氯化钙作用红黏土持水性能研究

刘 栋，宾 武，钟胜才，张玉柱，江廷荟

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

红黏土作为一类特殊的黏性土，在我国南方省区普遍分布。红黏土工程性质独特[1-2]，具有高强度、低压缩性、高含水率、高孔隙比、高液限、受干湿循环作用干缩开裂明显的特点。许多工程实例和研究均表明[1，3]：由于红黏土失水干缩开裂明显的特点，以红黏土作为基础的路基边坡等构筑物在降雨时雨水会沿着土体表面裂隙向纵深扩展并侵蚀土体，造成开裂发育更显著，从而破坏土体结构，损伤土体强度，由此引起的工程事故愈发频繁，给社会带来了巨大的经济损失。

针对红黏土改良，学者们进行了大量的改良研究。牛庚等[4]研究了去铁前后红黏土的持水性能变化规律，得到在不同吸力范围游离氧化铁对红黏土持水性能的作用机理。韦全宏[5]使用生物炭作用红黏土，研究认为生物炭能明显改变红黏土的渗透性与持水能力，在高温条件下能促进水分蒸发。曹豪荣等[6]使用石灰改良红黏土，研究认为石灰红黏土的抗剪强度略高于红黏土，石灰红黏土的收缩开裂程度低，强度和变形参数均明显增加。陈永辉等[7]探讨了土样固化剂对红黏土性能的影响。

以红黏土为基础的路基边坡因其失水干缩开裂的特性，易因雨水渗流造成裂隙发育，增加路基边坡失稳的可能性，而提高红黏土的持水能力可有效降低因其自身失水干缩开裂造成的路基边坡失稳风险。因此，本文采用氯化钙作为红黏土的外加剂，开展红黏土持水性能方面的研究，探讨氯化钙用于红黏土改良的效果。氯化钙作为一种常用干燥剂[8]，吸湿性较强，具有十分优秀的持水性能。利用干化试验研究氯化钙-红黏土持水能力的变化规律，分析其作用机理，为氯化钙改良红黏土提供数据与理论参考。

1 试样制备及试验方案

1.1 试验材料

本文试验所用红黏土为广西地区典型红黏土，土样呈棕红色，其物理性质指标如表1所示。

试验所用纯氯化钙基本参数如表2所示。氯化钙作为常用的干燥剂[9]，具有吸湿能力强、价格低廉、易取得、毒性低、污染小等优点。

注：试验用水均为蒸馏水。

表1 红黏土的物理性质指标表

表2 氯化钙(CaCl2)基本参数表

1.2 试样制备及试验方法

本次制备含水率为150%的红黏土素土泥浆样、添加5%土体质量比例氯化钙的红黏土泥浆样以及添加10%土体质量比例氯化钙的红黏土泥浆样各3个(直径均为85 mm)，将试样置于30 ℃恒温箱中，定时使用高清摄像设备进行拍照并称量试样质量。干化试验温度控制设备为高低温交变湿热试验箱，温度设定为恒定30 ℃。试样参数如下页表3所示。

表3 试样参数表

1.3 含水率计算方法

使用高清摄像设备获取土体试样表面图像，使用质量称量装置获取试样质量数据，根据试样质量换算含水率。其计算方法如式(1)所示：

(1)

式中：W——含水率；

m0——土样干质量；

mi——称量时土样质量。

2 氯化钙-红黏土的持水性能

2.1 红黏土的干化试验

为探讨氯化钙对红黏土持水能力的影响，对红黏土素土以及掺加比例分别为5%、10%的氯化钙-红黏土进行干化试验。

干化试验使用高低温交变湿热试验箱，温度设定为恒定30 ℃。红黏土素土试样与添加5%、10%土体质量比例氯化钙的氯化钙-红黏土试样置于30 ℃恒温箱中，定时使用高清摄像设备进行拍照并称量试样质量。

图1 干化试验含水率曲线图

氯化钙的加入使红黏土的持水性能提升。试样在30 ℃环境中进行干化试验，当试验进行到51 h时，红黏土素土试样(1、2、3号试样)首次出现裂隙；当试验进行到53 h时，5%氯化钙-红黏土试样(4、5、6号试样)首次出现裂隙；当试验进行到55 h时，10%氯化钙-红黏土试样(7、8、9号试样)首次出现裂隙。在51 h时，红黏土素土试样表面首次出现裂隙，其含水率较氯化钙-红黏土试样产生大幅度下降；当干化试验结束时，红黏土素土试样含水率均值为6.06%，5%氯化钙-红黏土试样含水率均值为13.50%，10%氯化钙-红黏土试样含水率均值为20.36%，分别较红黏土素土试样含水率提高7.44%、14.30%。由于1、2、3号试样、4、5、6号试样以及7、8、9号试样分别为相同配合比试样，故相同配合比试样之间含水率变化差异十分接近，其含水率曲线中大部分重合，为方便比较，取均值。

详细数据如表4所示，干化试验含水率曲线如图1所示。

表4 干化试验数据表

2.2 机理分析

氯化钙性质非常稳定，有很好的吸湿性能，能吸收潮湿空气中的水分，无水氯化钙吸湿量能达到80%[10-11]，要在260 ℃以上温度才能完全把水脱除[12]。其在水中与潮湿空气中发生的反应为：

CaCl2+nH2O=CaCl2·nH2O(n=1，2，4，6)

(2)

无水氯化钙与水反应形成含多结晶水的水合物(结晶水个数为1、2、4、6个)，其存在的温度范围分别为：CaCl2·6H2O，<29 ℃；CaCl2·4H2O，29 ℃～45 ℃；CaCl2·2H2O，45 ℃～175 ℃；CaCl2·H2O，>200 ℃。在30 ℃环境中，无水氯化钙与水反应产物主要为CaCl2·6H2O。在此次试验中，当红黏土中加入氯化钙时，氯化钙以结晶水合物(主要为CaCl2·6H2O)的形式存在于红黏土试样中。CaCl2·6H2O是一种无机水合盐类固液相变材料，具有大于水的潜热与比热容，当相同温度环境时(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸发速率要小于纯水。

红黏土失水收缩产生的开裂破坏比一般黏土明显，破坏性更大，其土颗粒之间的气-液界面张力(表面张力)变化导致红黏土收缩开裂。由于水分的蒸发，土体从饱和状态变成非饱和状态，导致土颗粒之间产生水-气-粒三界面，出现基质吸力。当土颗粒之间的张拉应力大于土颗粒之间的抗拉强度时，土体开始出现裂隙。裂隙的发育为水分的迁移提供了绝佳的路径，使得水分大量地从裂隙迁移。而当红黏土中添加氯化钙时，因氯化钙溶液大于纯水的比热容及氯化钙自身的吸水能力作用，使得氯化钙-红黏土的水分蒸发速率低于红黏土素土。此外，水分蒸发速率降低提高了相同时间内红黏土土体的含水率，使得土体裂隙的产生时间延长与减慢裂隙产生的速度，进而提高了氯化钙-红黏土的持水能力。故添加了氯化钙的红黏土试样持水性能要强于红黏土素土试样，氯化钙-红黏土试样在相同试验时间内的含水率要高于红黏土素土试样。

3 结语

(1)在30 ℃环境中，5%、10%氯化钙-红黏土试样持水性能要强于红黏土素土试样。CaCl2·6H2O溶液具有大于水的潜热与比热容，当相同温度环境时(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸发速率要小于纯水，使得氯化钙-红黏土水分散失慢于红黏土素土。氯化钙的添加提高了红黏土的持水能力。

(2)红黏土中添加氯化钙可延长裂隙出现的时间以及减慢裂隙产生的速度，并与CaCl2·6H2O溶液相对红黏土较高的比热容特性相互作用，进一步提高红黏土持水能力。

(3)在30 ℃温度条件下，氯化钙的加入提高了相同时间内的红黏土含水率，延长了土体裂隙出现的时间。因此氯化钙作为红黏土改良剂有提高其持水性能、应用于路基边坡防治的可能，但仍需进行进一步的研究探讨。