粉煤灰和二灰对桂林红黏土力学性质的影响

刘之葵，郭 彤，王 剑

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

粉煤灰和二灰对桂林红黏土力学性质的影响

刘之葵1,2，郭 彤1,2，王 剑1,2

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004)

为了研究粉煤灰和二灰掺量及养护时间对桂林红黏土的改良效果，进行了直剪试验、固结试验以及电镜扫描试验。试验结果表明，粉煤灰的掺入提高了红黏土的抗剪强度，但超过一定量(18%粉煤灰掺量)反而会降低红黏土黏聚力，各掺量粉煤灰红黏土随养护龄期的延长，抗剪强度呈先增后缓趋势。二灰改良红黏土，在早期强度剧增，且强度随养护时间增长而大幅增加，一定龄期内，二灰红黏土黏聚力随二灰掺量呈先增后减趋势。粉煤灰和二灰的掺入均增大了红黏土的压缩模量，且随养护时间的延长而逐渐增大。红黏土中随粉煤灰、石灰的加入，发生一系列物理化学反应，从微观结构分析得知土中孔隙减少，结构性较素红黏土好。

粉煤灰；二灰；抗剪强度；压缩性；微观结构

桂林岩溶红黏土广泛分布，且在垂直方向上一般从上至下呈由硬变软状态，上段红黏土压缩模量大，红黏土地基承载力大，适宜直接作为天然的地基，红黏土具有软弱下卧层，其地基下卧基岩面也起伏不定，属于特殊土地基[1～5]。而随深度加深红黏土压缩模量小，红黏土承载力较小，不适合做持力层，此时有必要对下卧层进行物理化学加固，满足建筑地基强度、变形要求，即对桂林红黏土进行性能改良，使其物理力学性能满足工程需求，带来更好的效益。

郭培玺[6]等在红黏土中掺入水泥对红黏土进行改良，发现在红黏土中掺入水泥能有效提高土体强度。刘莉[7]等对粉煤灰的物理化学性质、微观结构以及矿物组成进行了初步的介绍，并简要分析了土中掺入粉煤灰之后的一系列物理化学反应机理。相关学者[8～11]还用砂砾、碎石、固硫灰渣、纤维、纤维水泥等材料或者两种或以上混合材料以及通过添加别的化学添加剂来对红黏土进行改良，也已取得相关成果。本文选取桂林红黏土为研究对象，在红黏土中掺入粉煤灰、二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1(质量比))，通过室内试验结果来对比分析桂林红黏土改性前后工程性质及微观结构的变化及其机理。

1 不同粉煤灰、二灰掺量及不同养护龄期的试验研究

1.1 试验材料

试验用土取自桂林市理工大学雁山校区。将取回的红黏土摊开在雨布上进行风干，过0.5 mm筛备用。试验用粉煤灰取自桂林国电永福发电有限公司，由于取回的粉煤灰带有少许粗颗粒杂质以及少量水分，考虑到后期配土以及计算简易，需人工将其杂质清除并过筛、装入托盘放到烘箱105 ℃烘干，备用。试验用石灰属于钙质生石灰，其中氧化钙、氧化镁含量不小于80%，生产于广西桂林金山化工有限责任公司。同样，人工将其杂质清除并过筛、装入托盘放到烘箱105 ℃烘干，烘干之后取出放入干燥器内冷却至室温，用塑料袋装好保存，备用。

1.2 试验目的

为了研究掺入粉煤灰、二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1(质量比))后红黏土的抗剪强度、压缩性与不同掺量、养护龄期之间的关系，根据不同的目的分别对试样进行直剪试验、固结试验和电镜扫描试验。

1.3 试验方案

在桂林红黏土中分别掺入6%，12%，18%，24%，30%掺量粉煤灰，养护龄期分别为1 d，7 d，14 d，28 d；掺入6%，12%，18%，24%掺量二灰，养护龄期分别为1 d，3 d，7 d，14 d，通过直剪试验、固结试验测定其改性前后数据值，对比分析在以上粉煤灰、二灰掺量、养护龄期条件下红黏土抗剪强度、压缩变形、微观结构的变化规律。

1.4 试验方法

称取事先计算好的红黏土、粉煤灰、二灰、水的质量，用喷水壶均匀喷水，统一配置含水量为25%和规定的产量百分比，三者必须均匀混合，将配置好的粉煤灰、二灰红黏土装入袋子放在湿沙中养护，在规定的养护龄期到期后取出土，实验前晚将过0.5 mm筛的土在烘箱中105～108 ℃烘8 h后取出，冷却后用以试验。

试验采用ZJ型应变控制式直剪仪、WG型单杠杆固结仪、S4800场发射电子扫描显微镜。

2 试验结果及分析

2.1 粉煤灰、二灰掺量和养护周期对红黏土抗剪强度的影响

为了和改性之后的试验数据进行对比分析，用ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)进行直剪试验(快剪试验)，测得零掺量红黏土养护之前抗剪强度指标c=45.8 kPa，φ=23.6°，土的物理性质指标为：含水率ω=38%，天然重度γ=18 kN/m3，孔隙比e=1.11，液限WL=64%，塑限WP=37%。

2.1.1 粉煤灰不同掺量与不同龄期对红黏土抗剪强度结果分析

图1为不同粉煤灰掺量(6%，12%，18%，24%，30%)、不同龄期(1 d，7 d，14 d，28 d)下红黏土黏聚力关系。

图1 不同粉煤灰掺量、养护龄期与红黏土黏聚力关系Fig.1 Relationship between the cohesive force and the curing time under different fly ash proportion in the red clay

从图1中得出，各掺量粉煤灰红黏土黏聚力基本随龄期的增加呈递增趋势，同时在后期趋于平缓。同一养护龄期粉煤灰红黏土黏聚力与粉煤灰掺量呈反相关趋势，在6%，12%，18%掺量各养护龄期中黏聚力值都大于素红黏土，而24%，30%掺量在各养护龄期中只有个别黏聚力值高于素红黏土，其余值均低于素红黏土。任一掺量红黏土黏聚力在养护龄期延长时均大体呈现增长趋势，即养护越久，黏聚力值越大，最终将趋于稳定。

在粉煤灰红黏土养护1 d，7 d，14 d，28 d时，6%粉煤灰掺量红黏土黏聚力相应为素红黏土的1.92，3.06，3.44，3.69倍，各龄期里粉煤灰掺量增加黏聚力降低，各龄期粉煤灰掺量为30%时黏聚力相应为掺量6%的0.34，0.3，0.16，0.21倍，分别相对于素红黏土的0.66，0.93，0.54，0.78倍。

图2 不同粉煤灰掺量红黏土与内摩擦角与养护龄期关系Fig.2 Relationship between the curing period and the internal friction angle under different fly ash proportion in the red clay

从图2中得出，各掺量粉煤灰红黏土内摩擦角大致随龄期的增加而呈递增趋势，同时在后期趋于平缓。12%粉煤灰掺量红黏土养护四周后出现内摩擦角最大值，为素红黏土的1.36倍，而最小值出现在18%粉煤灰掺量红黏土养护1 d之时，为素红黏土的1.13倍。

2.1.2 二灰不同掺量与不同龄期对红黏土抗剪强度结果分析

图3为不同二灰掺量(6%，12%，18%，24%)、不同龄期(1 d，3 d，7 d，14 d)下桂林红黏土黏聚力关系。从图3中可知，各掺量二灰红黏土黏聚力基本与龄期正相关，且各二灰掺量、各养护龄期内黏聚力值都较大，为素红黏土的数倍之多，其中6%与24%二灰掺量红黏土黏聚力随养护龄期变化同步性较好，而12%与18%二灰掺量红黏土黏聚力在养护7～14 d这一阶段，随养护龄期变化黏聚力同步性较好。各养护龄期里二灰红黏土黏聚力随二灰掺量的增加，呈现出在一定掺量内逐渐增加，随后逐渐减小趋势，最大值出现在二灰掺量为12%或18%，相应最小值出现在二灰掺量为18%或24%，且各二灰掺量红黏土黏聚力值随养护龄期增大而增加。

图3 不同二灰掺量、养护龄期与红黏土黏聚力关系Fig.3 Relationship between the curing period and the cohesive force under different lime fly ash proportion in the red clay

图4表明，内摩擦角于各掺量二灰红黏土中与龄期整体上呈正增长，且各二灰掺量、各养护龄期内内摩擦角值都较素红黏土大。最小内摩擦角于18%二灰掺量红黏土养护1 d之时，为素红黏土的1.33倍，其余掺量在养护1 d时分别为素红黏土的1.66，1.71，1.73倍。内摩擦角最大值为养护前的2.06倍。各养护龄期内，二灰红黏土黏聚力随二灰掺量呈先增后变缓趋势。黏聚力最大值出现在12%或18%二灰掺量。

图4 不同二灰掺量红黏土与内摩擦角与养护龄期关系曲线Fig.4 Relationship between the curing period and the internal friction angle under different lime fly ash proportion in the red clay

2.1.3 粉煤灰、二灰红黏土直剪试验结果对比分析

上述试验结果综合分析可知，掺入粉煤灰可以提高红黏土的抗剪强度，但超过一定量反而会减小红黏土黏聚力；各掺量粉煤灰红黏土随养护龄期的延长，抗剪强度呈先增后缓趋势。养护龄期一致时，粉煤灰红黏土抗剪强度随掺量增大而减小。掺入二灰可以大幅度提高红黏土的抗剪强度，随养护龄期延长，二灰红黏土抗剪强度增加。粉煤灰、二灰的掺入均提高了红黏土的内摩擦角，在养护龄期及掺量相同时，二灰红黏土黏聚力是粉煤灰红黏土的1.76～5.73倍，内摩擦角是粉煤灰红黏土的1.18～1.65倍。

2.2 粉煤灰、二灰掺量和养护周期对红黏土压缩模量的影响

在对桂林红黏土进行改性之前，为了和改性之后的试验数据进行对比分析，用WG型单杠杆固结仪进行固结试验，测得零掺入物掺量红黏土养护之前压缩模量为9.91 MPa。据此对以下改性红黏土WG型单杠杆固结试验数据进行分析。

2.2.1 粉煤灰不同掺量与不同龄期对红黏土压缩性结果分析

图5为不同粉煤灰掺量(6%，12%，18%，24%，30%)、不同养护龄期(1 d，7 d，14 d，28 d)下红黏土压缩模量关系曲线。

图5 不同粉煤灰掺量红黏土压缩模量与养护龄期关系曲线Fig.5 Relationship between the compression modulus and the curing period under different fly ash proportion in the red clay

从图5中可知，压缩模量与龄期呈正相关关系，养护龄期越长，压缩模量越大。整个养护龄期内压缩模量最大值出现在24%粉煤灰掺量红黏土养护28 d时，与素红黏土压缩模量相比增幅37.3%，相应的最小值出现在18%粉煤灰掺量红黏土养护1 d时，最小值与素红黏土压缩模量相比降幅32%。

2.2.2 二灰不同掺量与不同龄期对红黏土压缩性结果分析

图6为不同二灰掺量(6%，12%，18%，24%)、不同养护龄期(1 d，3 d，7 d，14 d)下红黏土压缩模量关系曲线。

图6 不同二灰掺量红黏土压缩模量与养护龄期关系曲线Fig.6 Relationship between the compression modulus and the curing period under different lime fly ash proportion in the red clay

从图6中得出，养护时间延长，各二灰掺量红黏土压缩模量逐步增大。整个养护龄期内最大压缩模量值出现于6%二灰掺量红黏土养护至第二周时，为素红黏土压缩模量的3.67倍，相应的最小值出现在24%二灰掺量红黏土养护1 d时，最小压缩模量值为素红黏土的2倍。

2.2.3 粉煤灰、二灰红黏土固结试验结果对比分析

在粉煤灰、二灰掺量(均为6%，12%，18%，24%)以及养护龄期(1 d，7 d，14 d)均相同时，掺粉煤灰跟掺二灰的红黏土压缩模量均不同，且在其他条件一致时，同掺量、同养护龄期二灰红黏土压缩模量大于粉煤灰红黏土的压缩模量。

掺入桂林红黏土中的粉煤灰所含的氧化钙、氧化镁等氧化物，于介质环境中，能迅速发生水解反应，XO+H2O→X2++2OH-(X表示Ca，Mg)，水解为游离高价阳离子(Ca2+、Mg2+)，而红黏土颗粒表面本身呈负电性，两者间的静电引力随阳离子价位的增高而增大，随水解反应的推进，高价位阳离子浓度增大，使得扩散层变薄，红黏土内部结构更加紧密、稳定，从而会增大其压缩性。

掺入桂林红黏土中的二灰，各类水解、水化反应剧烈程度甚于掺入粉煤灰，由于石灰中所含氧化物主要是氧化钙以及氧化镁，在发生水解反应时，相同养护龄期内二灰的水解能水解出的Ca2+、Mg2+浓度更大，二价钙、镁离子更容易置换土颗粒所吸附的低价钾离子和钠离子等离子[14]，相应与负离子间的吸引力更大，使得扩散层变得更薄，固体颗粒骨架结构更加紧凑，从而更大地降低了土体的压缩性，增加土的压缩模量。

2.3 粉煤灰、二灰掺量对红黏土抗剪强度影响的机理

对于同一种红黏土来说，在不同排水条件下(如三轴试验不固结不排水、固结不排水和固结排水)的抗剪强度指标黏聚力、内摩擦角，两者有一定的耦合关系，一方高另一方就相应低。但在对红黏土进行加固后，可以发生红黏土黏聚力、内摩擦角同时升高的情形。

由于粉煤灰的主要成分为SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO等，二灰是粉煤灰和石灰的拌合物(粉煤灰∶石灰=1∶1)。当掺入粉煤灰或者二灰后，其中的 Ca2+、Mg2+等与土颗粒表面的自由水相互作用，会产生离子交换，原本吸附在土黏粒表面的一价阳离子(K+、Na+)被土溶液中的高价阳离子(Ca2+、Mg2+)置换，原来土黏粒表面一价阳离子(K+、Na+)形成较厚的扩散层，由于Ca2+、Mg2+的置换，土颗粒中扩散层将变薄，一方面，土颗粒之间的距离减小，相互之间吸引力增大，同时还有可能发生化学反应而产生土颗粒间的钙质胶结，这些均会导致土的黏聚力增大；另一方面，土颗粒形成胶结团聚而使颗粒之间滑动摩擦及咬合摩擦也加大，使土的内摩擦角变大。

此外，对于掺入二灰(粉煤灰∶石灰=1∶1)后，主要成分CaO能够减少土颗粒间的水含量，即颗粒间水膜厚度变薄，土的黏聚力增大。

当试验中粉煤灰掺量超过一定量，红黏土剪切强度反而低于改性前。其它条件一致时，粉煤灰掺量在一定范围内越大反而强度低，则是由于粉煤灰本身是一种细颗粒材料，在掺入到红黏土中后，一部分粉煤灰会积极参与到各类反应中，而更多的粉煤灰并没有参与反应，只是充当填充物，跟本身具有黏性的红黏土相比，黏结力显得更小，即多余的惰性粉煤灰反而抑制了红黏土强度的增加。

3 粉煤灰、二灰掺量和养护周期对红黏土微观结构的影响

对无任何添加物、无养护龄期的重塑红黏土放大20 K倍下的扫描电镜图片(图7)进行分析。由图7可发现，红黏土基本结构单元有薄片状结构单元，且薄片状结构单元相互之间或平行或在空间上呈一定角度交错，呈现出边对面或面对面的状态，薄片状结构单元轮廓较为清晰，尺寸各异，能看出薄片明显的边缘线，是构成土颗粒骨架的一部分，而复合式结构单元内部孔隙较为发达，形态各异，在红黏土所展示出的物理力学性质方面起主导作用，它构成红黏土基本骨架[15]。从微观结构图中可以看到，不管是薄片状的基本结构单元还是复合式的结构单元，在骨架当中的排列都是杂乱无序的，且呈堆积状，相互交错较为紧密。

图7 红黏土微观结构示意图Fig.7 Map of micro-structure of the red clay

在红黏土中掺入粉煤灰进行养护，随着粉煤灰掺量、养护龄期的改变，粉煤灰红黏土物理力学性质也会发生不同程度的改变，微观上即土颗粒骨架的组分、结构的变化。通过不同粉煤灰掺量、养护龄期内红黏土与素红黏土微观结构图(图8)的对比，可以直观地进行比较分析。

由图8可以发现，粉煤灰红黏土较素红黏土结构更为紧密，大粒团之间夹杂、充填着细小颗粒矿物，原本相对独立架立的粒团被水化物胶结在一块，形成更大块的骨架。而当粉煤灰掺量变大时，骨架颗粒的堆积更为密实。而在养护龄期越长时，各类反应趋于稳定的趋势，黏粒团棱角更圆润，堆积厚实，各类化学反应生成物填充于孔隙间，骨架孔隙减少，紧密连结黏土颗粒，构成土体骨架，凝胶体牢牢连结基本结构单元并逐渐硬化稳定，杂乱排列，同时凝胶体对细小颗粒有一定的包裹效应，封闭、稳定骨架。故随红黏土中粉煤灰掺量在一定范围内的增加，黏粒团间更多的是粉煤灰颗粒而不是胶结彼此的凝胶体，土体骨架处于欠稳定状态，从而会在宏观上表现出抗剪强度降低的特性。

图9为不同二灰掺量、不同龄期下红黏土电镜扫描图，从图9也可以发现，二灰红黏土较素红黏土结构更为致密、细腻，结构稳定性更强。二灰红黏土微观结构中单晶片基本结构单元已很少见，粒团表面覆盖一层胶结物质，该胶结物质将土体骨架粒团内部孔隙填充，黏结在粒团表面，同时将相邻粒团连结在一块，且连结强度大，使得构成骨架的粒团之间稳固连结，结构稳定，不易失稳。并且从图9中可以看出，整个骨架完整性很好，十分密实且黏结充分，相比素红黏土及粉煤灰红黏土，二灰红黏土颗粒骨架孔隙更少，在相同二灰掺量条件下，可以发现养护龄期14 d的比养护7 d的孔隙明显要少很多，结构更为致密，凝胶体对矿物的包裹黏结更加充分，整体类似被挤压，骨架更加密实、稳定。

图8 掺入粉煤灰不同龄期下红黏土电镜扫描图Fig.8 Map of electron microscope for the fly ash red clay with different curing periods

图9 掺入二灰不同龄期下红黏土电镜扫描图Fig.9 Map of electron microscope for the lime fly ash red clay with different curing periods

4 结论

(1)红黏土中掺入粉煤灰可以提高红黏土的抗剪强度，但超过一定量(18%粉煤灰掺量)反而会减小红黏土黏聚力。各掺量粉煤灰红黏土随养护龄期的延长，土体内摩擦角变大，抗剪强度呈先增后缓趋势。

(2)二灰改良红黏土强度效果显著，早期强度剧增；在养护龄期内，二灰红黏土抗剪强度随养护时间增长而大幅增加，二灰红黏土黏聚力随二灰掺量呈先增后变缓趋势。二灰对红黏土强度的改良效果好于粉煤灰，且粉煤灰改良效果较二灰改良具有滞后性。

(3)粉煤灰红黏土的压缩模量与龄期呈正相关关系，养护龄期越长，压缩模量越大。

(4)二灰改良红黏土效果显著，各二灰掺量红黏土压缩模量增大明显，在不同掺量和龄期条件下，二灰改良红黏土的压缩模量为素红黏土的压缩模量2～3.67倍。

(5)电镜扫描表明，红黏土中随粉煤灰和二灰的加入，微观结构中骨架孔隙更少，颗粒自由度更受限制，结构更加致密、稳定。

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责任编辑：张明霞

Effect of the fly ash and lime fly ash on the mechanicalproperties of red clay in Guilin

LIU Zhikui1,2, GUO Tong1,2, WANG Jian1,2

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,Guilin,Guangxi541004,China; 2.GuangxiKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi541004,China)

To examine the improvement effect the content and curing time of fly ash and lime fly ash on the red clay in Guilin, the direct shear tests, oedometer tests and Scanning Electron Microscope tests are conducted. The mixture of fly ash can improve the shear strength of the red clay. After over a certain amount (18% fly ash content), the cohesion of the red clay reduces. With the prolonging of the curing time, the shear strength of the red clay with different content of fly ash increases first and then increases slowly, The shear strength of lime-fly ash red clay improves rapidly in the early stage, and increases intensely with the prolonging of the curing time. The cohesive strength of the lime-fly ash red clay increases first and then decreases with the increasing lime-fly ash content. The modulus of compressibility of the red clay increases with the mixing of fly ash and lime fly ash and increases gradually with the prolonging of the curing time. With the addition of fly ash and lime, a series of physical and chemical reactions occur in the red clay. Analysis of the micro-structure show that the pores in the soil decreases, and the structure is better than the that of the plain red-clay.

fly ash; lime fly ash; sheer strength; compressibility; micro-structure

2016-09-10;

2016-11-18

国家自然科学基金项目资助(51169004)；广西自然科学基金创新研究团队项目资助(2012GXNSFGA060001)；广西岩土力学与工程重点实验室基金项目资助(2015-A-01)

刘之葵(1968-),男,博士(后),教授,博士生导师，主要从事岩土工程、地质工程专业的教学与科研工作。 E-mail:liuzhikui@126.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.13

U411.3; TU446

A

1000-3665(2017)03-0086-07