路用改良红黏土的水理性质研究

杨兴之

（贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

红黏土是由碳酸盐岩在气候温暖潮湿，降雨充沛的环境下经物理和化学风化、红土化及残积作用形成的呈棕红、褐黄色的特殊土体，具有高液限、高塑性、高孔隙比、高强度、低压缩性和明显胀缩不可逆性及“反剖面”特征，一般认为是一种较好的天然地基或良好的建筑材料[1-2]。但是它又具有较突出的地球化学敏感性和生态环境脆弱性。贵州的道路工程技术人员试图利用红黏土的优点作为路基建筑材料，但经工程实践证明，在贵州多雨的气候环境下，红黏土的亲水性、胀缩性、淋滤作用强暴露出其水稳性差、易产生裂缝的破坏性工程特点，危及建筑物的安全使用，因此需要采取科学的技术对其进行改良处理。

本文以多种掺合料、膨胀剂、碱性激发剂和水溶聚合物等组成的复合材料作为固化剂对自然红黏土进行改良，针对5 组不同固化剂掺入量（0%、3%、5%、9%、13%）的路用改良红黏土土样，对其进行含水率试验、击实试验、稠度试验、胀缩性试验和水稳定测试，分析不同固化剂掺入量下的路用改良红黏土土样含水率、最大干密度、最优含水量、液塑限、胀缩指标及水稳系数的变化规律，为贵州红黏土相关道路工程实践提供理论依据。

1 路用改良红黏土改良原理

路用红黏土改良复合材料主要由基材和固化剂组成。基材主要为就地取材的红黏土，固化剂由掺合料（粒化矿渣、粉煤灰、硅酸盐水泥、硅灰）、膨胀剂、碱性激发剂、聚合物按一定质量配比组成，各单元材料通过正交试验获得红黏土固化剂最优配合比。

1.1 掺和料胶凝反应

粒化矿渣是钢铁工业生产过程中产生的废渣。其化学成份主要是CaO、SiO2、Al2O3和MgO、Fe2O3等氧化物以及一些硫化物，与水泥具有相似的性质，其水化产物中的CSH（水化硅酸钙）和CAH（水化铝酸钙）是使松散土颗粒胶结起来的主要成分，使土体形成更为坚固的整体，从而提高土体强度[3-4]。

粉煤灰对水泥土的固化作用在早期以粉煤灰的形态效应和微集料效应为主，后期则是火山灰效应起主要作用[5]。粉煤灰本身不具备胶凝性能，但当其处在常温有水存在时，能与硅酸盐水泥碱性材料水化后的产物Ca（OH）2发生化学反应，生成具有胶凝性能的CSH。

掺合料的颗粒形态、细度和分布对其水化程度及硬化后的性能有较大的影响。由于矿粉颗粒不规则且表面粗糙，矿粉、硅粉与粉煤灰的复合起到一定的增塑减水作用，有益于改良红黏土密实结构的形成。因此，多元胶凝材料的复合，在形态上起到互补的作用，从微观结构改善复合材料宏观性能。

1.2 膨胀剂

红黏土稳定固化中膨胀剂的主要作用在两个方面，一是缓凝作用，另一个方面是随着体积的膨胀，起着补偿收缩和充分填充红黏土颗粒间隙的作用。

1.3 碱性激发剂

粒化矿渣和粉煤灰主要是以玻璃体的形式存在，玻璃体结构比较稳定，表面相当致密，活性不高，水化作用生成的Ca（OH）2很难对玻璃体表面进行溶解。采用碱性激发剂可以改善粉煤灰的和易性，破坏粉煤灰玻璃球的硅氧键和铝氧键，提高粉煤灰的活性，促进粉煤灰与水泥的水化反应速度，使整个化学反应向有利的方向进行。

1.4 聚合物

本次研究所使用的聚合物为水溶性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力。在红黏土的稳定固化中主要作用如下：①吸附架桥：高分子聚合物分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒凝聚成聚集体。②表面吸附：微观分子上的极性基团颗粒的各种吸附。③增强作用：分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状，起到增强作用。

2 路用改良红黏土水理性质试验

2.1 含水量

试验土样为贵阳市花果园的残积红黏土，其母岩为白云质灰岩及白云岩，该地区残积红黏土液限高、黏性好、较难于稳定，必须在改良后才能实施工程建设。对固化剂掺入量为红黏土质量的0%、3%、5%、9%、13%的路用改良红黏土进行室内试验。

土体的含水量变化是解决路用改良红黏土稳定、固化的先决条件，将参入0%、3%、5%、9%、13%固化剂的试样分别在60℃（烘干）与110℃（烘干）的条件下养护7d、28d、60d，测其含水量，得到加固后红黏土随温度、时间变化的含水量变化特征。

由图1、图2 可见，不掺入固化剂时，红黏土的含水量与温度、时间的变化无关。当掺入固化剂后，其含水量在不同温度下有所改变。烘干温度60℃比烘干温度110℃时的含水量小，说明钙钒石发生生成效应。碱性激发剂与粉煤灰中的活性二氧化硅和活性氧化铝之间发生反应，这些反应产物具有良好的水稳性和抗冻性，而生成产物中的水化铝酸钙并不是最后的生成物，将继续与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙进一步反应，当温度大于60℃时，生成三硫型水化铝酸钙（简称钙矾石），结晶水转变为自由水。在时间进程中，含水量不断增加，说明化学反应不断进行，自由水向结构水转变。

图1 60℃时含水量随时间的变化

图2 110℃时含水量随时间的变化

2.2 最优含水率

考虑到红黏土与固化剂的充分混合反应，采用重型击实仪进行试验，从击实曲线（图3）上可以看出，路用改良红黏土的最大干密度随固化剂的增加向含水量降低的方向移动，即最优含水量逐渐减小，其最大干密度也有所降低。随着固化剂掺入量的增加，最大干密度降低了0.2%~2%，最优含水量降低了1.8%~18.3%，固化剂掺入量对最优含水量的影响大于对最大干密度的影响。击实曲线逐渐平缓，说明密度随含水量增大逐渐减小，即土的控制含水量范围增大，此特点对于含水量变化较大的红黏土来说有重要意义。

图3 不同固化剂掺量下的击实试验

2.3 稠度状态

对固化剂不同掺入量的土样养护0h、24h、72h 后，测定其液、塑限，并记录试验结果，如图4 所示。

图4 不同固化剂掺量下液、塑限的变化

图4 给出的是路用改良红黏土液、塑限与固化剂掺入量之间的关系，从试验中可以看出：掺入固化剂掺入量3%时，试样塑性指数有些许下降；当含量高于5%时，塑性指数随固化剂掺入量增加而减少，使红黏土在塑、液含水量增大的情况下，其塑性变形区间变窄，反映稳定固化后的良好工程特性；塑性指数略有减小，但仍保持在30 以上，说明红黏土的可塑性与红黏土的可塑性大体相同，改良后的红黏土黏性颗粒在工程状态、物理特征方面依然表现出有良好的黏连性，使红黏土作为胶凝材料的理想得以实现。不像以往黏土稳定需将塑性指数降到17 以下，彻底改变土体中黏粒的工作状况，使土体不再具备黏性，无法成为胶凝材料。试验表明改良的过程不是简单的改变红黏土的物理化学性质，而是保留了红黏土的优良品质，使红黏土的高塑性得到了改善，遏制了红黏土水稳定性差的工程特性。

2.4 胀缩性

红黏土的胀缩性主要与成因、矿物成分、孔隙比、颗粒连结以及天然含水量等因素有关，它具有特殊的低膨胀、高收缩性的特性。不同固化剂掺入量的复合红黏土材料对应的胀缩性试验结果见表1。从表1 中得出如下结论：①随固化剂掺入量增加，自由膨胀率迅速降低。②随固化剂掺入量增加，膨胀应力有降低趋势。③随固化剂掺入量增加，收缩系数有减小趋势。④在有压力下，随固化剂掺入量增加，膨胀率呈减小趋势。

表1 不同固化剂掺量的红黏土膨胀试验结果

2.5 水稳性

水稳性是红黏土改良后的一个重要指标，是指遇水抗破坏的能力。表2 是不同固化剂掺入量的路用改良红黏土水稳性分析试验结果。水稳定性系数是以不同龄期饱水抗压强度与干抗压强度的比值表示，用以表征水稳定性，系数越大，则水稳定性越好。

表2 不同养护天数水稳情况

由表2 可见，改良后的红黏土随固化剂掺入量增加而水稳性增强，随养护时间增加水稳性增强，固化剂掺入量太低时，如固化剂掺入量3%，5%时，由于红黏土不能全面固化，固化部分与未固化部分膨胀性差异增大而很快破坏，以至于破坏速度超过了纯红黏土。

3 结语

针对自然红黏土地球化学敏感性和水稳定性差的问题，提出红黏土作为路用复合材料的改良方案，分析了改良原理，并从多种水理性质试验结果及指标证实改良效果，可得到以下结论。

（1）路用改良红黏土仍然具有高塑限、高液限的特征，随着掺入固化剂掺入量的增加，其塑性指数、最优含水量均有所降低，但仍然是一种具有良好黏连性的胶凝材料，保持了自然红黏土的优良品质。

（2）随固化剂的掺入量增加，路用改良红黏土的膨胀性大为减少。当掺量到达较佳剂量时，膨胀收缩区间压缩，反映出红黏土的收缩膨胀受到良好的控制和稳定，改良后的土体趋于稳定。

（3）改良后的红黏土随固化剂掺入量增加、养护时间增加水稳定性增强。