不同改良劑對紅黏土液塑限的影響研究

任寶行

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

0 引言

紅黏土作為一種特殊土，廣泛分布于我國南方地區(qū)，占我國國土面積的十分之一[1-3]。其特殊性在于，紅黏土具有較好的力學性能，能夠符合路基填料的要求，但是由于紅黏土中含有高嶺石、蒙脫石和伊利石等親水礦物[4]，使其具有高含水率、高液限和高塑性指數(shù)等不良物理性質(zhì)，這些不良物理性質(zhì)會導致土顆粒中儲存過多的水，降低紅黏土的強度，實際工程中土樣壓實困難[5]，但是隨著公路建設項目的增多，在工程中，不可避免地會遇到紅黏土，因此在保持紅黏土原有力學特性的基礎上，改善其親水特性以提高紅黏土的路用性能具有研究意義。液塑限包括液限(wL)、塑限(wP)和塑性指數(shù)(IP)，三者可以反映土顆粒對水的靈敏性，微觀上可以反映土顆粒間結(jié)合水膜的厚度，三者可以聯(lián)合評價土的親水性能[6]。

基于此，選擇石灰、粉煤灰、玄武巖纖維和氯化鎂四種改良劑，通過界限含水率試驗，將四種改良劑改良后紅黏土的液限、塑限和塑性指數(shù)與原土作比較，評價四種改良劑對紅黏土親水特性的改良效果，以期為實際公路工程提供指導。

1 試驗簡介

1.1 試驗材料

試驗紅黏土取自福建省三明將樂動車站附近，通過界限含水率試驗可知，該場地紅黏土塑限32.10%、液限63.56%、塑性指數(shù)31.46。因為液限>50%、塑性指數(shù)>26，故該場地紅黏土屬于高液限土。改良材料選擇氯化鎂、石灰、粉煤灰和玄武巖纖維。

1.2 試驗方案

本試驗改良劑摻量均是用占干土質(zhì)量確定，其中氯化鎂、石灰和粉煤灰摻量取0%、2%、4%、6%、8%。由于過量的纖維會阻礙土顆粒之間的聯(lián)結(jié)，從而降低紅黏土的強度[7]，故玄武巖纖維摻量取0%、1%、2%、3%、4%。將紅黏土風干碾碎，過0.5mm篩，每組界限含水率試驗需要配置三個不同含水率的土樣，每份土樣需用土200g，按規(guī)定摻量加入改良劑，與土均勻拌和，最后加入相應質(zhì)量的自來水拌和均勻后裝入袋子悶料18h以上。上述步驟完成后，根據(jù)《土工試驗方法標準》[8](GB/T 50123—2019)中的液塑限聯(lián)合測定法進行試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同改良劑對紅黏土液塑限的影響分析

界限含水率試驗結(jié)果如表1～表4所示。

表1 氯化鎂摻量對紅黏土界限含水率的影響

表2 石灰摻量對紅黏土界限含水率的影響

表3 粉煤灰摻量對紅黏土界限含水率的影響

表4 玄武巖纖維摻量對紅黏土界限含水率的影響

由表1～表4可知：

(1)紅黏土的塑限、液限和塑性指數(shù)均隨著氯化鎂摻量的增加而減少。當氯化鎂摻量為6%時，紅黏土的液限46.12%<50%，塑性指數(shù)23.72<26，此時改良土已經(jīng)不屬于高液限土，可以應用于實際公路建設中。

(2)紅黏土的塑限隨著石灰摻量的增加而增大，紅黏土的液限和塑性指數(shù)隨著石灰摻量的增加而減少。雖然當石灰摻量為4%時，紅黏土的塑性指數(shù)23.73<26，但是紅黏土的液限依舊大于50%，屬于高液限土的范疇。

(3)紅黏土的塑限、液限隨著粉煤灰摻量的增加而減少，但是由于液限降低幅度遠小于塑限降低幅度，故塑性指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。當粉煤灰摻量為8%時，塑性指數(shù)達到36.82，比原狀土增加了17.04%。

(4)紅黏土的塑限隨著玄武巖纖維的增加而增加，液限和塑性指數(shù)隨著玄武巖纖維的增加而減少。當玄武巖纖維摻量為3%時，其塑性指數(shù)25.63<26，但是液限>50%，屬于高液限土范疇。

綜上所述，四種改良劑在不同程度上均能降低紅黏土的液限，改善其親水性能，但是使用石灰、玄武巖纖維和粉煤灰改良后，紅黏土依舊屬于高液限土的范疇，不能直接用于公路建設中，只有氯化鎂改良后的紅黏土的液限<50%、塑性指數(shù)<26，達到了公路建設可用土的要求。

2.2 氯化鎂改良紅黏土液塑限的機理分析

為了更直觀地分析氯化鎂對紅黏土液塑限的影響，將試驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為點線圖，如圖1所示。

圖1 紅黏土液塑限隨氯化鎂摻量變化規(guī)律

由圖1可知，紅黏土液限的降幅遠大于塑限的降幅。當氯化鎂摻量為4%時，紅黏土液限和塑性指數(shù)的降幅達到最大，分別降低了12.88%和17.71%。當氯化鎂摻量為6%，紅黏土依舊不屬于高液限土的范疇，能夠被用于實際工程中。

對氯化鎂改良紅黏土液塑限的機理進行分析：由于紅黏土的礦物成分主要是高嶺石、蒙脫石和伊利石，這些礦物使得土顆粒帶負電荷，氯化鎂在水中會電離高價金屬陽離子Mg2+，這些Mg2+會與紅黏土表面的負電荷產(chǎn)生電中和，大大減少了土顆粒間因為相同負電荷產(chǎn)生的排斥力，土顆粒相互靠近，使得土顆粒間的雙電層厚度逐漸變薄(如圖2所示)，土顆粒的結(jié)合水膜變薄，紅黏土的持水能力大大減弱，最終使得紅黏土的液限大幅度降低。

3 結(jié)論

通過四種改良劑對紅黏土液塑限的影響分析得到以下結(jié)論：

(1)四種改良劑均能降低紅黏土的液限，對紅黏土的親水性能起到改善作用，但是氯化鎂的改良效果最優(yōu)。

圖2 Mg2+壓縮雙電層示意圖

(2)當氯化鎂摻量為6%時，三明將樂取土場地紅黏土已經(jīng)不屬于高液限土的范疇，可以直接應用于實際公路工程。

(3)氯化鎂能夠電離出Mg2+，能夠壓縮土顆粒間雙電層厚度，從而減少土顆粒結(jié)合水膜的厚度，使紅黏土由親水性轉(zhuǎn)化為疏水性。在道路工程中從經(jīng)濟效益方面考慮可以選擇6%摻量的氯化鎂對紅黏土進行改良。