干湿循环过程中红黏土改良土路基填料试验研究

曾帅 曾长贤 卞友艳 华丽晶 张栋

（1.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概况

红黏土遇水膨胀、失水收缩，这种胀缩性随季节性气候变化明显，雨季和旱季的交替，会导致红黏土路基因为这种干湿循环产生开裂等工程病害。在热带雨林地区，红黏土分布广泛，修建高速铁路时不能直接用作路基填料，须改良后方可使用［1］。穆坤等［2］开展了红黏土工程性状的干湿循环效应试验，指出未经改良的红黏土不宜直接用于填筑路基与边坡表层的填料，可以作为上下路堤堤心的填料，但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。

干湿循环作用下水泥改良红黏土中产生微观裂缝，对土体结构产生破坏作用。微观裂缝随干湿循环次数增加逐渐发展，结构强度逐渐降低，水泥水化物及其与红黏土中矿物成分反应生成的化合物胶结在一起减缓了微观裂缝的发展。水泥掺量越高，产生的化合物越多，对改良红黏土越有利［3-5］。王莹莹等［6］对不同初始含水率的重塑红黏土进行了无荷条件下的干湿循环试验，初始含水率及干湿循环次数对红黏土的胀缩变形均有影响。红黏土在干湿循环中，发生了不完全可逆的胀缩变形。朱建群等［7］对贵州一高速公路沿线红黏土进行了干湿循环作用后的收缩特性试验，干湿循环作用对重塑红黏土最优含水率基本没有影响。赵振亚等［8］对呼和浩特地区的红黏土开展了水泥改良力学性能试验，水泥红黏土的无侧限抗压强度随着龄期的延长而增长，随着水泥掺量的增加逐渐增强，水泥掺量15%为最优掺量。胡文华等［9］采用江西某地红黏土开展了水泥或石灰改良红黏土的力学强度特性研究，建议改良红黏土的水泥掺量为10%～15%，石灰掺量为5%～10%。李永豪等［10］研究了水泥外加剂对桂林地区红黏土强度的影响，水泥掺量9%～13%、含水率40%时改良效果最佳。Joel 等［11］对尼日利亚红黏土掺加了由不同比例的干砂和石灰组成的混合改良剂，砂的加入增强了红黏土作为柔性路面材料的水稳性。Omotosho等［12］对尼日尔三角洲红黏土进行了砂与水泥混合改良试验，发现存在最佳掺砂比（OSC）并建立了一个模型对2 种改良剂不同含量配比对改良效果的影响进行预测。

本文选取一新型改良剂作为水泥改良红黏土的添加剂。该改良剂为带有特殊气味的浅灰色粉状物，添加质量为水泥质量的2.5%～3.0%，主要由硝酸钠、碳酸钠、硫酸钠、氯化钙、碳酸钙、石灰等物质组成。通过注浆或与土壤拌和的方法使用，可以提高土体的密实性、抗压强度、抗冻胀能力、抗渗能力以及水稳性。

本次试验选取广西某地红黏土，通过无侧限抗压强度和质量损失率2项指标分析水泥掺量、含水率、是否添加改良剂等因素对红黏土改良土耐久性的影响，并给出该红黏土改良土的最佳配比。

2 红黏土干湿循环试验

该地红黏土0.075 mm 以下细粒含量为43.78%，2 mm塑限为25.8%，液限为43.9%，塑性指数为18.1，最大干密度为1.955 g∕cm3，最优含水率为9.3%。

2.1 制样及养生

根据TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》，对不同水泥掺量的红黏土加水至规定含水率制作试样。试样完成后包膜放入恒温恒湿箱养生7 d或28 d，养生期满后取出进行干湿循环试验。

红黏土需要先掺入一定量的水浸润24 h，为了保证浸润后的土与水泥充分搅拌均匀，此时加入的水量要小于最终的制样含水量。浸润后，掺入水泥搅拌均匀，再加水到最终制样含水量搅拌制样。

前期试验表明水泥掺量小于11%时，试样浸水容易发生崩解。故本次试验的水泥掺量取11%，15%，20%。

2.2 含水率与压实系数

红黏土遇水易崩解，含水率是影响崩解的主要因素。在红黏土改良土的干湿循环试验中，含水率是影响红黏土改良效果的关键因素。水泥掺量11%的试件含水率分别采用14.3%，16.3%，18.3%，水泥掺量15%的试件含水率分别采用13.3%，15.3%，17.3%，水泥掺量20%的试件含水率分别采用17%，20%，23%，进行干湿循环试验。

当压实系数较低时，试样含水率与压实系数互不相关。当压实系数较高时，含水率越高，试件所能达到的最大压实系数越低。理论计算和试验结果表明，素土的含水率达到16%时，最大压实系数约为0.9。

3 改良红黏土7 d无侧限抗压强度试验

养护7 d、压实系数0.95 时，不同水泥掺量的试件无侧限抗压强度见图1。其中水泥掺量11%，15%，20%的试件含水率分别为14.3%，17.3%，17.0%。

图1 养护7 d红黏土试件无侧限抗压强度

由图1可知，随着干湿循环的进行，试件的无侧限抗压强度总体上先增大后减小。原因是干湿循环过程中高温高湿的环境促进了改良土固化剂的水化反应，反应完全后由于红黏土水稳性差，无侧限抗压强度开始出现下降趋势。水泥掺量20%的试件比水泥掺量15%的试件无侧限抗压强度约高出30%，水泥掺量15%的试件比水泥掺量11%的试件无侧限抗压强度约高出40%左右。水泥掺量增大对提高红黏土试件无侧限抗压强度效果显著。

根据TB 10001—2016《铁路路基设计规范》规定，基床表层填料化学改良土7 d 无侧限抗压强度应大于500（700）kPa，基床底层化学改良土无侧限抗压强度应大于350（550）kPa，括号内数值为考虑冻融循环作用所需的强度。根据试验结果，3 种水泥掺量的改良红黏土干湿循环后的无侧限抗压强度均满足TB 10001—2016要求。

12 次干湿循环后，水泥掺量11%，15%，20%的红黏土试件无侧限抗压强度与峰值相比，衰减率均小于25%。18 次干湿循环后，水泥掺量11%的红黏土试件无侧限抗压强度出现大幅衰减，水泥掺量15%，20%的红黏土试件无侧限抗压强度衰减率仍在25%以内。

4 改良红黏土耐久性

采用不同水泥掺量的改良红黏土试件12 次干湿循环后的质量损失率来评价改良红黏土的耐久性。12 次干湿循环后，新型改良剂对红黏土试件质量损失率的影响，见表1。

表1 新型改良剂对红黏土试件质量损失率的影响

由表1可知：红黏土水稳性差，12次干湿循环后大多出现一定程度的质量损失；水泥掺量越高，未掺加改良剂的试件质量损失率越低，掺加改良剂的试件质量损失率明显低于同样配比未掺加改良剂的试件；改良剂对提高红黏土干湿循环下的耐久性作用明显。

通过水泥掺量11%、15%且添加新型改良剂的红黏土试件12 次干湿循环后的质量损失率，分析含水率、压实系数对红黏土试件质量损失率的影响，见表2。

表2 含水率、压实系数对红黏土试件质量损失率的影响

12 次循环后，水泥掺量11%、15%添加改良剂的试件能满足相关标准“质量损失率不超过5%”的要求，但均出现了掉渣现象。水泥掺量11%是该广西红黏土改良的最低水泥掺量。

由表2 可知，压实系数越高，改良土耐久性越好。12次干湿循环后，压实系数0.85的红黏土试件质量损失率显著高于压实系数0.90，0.95 的试件，提高压实系数对提高红黏土耐久性效果明显，工程上改良红黏土最低压实系数为0.90。水泥掺量11%，15%的红黏土试件含水率分别为16.3%，15.3%时，质量损失率最低，改良土耐久性最好。即改良土含水率高于最优含水率6%～7%时，改良效果最好。

试验结果表明，水泥掺量11%～15%、压实系数0.90、含水率高于最优含水率6%～7%且添加新型改良剂时，红黏土改良效果良好。

5 结论

1）在红黏土的干湿循环中，水泥掺量越高，压实系数越高，试件7 d 无侧限抗压强度越高。压实系数0.9 以上，含水率在合适的区间内，水泥掺量11%，15%，20%改良红黏土7 d 无侧限抗压强度满足《铁路路基设计规范》要求。12 次干湿循环后，7 d 无侧限抗压强度衰减率不超过25%，质量损失率不超过5%。

2）红黏土水稳性差，干湿循环后出现一定程度的质量损失，新型改良剂对提高红黏土干湿循环下的耐久性作用显著。

3）水泥掺量11%～15%、压实系数0.9、含水率高于最优含水率6%～7%时，该广西红黏土改良效果良好。