石灰粉煤灰改良信阳红黏土试验研究*

2023-02-17董浩强王永康朱紫阳龚舒畅杜锐光

砖瓦 2023年2期

董浩强王永康朱紫阳龚舒畅杜锐光

（信阳学院土木工程学院，河南信阳 464000）

红黏土主要由花岗岩风化产物而形成，以高岭石、伊利石和绿泥石为主要矿物成分，因此红黏土具有大量裂隙和胀缩等工程特性，作为工程材料广泛应用于路基填料，如果不对红黏土进行改良，容易引发滑坡等工程事故[1]。目前，最常用的方案是向土体中按照一定比例掺入粉煤灰、石灰或者水泥，其中粉煤灰、石灰具有来源广、造价低、环境友好的特点，在世界各地软土工程性质改良中得到广泛应用[2、3]。钱程[4]、曾军[5]、张吉[6]在红黏土中掺入不同量的石灰，通过土工试验研究，分析不同石灰掺入量下改良土体的液塑限、塑性指数、最大干密度、承载比等指标的变化规律，从而确定石灰最佳掺入量；黄娟[7]、梁启琴[8]、刘海波[9]在红黏土中掺入粉煤灰，测试改良土体的无侧限抗压强度、自由膨胀率等指标，表明在红黏土中掺入一定量的粉煤灰可以有效改善红黏土的工程特性。本文主要针对信阳红黏土，采用掺入石灰、粉煤灰的方式，通过试验研究改良红黏土的工程力学特性变化规律，对比分析确定最佳改良方式及掺入量，从微观上分析石灰、粉煤灰改良红黏土的机制，为该地区道路建设、边坡维护提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验中使用的红黏土采集于信阳市羊山新区新十一大街滑动土坡，经测试原状红黏土天然含水量为32.3%、密度为2.02g/cm3、孔隙比为1.15、液限为28.4%、塑限为16.8%、塑性指数为11.6、最优含水量为20.5%、压缩系数a1-2为0.65MPa-1、粒径小于0.075mm的颗粒占比为67.8%。采用的石灰其中CaO含量为92.5%，粉煤灰中Fe2O3、SiO2、Al2O3含量约为83.5%。

1.2 试验方法

取一定量的红黏土，烘干后粉碎，并过2mm筛，取2mm筛下土体来制样。第一组为粉煤灰改良组，按5%、10%、15%、20%掺入粉煤灰；第二组为石灰改良组，按2%、5%、8%、11%掺入石灰；第三组为对照组，不掺入石灰、粉煤灰。三组土体含水量相同，在加入石灰或粉煤灰后，搅拌均匀，放入养护箱中恒温恒湿养护14d，然后使用手提式击实仪，制成试样。根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）测试土体的液塑限、塑性指数、直接剪切强度、无侧限抗压强度、最大干密度、最优含水量、压缩系数等指标。

2 试验结果分析

2.1 界限含水量

由液限、塑限联合测定仪测得不同配合比土样的液塑限、塑性指数如表1所示。由表1可知粉煤灰掺量由0增加到20%的过程中，当粉煤灰掺量为5%时，液塑限值达到最大值，液限先减小后增加，液塑限最小值均小于原状红黏土，塑性指数均小于原状红黏土，因此塑限、塑性指数随粉煤灰掺入量变化规律不明显。随着石灰掺量的增加，改良土体的液塑限规律不明显，塑性指数呈现出先递增再递减的趋势，在掺量为8%时达到最大值。

表1 界限含水量测试结果

2.2 直接剪切强度

对土样分别施加50kPa、100kPa、200kPa的竖直荷载，剪切速率为6r/min，改良土体直接剪切抗剪强度随粉煤灰掺入量、石灰掺入量的变化，分别如图1、图2所示。由图1可知当粉煤灰掺量为15%时，能够最大程度改善红黏土的抗剪强度，相同等级荷载下，改良后的土样抗剪强度是素土的1.19～1.33倍。由图2可知当石灰的掺量为5%时，能够最大程度改善红黏土的抗剪强度，改良后的土样是原状红黏土的1.68～2.02倍。相对而言，加入5%石灰改善土体抗剪强度的能力远大于加入15%的粉煤灰，加入石灰改良后的抗剪强度是加入粉煤灰的1.4～1.7倍。加入生石灰以后，与土中的水发生反应生成Ca(OH)2电离产生Ca2+，与土体表面的钠、钾离子发生交换，使得土颗粒表面结合水膜变薄，拉近了土颗粒的距离，让整体结构变得更加密实[10]。此外，红黏土中的矿物成分被电离出来的钙离子激化，生成胶结物，增大了土体的抗剪强度。

图1 直接抗剪强度随粉煤灰掺入量变化曲线

图2 直接抗剪强度随石灰掺入量变化曲线

2.3 无侧限抗压强度

对不同配合比的土体进行无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度随粉煤灰、石灰的不同掺灰量变化曲线如图3所示。由图3中可知，土体无侧限抗压强度随粉煤灰掺入量减小后增加，当粉煤灰掺入量为10%时，无侧限抗压强度达到最小值0.89MPa，掺入量为20%时，无侧限抗压强度达到最大值2.14MPa；土体无侧限抗压强度随石灰掺入量先增大，后减小，当石灰掺入量为5%时，无侧限抗压强度达到最大值2.96MPa。试验中发现粉煤灰含量较高时，试样呈现出一定的“脆性”，在试样两端边缘部分容易出现“掉渣”现象；掺入5%的石灰，其土体无侧限抗压强度均大于粉煤灰。因此，总体上来，看粉煤灰对红黏土改良后无侧限抗压强度的提升效果低于石灰。

图3 不同掺量对无侧限抗压强度影响曲线

2.4 最大干密度与最优含水量

不同粉煤灰、石灰掺入量下改良土体最大干密度、最优含水量测试结果分别如表2、表3所示。由表2、表3可知，改良土体的最大干密度随粉煤灰、石灰的掺入量增加而减小，最优含水量随粉煤灰、石灰的掺入量增加而增加。这是因为红黏土是团粒结构，而粉煤灰、石灰是微粒结构，粉煤灰、石灰可以填充红黏土的孔隙，这样粉煤灰、石灰中的活性物质发生水化作用，生成新的物质，这些物质填充红黏土中的孔隙；粉煤灰、石灰的颗粒较细，比表面积较大，具有较强的亲水性，使得最优含水量随粉煤灰、石灰掺入量增加而增加，最大干密度反而减小。

表2 粉煤灰改良红黏土击实试验结果

表3 石灰改良红黏土击实试验结果

2.5 改良土压缩性评价

将掺入不同量的粉煤灰、石灰的混合土制成试样，使用单向固结仪土进行无侧限压缩试验，施加荷载分别为50kPa、100kPa、200kPa、400kPa四级荷载，根据改良土体的初始孔隙比及每级荷载压缩稳定的累计变形量，计算出对应的孔隙比，最终得到压缩系数a1-2，压缩系数a1-2随粉煤灰、石灰掺入量变化规律如图4所示。从图4可以看出，掺入粉煤灰、石灰均能降低土体的压缩性；当红黏土掺入粉煤灰时，其压缩系数随粉煤灰掺入量增加而增大，然后趋于稳定值0.2MPa-1，从压缩性降低到中等压缩性；当掺入石灰时，压缩系数先随石灰掺入量的增加而减小，后又增大，当石灰掺入量为5%时压缩系数为0.18MPa-1，为低压缩性土。

图4 不同掺量下压缩系数变化曲线

3 微观结构分析

3.1 试样制备

在对土体进行直接剪切试验以后，分别取原状红黏土、粉煤灰掺入量20%、石灰掺入量5%剪切破坏土样，分别取一小块土样，经烘箱烘干后，使用场发射扫描电子显微镜，观察改良后土体孔隙分布及孔隙充填情况。

3.2 改良土体微观结构分析

使用场发射扫描电子显微镜对原状红黏土及改良土体进行电镜扫描，如图5所示，其中（a）为原状红黏土、（b）为粉煤灰掺入量20%改良土样、（c）为石灰掺入量5%改良土样。从图5可知，原状红黏土颗粒形状不规则、颗粒之间存在较大孔隙，掺入粉煤灰、石灰，一方面粉煤灰、石灰中的细颗粒可以充填红黏土孔隙，另一方面粉煤灰、石灰中的部分活性物质与红黏土中的自由水发生反应，生成凝胶物质覆盖在土粒表面及充填在孔隙，增加土体的内粘聚力和内摩擦角，以此提升红黏土的工程特性。图5中（b）与（c）对比分析可知，粉煤灰改良的主要是颗粒充填红黏土孔隙，土颗粒表面覆盖物较少；石灰改良红黏土主要是中CaO产生反应，产生了较多凝胶物质覆盖在土颗粒表面，同时包裹土颗粒，且凝胶物质相互胶结。