不同改良劑對紅黏土液塑限影響

周代會(huì) 王累 張素華 倪靜 夏照智

摘要 紅黏土是我國南方地區(qū)廣泛分布的一種典型土壤類型，其具有較高的液塑限，不利于土工工程的施工與建設(shè)。為了改善紅黏土的液塑限和加強(qiáng)其力學(xué)性能，近年來研究人員廣泛探索了各種改良劑對紅黏土性質(zhì)的影響。文章將就不同改良劑對紅黏土液塑限的影響進(jìn)行探討與分析，以期為紅黏土的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 紅黏土；不同改良劑；塑限；影響

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0132-03

0 引言

紅黏土在工程建設(shè)中經(jīng)常遇到，由于其含水量高，易流失，影響了土體的穩(wěn)定性和可塑性，因此需要進(jìn)行改良以提高其力學(xué)性能。目前常用的紅黏土改良方法包括添加外部材料來增強(qiáng)它的力學(xué)性能，使其滿足工程設(shè)計(jì)要求。而液塑限則是紅黏土重要的參數(shù)之一，它標(biāo)志著土體力學(xué)性質(zhì)與變形特性，對于工程建設(shè)與設(shè)計(jì)有著重要意義。該文研究了不同改良劑對紅黏土液塑限的影響。實(shí)驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測定法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過控制不同濃度的改良劑添加量，比較了三種改良劑——石灰、水泥和粉煤灰在紅黏土中的表現(xiàn)。結(jié)果表明，三種改良劑均可降低紅黏土的液塑限，提高其可塑性，但效果各不相同。該研究對紅黏土工程建設(shè)具有重要意義，可為工程設(shè)計(jì)和施工提供更有效的材料選擇與技術(shù)支持。

1 不同改良劑對紅黏土液塑限影響意義

紅黏土是一種常見的土壤類型，廣泛分布于我國南方地區(qū)，其土層深厚、孔隙度低、黏性強(qiáng)，因此在土工工程中被廣泛應(yīng)用。然而，由于紅黏土的強(qiáng)度和塑性變化受到許多因素的影響，如水分含量、固結(jié)歷史、土體結(jié)構(gòu)等，因此對于紅黏土的液塑限進(jìn)行研究具有重要的理論和實(shí)際意義。改良劑是一種能夠改善土壤物理性質(zhì)的添加劑，可以改變土壤的力學(xué)性質(zhì)、水力性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，在土工工程中被廣泛應(yīng)用[1]。因此，研究不同改良劑對紅黏土液塑限的影響，有助于優(yōu)化土壤的工程性質(zhì)，提高土壤的可利用性和經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 有助于優(yōu)化土壤的力學(xué)性質(zhì)

紅黏土由于其黏性強(qiáng)，易于發(fā)生塑性變形，因此在土工工程中容易出現(xiàn)塌陷和沉降等問題。而添加改良劑可以改變土壤的力學(xué)性質(zhì)，如增加土壤的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，從而提高土壤的穩(wěn)定性和承載力[2]。此外，改良劑還可以改變土壤的孔隙度和孔徑分布，從而改善土壤的滲透性和排水性。因此，研究不同改良劑對紅黏土力學(xué)性質(zhì)的影響，有助于提高土壤的工程性能和經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 對紅黏土液塑限的影響有助于優(yōu)化土壤的水力性質(zhì)

紅黏土的含水量對其力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性有重要影響，因此研究不同改良劑對紅黏土的水分含量和水力性質(zhì)的影響，有助于優(yōu)化土壤水分管理和保持土壤的穩(wěn)定性。例如，添加石灰可以提高土壤的pH值，從而改善土壤的結(jié)構(gòu)和排水性；添加有機(jī)物質(zhì)可以增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量，從而提高土壤的保水能力和肥力。因此，研究不同改良劑對紅黏土的水力性質(zhì)的影響，有助于優(yōu)化土壤的水分管理和提高土壤的可利用性。

1.3有助于優(yōu)化土壤的化學(xué)性質(zhì)

紅黏土中的礦物組成和化學(xué)成分對其工程性質(zhì)有重要影響，因此研究不同改良劑對紅黏土化學(xué)性質(zhì)的影響，有助于優(yōu)化土壤的化學(xué)性質(zhì)，提高土壤可利用性。例如，添加硅酸鹽可以增加土壤的硅含量，從而提高土壤的抗風(fēng)蝕能力和生物活性；添加磷酸鹽可以提高土壤的磷含量，從而促進(jìn)植物的生長和發(fā)育。因此，研究不同改良劑對紅黏土化學(xué)性質(zhì)的影響，有助于優(yōu)化土壤的化學(xué)性質(zhì)和提高土壤的可利用性。

2不同改良劑對紅黏土液塑限影響研究分析

2.1不同改良劑對紅黏土液塑限的影響

紅黏土液塑限是指紅黏土在一定水分條件下，由可塑性狀態(tài)向液態(tài)流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)。改良劑的作用是通過改變紅黏土的物理和化學(xué)性質(zhì)，從而影響其液塑限。不同的改良劑對紅黏土液塑限的影響如下：

（1）石灰：石灰能夠與紅黏土中的黏土礦物反應(yīng)，形成氫氧化鋁鈣和硅酸鈣等化合物，從而提高紅黏土的穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，降低其液塑限。

（2）水泥：水泥與紅黏土中的黏土礦物反應(yīng)，形成水化硅酸鈣等化合物，能夠提高紅黏土的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性，降低其液塑限。

（3）砂：砂的添加可以改變紅黏土的顆粒組成和結(jié)構(gòu)，提高其排水性和穩(wěn)定性，從而降低其液塑限。

（4）粉煤灰：粉煤灰可以提高土壤的通透性和穩(wěn)定性，同時(shí)還能夠促進(jìn)土壤中鋁離子的沉淀，從而減少其對植物的毒害。

（5）聚合物：聚合物可以與紅黏土中的黏土礦物形成化學(xué)鍵，從而形成一種新的復(fù)合材料，提高其穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，降低其液塑限。

2.2不同類型改良劑的作用機(jī)制和適用范圍

（1）石灰改良劑可以影響紅黏土的液塑限，其作用機(jī)理包括以下幾個(gè)方面：一是石灰與黏土顆粒中的氫氧化鋁反應(yīng)，形成較為穩(wěn)定的氫氧化鋁石灰膠體，從而增加土壤的膠結(jié)力，降低其液塑限[3]。二是石灰使土壤中的離子平衡發(fā)生變化，從而降低土壤的吸附力和黏著力，使土壤的流動(dòng)性增加，液塑限降低。三是促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解，從而降低土壤的黏性和塑性，液塑限降低。

石灰改良劑適用于紅黏土的液塑限較高的情況，一般適用于液塑限在40%以上的紅黏土。此外，石灰改良劑還可以提高土壤的穩(wěn)定性和抗?jié)B性，適用于土壤改良、路基加固、基礎(chǔ)處理等工程中。但需要注意的是，石灰改良劑的使用量和方法需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，過量使用可能會(huì)導(dǎo)致土壤硬化和其他不良影響。

（2）水泥改良劑是可以改善土壤工程性能的添加劑，主要作用是提高土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。紅黏土液塑限的主要作用機(jī)理：一是與紅黏土中的黏土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠結(jié)物，增加土體的密實(shí)度和強(qiáng)度。二是可以填充紅黏土中的孔隙和縫隙，減少土體內(nèi)部的孔隙率，從而提高土體的穩(wěn)定性。三是可以改變紅黏土的物理性質(zhì)，使其從液態(tài)或塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)或固態(tài)狀態(tài)，從而提高土體的承載力和抗變形能力。

水泥改良劑適用于紅黏土等黏性土壤，特別是在道路、橋梁、地基處理和土方工程中的應(yīng)用較為廣泛。但需要注意的是，在使用水泥改良劑時(shí)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以確保其效果和安全性。

（3）砂改良劑是一種可以改善土壤性質(zhì)的材料，它可以用于改善紅黏土的液塑限。砂改良劑的作用機(jī)理主要有以下幾點(diǎn)：一是增加土壤的孔隙度。砂可以填充土壤中的孔隙，使土壤的孔隙度增加，從而降低土壤的液塑限。二是改善土壤的流變性質(zhì)。砂的加入可以改善土壤的流變性質(zhì)，使土壤的黏性和塑性降低，從而降低土壤的液塑限。三是提高土壤的穩(wěn)定性。砂可以提高土壤的穩(wěn)定性，使土壤的抗剪強(qiáng)度增加，從而降低土壤的液塑限。

砂改良劑適用范圍主要取決于土壤的性質(zhì)和工程要求。一般來說，砂改良劑適用于黏性土壤和塑性土壤。在工程中，砂改良劑可以用于加固路基、改善土壤的承載力和穩(wěn)定性等方面。但是需要注意的是，砂改良劑的使用量和方法需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。

（4）粉煤灰改良劑可以通過以下幾個(gè)方面對紅黏土液塑限進(jìn)行改善：一是填充作用。粉煤灰中的細(xì)粒子能夠填充紅黏土中的孔隙，減少土壤的孔隙度，從而提高土壤的密實(shí)度和穩(wěn)定性，降低其液塑限。二是化學(xué)反應(yīng)作用。粉煤灰中含有的硅酸鹽和氧化鋁等成分可以與紅黏土中的氧化鐵等礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的結(jié)晶物質(zhì)，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的穩(wěn)定性和抗壓性。三是離子交換作用。粉煤灰中的離子能夠與紅黏土中的離子進(jìn)行交換，改變土壤的離子平衡，從而改善土壤的物理性質(zhì)和穩(wěn)定性[4]。

粉煤灰改良劑適用于紅黏土等黏性土壤，尤其是在土壤中含有較多的有機(jī)質(zhì)、鐵、鋁等成分時(shí)，其改良效果更為顯著。同時(shí)，粉煤灰的添加量也是影響改良效果的關(guān)鍵因素，一般來說，添加量在土壤干重的10%～20%之間較為適宜。

（5）聚合物改良劑是指一類可溶于水的高分子化合物，通過與紅黏土液塑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理吸附作用，改變其物理和化學(xué)性質(zhì)，從而提高其工程性能和使用壽命。其作用機(jī)理包括：一是增強(qiáng)紅黏土液塑的穩(wěn)定性和可塑性：聚合物改良劑可以通過吸附或化學(xué)反應(yīng)作用，增強(qiáng)紅黏土液塑的穩(wěn)定性和可塑性，使其在施工過程中不易干燥或流失，同時(shí)提高其可塑性，方便進(jìn)行成型和加工。二是改善紅黏土液塑的強(qiáng)度和耐久性：聚合物改良劑可以與紅黏土液塑中的水分子形成氫鍵或離子鍵，從而增加其強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)減少其收縮和開裂；三是提高紅黏土液塑的抗?jié)B性和抗腐蝕性：聚合物改良劑可以在紅黏土液塑中形成均勻的分散體系，從而提高其抗?jié)B性和抗腐蝕性，同時(shí)減少其滲漏和腐蝕。

聚合物改良劑適用于各種類型的紅黏土液塑和各種環(huán)境條件，如礦渣紅黏土、土工布紅黏土、煤矸石紅黏土等以及高溫、低溫、干旱、濕潤等環(huán)境條件下的紅黏土液塑限制性工程。

3實(shí)驗(yàn)分析

3.1案例分析

在某工程項(xiàng)目中，需要處理一片面積為10 000 m2的紅黏土場地。經(jīng)過原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，得出該場地的液限、塑限以及塑性指數(shù)分別為63.3%、31.5%和32.8%，由于其液限>50%，塑限>30%，塑性指數(shù)>26，因此判定該區(qū)域紅黏土屬于高液限土。為了提高土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，決定采用石灰、水泥和粉煤灰三種改良劑進(jìn)行處理。

3.2實(shí)驗(yàn)方案

該實(shí)驗(yàn)選擇的改良劑是用占干土質(zhì)量確定，其中石灰、水泥和粉煤灰分別選擇0%、5%、10%、12%。從現(xiàn)場采集紅黏土土樣，將其在室溫下干燥至恒重，并進(jìn)行碾碎操作，然后用2 mm篩篩選，每組界限含水率試驗(yàn)需要配置3個(gè)不同含水率的土樣，每份紅黏土樣規(guī)定為200 g，并且按規(guī)定上述摻量加入改良劑，與土均勻攪拌均勻，最后加入相應(yīng)質(zhì)量的普通純凈水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b入袋子中密閉靜置24 h。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

界限含水率試驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同的改良劑對紅黏土的液塑限有不同的影響，同時(shí)改良劑的濃度對紅黏土液塑限的影響也相對較大。隨著改良劑濃度的增加，可以看出水泥的改良效果最好，可以將液塑限降至最低。當(dāng)水泥改良劑濃度較低時(shí)，其對紅黏土的塑性限影響較小，土壤的塑性限基本上不會(huì)受到影響。但是，當(dāng)水泥改良劑濃度較高時(shí)，其會(huì)與土壤中的黏土顆粒發(fā)生反應(yīng)，形成新的化合物，從而導(dǎo)致土壤的塑性限降低[5]。其次，石灰和粉煤灰的改良效果稍遜，但是仍然能夠顯著提高土壤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際工程中，需要根據(jù)土壤的性質(zhì)和工程要求，選擇適當(dāng)?shù)乃喔牧紕舛?，以?shí)現(xiàn)最佳的土壤改良效果。同時(shí)，還需要注意加水泥改良劑的混合時(shí)間和方式，以確保其充分與土壤混合，并達(dá)到最佳的改良效果。

4 結(jié)語

綜上所述，不同的液塑限改良劑對紅黏土的液塑限均有一定影響。選擇合適的改良劑可以有效地改善紅黏土的液塑限性能，提高土壤的工程性能和穩(wěn)定性。然而，不同的改良劑存在著一些局限性和適用范圍，需要根據(jù)實(shí)際工程需求進(jìn)行合理選擇。未來的研究可以從改良劑的組合應(yīng)用、改良劑與土壤微結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理等方面進(jìn)行深入探究，為紅黏土的液塑限改良提供更為科學(xué)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

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