粒化礦渣、粉煤灰、硅酸鹽水泥、硅灰等多粒徑摻合料為固化劑對(duì)天然紅黏土進(jìn)行改良，研究改良紅黏土復(fù)合材料的路用特性。試驗(yàn)采用5 組不同固化劑摻量（質(zhì)量百分比分別為0%、3%、5%、9%、13%）的紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行試驗(yàn)，包括對(duì)其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、回彈試驗(yàn)、CBR 試驗(yàn)、抗沖刷試驗(yàn)，分析不同摻量下的紅黏土復(fù)合材料最大干密度、最優(yōu)含水量、變形參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)、抗沖刷能力等指標(biāo)的變化規(guī)律，為改良紅黏土復(fù)合材料作為道路路面材料工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 原狀紅黏土基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)土樣為貴陽市的殘積紅黏土，其母巖為白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖，原狀紅黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)為：含水量59.5%，容重16.9kN/m3，比重2.75，孔隙比1.60，飽和度102.3%，液限89.0%，塑限52.0%，塑性指數(shù)37.0，液性指數(shù)0.2。

由此可看出，原狀紅黏土具有黏粒多、含水率高、飽和度高、液限高等對(duì)工程穩(wěn)定不利的特點(diǎn)，必須對(duì)其進(jìn)行改良處理才能作為道路材料。

2 改良紅黏土復(fù)合材料組成

路用改良紅黏土復(fù)合材料主要由基材和固化劑按一定配比拌制而成。基材主要為就地取材的紅黏土，固化劑由摻合料（?；V渣、粉煤灰、硅酸鹽水泥、硅灰）、膨脹劑、堿性激發(fā)劑、聚合物按一定質(zhì)量配比組成，各單元材料通過正交試驗(yàn)獲得紅黏土固化劑最優(yōu)配合比。

3 紅黏土復(fù)合材料路用性能改良試驗(yàn)

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

對(duì)5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在不同齡期（7d、28d、60d）條件下進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及變化規(guī)律見圖1、圖2。

圖1 不同固化劑摻量下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 不同固化劑摻量下的壓縮變形量

由圖1 可見，隨固化劑摻量的增加，在摻入劑量為3%、5%時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度稍有下降，隨后迅速增加，未摻入固化劑的自然紅黏土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎保持不變。就摻入9%固化劑的復(fù)合材料來說，在養(yǎng)護(hù)7d 時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)為2.1MPa，相比較未摻入固化劑的試樣增加了37.7%；養(yǎng)護(hù)28d 后固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)到2.28MPa；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到60d 其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為未摻入固化劑試樣的1.6 倍。整體而言，在固化劑摻量達(dá)到一定程度時(shí)，紅黏土復(fù)合材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加以及養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷提高。

在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，不同固化劑摻量、不同齡期的改良紅黏土復(fù)合材料試樣在軸向的變形見圖2?？梢钥闯觯g期28d 后，試樣水穩(wěn)性能增加較迅速但未達(dá)到完全穩(wěn)定，說明固化劑與土的膠結(jié)作用仍在進(jìn)行。對(duì)于同一齡期的試樣，隨固化劑摻量的增加，變形減少先快后慢，說明固化劑用量可以限制在某一范圍。從原理上來講，固化劑使試樣的剛性迅速增加，從而使應(yīng)力能迅速傳遞，抵抗變形的能力增強(qiáng)。

3.2 抗剪強(qiáng)度

對(duì)5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在7d 齡期條件下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值見表1。

表1 不同固化劑摻量下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表1 可見，固化劑摻量較低時(shí)（3%、5%），試樣的內(nèi)摩擦角與未摻入固化劑的土樣相比有小幅度提高，黏聚力有所降低，其抗剪強(qiáng)度也略有降低，但在固化劑相同摻量時(shí)，抗剪強(qiáng)度仍隨著正應(yīng)力的提高而增加。當(dāng)固化劑摻量達(dá)到9%、13%時(shí)，試樣的內(nèi)摩擦角降低，黏聚力大幅度提升，抗剪強(qiáng)度與未摻入固化劑試樣相比增加了14%～26%。

研究認(rèn)為，在固化劑摻量較低時(shí)，固化劑顆粒還不足以與混合的紅黏土顆粒并存，而它們之間的黏結(jié)力低于紅黏土顆粒之間的黏結(jié)力，故造成其黏聚力下降。在固化劑摻量較高時(shí)（9%、13%），由于固化劑的膠凝作用，使整個(gè)試樣黏聚力增加，顆粒間的咬合摩擦減小。

3.3 壓實(shí)特性

考慮到紅黏土與固化劑的充分混合反應(yīng)，對(duì)5 組改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 不同固化劑摻量下的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

從圖3 上可以看出：改良紅黏土復(fù)合材料的最大干密度隨固化劑摻量的增加而減小，并向含水量降低方向移動(dòng)，即最優(yōu)含水量逐漸減小，其最大干密度也有所降低。這是由于固化劑顆粒比重較紅黏土顆粒比重輕的緣故。

隨著固化劑摻量的增加，最大干密度降低了0.2%～2%，最優(yōu)含水量降低了1.8%～18.3%，固化劑摻量對(duì)最優(yōu)含水量的影響大于對(duì)最大干密度的影響。隨著固化劑摻量的增加，擊實(shí)曲線逐漸平緩，表明密度隨含水量增大逐漸減小，即土的控制含水量范圍增大，此特點(diǎn)對(duì)于含水量變化較大的紅黏土來說有重要意義。

3.4 回彈特性

對(duì)5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件在7d 齡期條件下進(jìn)行承載板試驗(yàn)，得到荷載回彈變形關(guān)系，進(jìn)而獲得材料回彈模量。試驗(yàn)采用重復(fù)加載法，逐級(jí)加載卸載進(jìn)行?；貜椖Ａ拷y(tǒng)計(jì)值及變化情況見表2。

由表2 可見，回彈模量隨固化劑摻量增加而迅速增大，基本呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。說明摻入適量的固化劑可以迅速調(diào)整改良紅黏土復(fù)合材料由不可恢復(fù)的塑性變形到可恢復(fù)的彈性變形的轉(zhuǎn)變，有利于紅黏土基材工程特性的發(fā)揮。

表2 回彈模量與固化劑摻量的關(guān)系

3.5 CBR 試驗(yàn)

加州承載比是美國(guó)California 州提出的一種評(píng)定材料承載能力的試驗(yàn)方法。CBR 加州承載比是評(píng)定土基及路面材料承載能力的指標(biāo)。

對(duì)5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行CBR 試驗(yàn)測(cè)定，得到不同固化劑摻量下對(duì)應(yīng)的CBR 值，數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 改良紅黏土復(fù)合材料CBR 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為改良紅黏土復(fù)合材料在不同固化劑摻量下的CBR 試驗(yàn)結(jié)果，隨著固化劑量的增加，CBR 值的增加速率比較快（斜率越來越大），表明紅黏土作為路面材料改良效果較好。這就說明了紅黏土中固化劑含量的增加對(duì)紅黏土的承載能力有突出的改良作用，固化劑的加入使得紅黏土的承載能力越來越強(qiáng)。

3.6 抗沖刷能力

對(duì)5 組不同固化劑摻量的改良紅黏土復(fù)合材料試件進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 改良紅黏土復(fù)合材料抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果

改良紅黏土復(fù)合材料表面的沖刷總量與混合料中細(xì)粒部分的含量和細(xì)度有很大關(guān)系。實(shí)際上在沖刷作用中被沖掉的正是粒徑較小的細(xì)顆粒，而且混合料中細(xì)顆粒的含量越多、粒徑越小，復(fù)合材料的沖刷現(xiàn)象越明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞越大。改良紅黏土穩(wěn)定粒料的結(jié)構(gòu)中固化劑與細(xì)顆粒所形成的結(jié)合物填充在粗顆粒之間并將粗顆粒黏結(jié)在一起，構(gòu)成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇到的沖刷作用到一定程度時(shí)，這些較大的粗顆粒又保護(hù)細(xì)顆粒免受過度的沖刷，使得沖刷作用減緩。

根據(jù)圖5 抗沖刷性能試驗(yàn)結(jié)果，可以看出：影響改良紅黏土復(fù)合材料抗沖刷性能的材料組成因素主要是固化劑摻量，隨著固化劑摻量增加，復(fù)合材料抗沖刷能力迅速增強(qiáng)；從機(jī)理上看，抗沖刷性能主要取決于其中固化顆粒骨架網(wǎng)在空間的分布密度，網(wǎng)的密度增加，抗沖刷性能增強(qiáng)，并與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性大。

4 結(jié)語

通過對(duì)改良紅黏土復(fù)合材料進(jìn)行各項(xiàng)路用特性試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論。

（1）改良紅黏土復(fù)合材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加先減小后增大，當(dāng)含量高于5%時(shí)，其強(qiáng)度開始增長(zhǎng)，說明固化劑摻量高于5%時(shí)有利于提高試樣強(qiáng)度。

（2）改良紅黏土復(fù)合材料的最大干密度隨固化劑摻量的增加而逐漸減小，壓實(shí)性能逐漸增強(qiáng)。

（3）隨著固化劑摻量的增大，改良紅黏土復(fù)合材料的回彈模量、CBR、抗沖刷能力迅速增大，實(shí)現(xiàn)了由塑性材料向彈性材料路用工程特性的轉(zhuǎn)變。

（4）路用改良紅黏土復(fù)合材料技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)環(huán)境效益，為改良紅黏土作為道路路面材料提供了工程設(shè)計(jì)與施工的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。