水泥加固粘土的试验研究

王胜　苏恩华

摘 要：随着我国经济的快速发展，我国的公路建设进入了快速发展时期。为了探讨水泥加固粘土的固化机理，将武汉地区的红色粘土按照《公路土工试验规程》（JTJ051-93）相关的试验要求进行击实度验，然后收缩试验。试验结果表明：在红色粘土中加入3%水泥后，红色粘土的最大干密度提高了19.68%，能使红色粘土颗粒的孔隙减少，土粒之间相互之间连结力加强；线缩率和缩限呈现明显降低，线缩率减小了42.41%，缩限减小了31.84%，土体收缩变形能力变小。

关键词：粘土 干密度 比重 收缩

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0088-02

粘性土透水性差，粘聚力大，干燥时土质坚硬，强度较高，承载力好[1]。但同时，它具有较大的可塑性，还带有一定的膨胀性，毛细管现象和粉性土一样也很明显。若是用粘性土来用作为路基，相比较而言比粉性土好，但不如用作路基的良好材料砂性土。粘性土遇水后，吸水能力强，能够较长时间保持水分，承载力很小。因此，若是用粘性土作为路基，必须在适当含水量充分压实，保证路基承载力，同时由于它吸水强度变小，承载力弱，所以要有良好的排水设施或在粘性土添加一些加固材料等施工措施进行改良，这样的路基才能获得较好的稳定性，达到公路工程路基的规范要求。

1 试验材料

1.1 试验用土

该次用于加固的粘土样取自湖北省武汉市汉阳区的红色粘土。试样用土的取样深度为2～4 m，该地区的红色粘土样遇水强度变小，吸水能力强，塑性指数高，并且还带有一定的膨胀性。晴天干燥时，红色粘土强度较高，网纹状裂隙发育明显。这种土若是用于公路路基，需要进行一定的工程措施，改善红色粘土的亲水性和膨长性，才能具有较好的承载能力和稳定性。

1.2 固化材料

用于加固红色粘土的水泥为42.5普通硅酸盐水泥，此水泥的3 d抗压强度大于17 MPa，28 d抗压强度大于42.5 MPa，3天抗折强度大于3.5 MPa，28天抗折强度大于6.5 MPa。水泥初凝时间不小于45 min，终凝不大于600 min。采用的32.5经测试初凝时间为55 min，终凝时间为7 h。由于水泥加入粘土后，水泥与粘土中的水分结合发生一系列物理化学反应，需要很长一段时间才能完成，故以水泥的终凝时间7 h作为最终拌合的标准时间，然后用标准轻型击实仪进行击实试验。

2 试验研究

2.1 素土击实试验

该次击实试验采用标准轻型击实试验。由于红色粘土塑性指数高，吸水能力强，并有含有一定的胶结物，因此不能用干土法进行制样。该次试验采取湿土法制备土样，主要步聚是在土样中用手直接拣除大于38 mm的粗石子即可。保持天然含水量的第一个土样，其余五个试样将土分成小土块，分别自然风干，土样的含水量控制按原2%～3%递减。试验操作严格按《公路土工试验规程》中的击实试验操作步骤，在向小筒加入土样时，分三层进行击实试验，每次大约按800～900 g加样进行击实。每层击实完土样，必须把土样表面进行表面整平，层面进行“拉毛”，重复操作，直至土样三层击实试验完[2]。需要注意的是，第三层土样应稍多于前二次，击实完的试样要稍高于筒面，但不能高出筒顶面5 cm。击实完后，用修土刀进行筒内削刮，这样便于套筒与土样脱离。取下套筒，削平土样，进行称重。用推土器从筒内取出试样，从试样中心取土样进行含水量测试。进行含水量与干密度曲线绘制时，各点的干密度计算按如下公式：

ρd=ρ÷（1+ω）

公式中：ρd表示干密度，ρ代表土的湿密度，ω为土样含水量。

试验数据如表1所示，所得的含水量与干密度曲线如图1所示。

从击实曲线图1可知，该红色粘土的最大干密度为1.64 g/cm3，最佳含水量为23.51%。从图中可以看出，红色粘土的最大干密度小于1.75 g/cm3，说明了红色粘土的孔隙较大。

2.2 水泥加固粘土的击实试验

水泥土的击实试验同以上素土制样方法一样采用湿土法，水泥用量为3%，拌合时，要求拌合均匀，试样取点需要五个点。需要注意的是，试样击实要求在水泥终凝时间前完成，否则重新进行制样。试验数据如表2所示，所得的含水率与干密度曲线如图2所示。

从击实曲线图2可知，水泥加固粘土的最大干密度为1.76 g/cm3，最佳含水量为25.11%。与图1相比，加入水泥3%后，红色粘土的最大干密度提高了19.68%，这说明用水泥加入红色粘土后，能使红色粘土颗粒的孔隙减少，土粒之间相互之间连结力加强，能有效提高土的密实度，从而增加土的承载力和强度。

3 收缩试验

该次收缩试验是在室温25 ℃条件下进行。通过上面击实试验确定素土和水泥固化土混合料的最佳含水率和最大干密度。试验时，每隔2 h测记百分表读数，并准确称量试样和装置质量，精确到0.1 g。2 d后，每隔6～24 h测记百分表读数，直至百分表读数不变。根据公式计算试样的线缩率和缩限，试验结果见表3。从表3中可以看出在，在红色粘土中加入水泥后，线缩率和缩限明显降低，线缩率减小了42.41%，缩限减小了31.84%。红色粘土的线缩率、缩限数据的减小，说明水泥与红色粘土发生了一系列物理化学反应，使土颗粒之间的联接力加强，土体收缩变形能力变小。

4 水泥加固粘土的固化机理

用水泥加固粘土，水泥相对于土来说，其用量比较少。水泥与土发生的一系列物理化学反应是其强度提高的主要原因。总结来说，大致有以下三个方面。

第一，水泥水化后，含有大量的Ca2+，它会与土粒表面带有的低价阳离子Na+、K+进行阳离子交换，从而使结合水的厚度变薄，土粒之间的距离减小，使土粒相互吸引易形成较大的土团。再加上水泥水化后生成Ca（OH）2的水化生成物，它具有强烈的吸附活性，它能把大的土粒团用链条状结构进一步结合起来，填充土粒与土粒之间的孔隙，使土的干密度增大，含水量减小，易于压实，增加土的承载力，提高土体强度。

第二，水泥与土中的水化反应后，会与粘土中的一部分或大部分粘土矿物进行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物，这些结晶矿物从开始的不规则针形矿物，随着时间的延长会向板状粒子变化，这些重新生成的化合物极大的提高了土体强度。这种化学反应就是通常所说的硬凝反应。

第三，水泥与土中的水进行水化反应后，水泥水化物中的游离Ca（OH）2会与空气中的CO2水中的HCO3-继续发生化学反应，生成不溶于水的碳酸钙[3]。这种反应也能使土固结，提高土的强度。

总之，水泥就是通过与粘土细微颗粒产生一系列物理化学反应，土粒之间相互吸引形成更大的颗粒，颗粒界面形成牢固的结晶聚集体，从而提高土的强度和其它性能。

5 结语

该文通过对武汉地区红色粘土的试验，可得出如下结论。

（1）在红色粘土中加入3%水泥后，红色粘土的最大干密度提高了19.68%，这说明水泥加入红色粘土后，能使红色粘土颗粒的孔隙减少，土粒之间相互连结力加强。

（2）在红色粘土中加入3%水泥后，线缩率和缩限明显降低，线缩率减小了42.41%，缩限减小了31.84%。红色粘土的线缩率、缩限数据的减小，说明了水泥与红色粘土发生了一系列物理化学反应，使土颗粒之间的联接力加强，土体收缩变形能力变小。

参考文献

[1] 方左英主编.路基工程[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2] 公路土工试验规程（JTJ051-93）[S].北京：人民交通出版社，1993.

[3] 方福森主编.路面工程[M].北京：人民交通出版社，1993.