水泥改良桂林红粘土的试验研究

刘之葵， 邱晓娟， 雷　轶

(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)



水泥改良桂林红粘土的试验研究

刘之葵1,2， 邱晓娟1,2， 雷轶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)

[摘要]为了研究水泥掺量和养护时间对桂林红粘土的改良效果，通过直剪试验、液塑限联合测定法等室内定量试验进行分析。经试验测定，在相同水泥掺量时，桂林红粘土粘聚力增长呈先快后慢势态。在相同养护龄期时，内摩擦角随水泥掺量增加而增大，而粘聚力增大则更明显。液塑限和界限含水率提高。究其原因，掺入水泥并养护使得桂林红粘土与水泥发生凝结核硬化，构成团粒、镶嵌、胶结的空间结构，表现出较高的假粉、砂性特征。

[关键词]水泥改良红粘土; 水泥掺量; 养护时间; 抗剪强度; 液塑限

0前言

由于红粘土属于特殊性土，不时引起诸如边坡开裂、水库渗漏、路基下陷、地基承载力不够等工程地质问题而严重影响到实际工程的安全、稳定运行。因此，对红粘土的工程地质适应性的研究和试验，以及红粘土的性能改良，具有重要的工程实际意义。关于红粘土的改良，各方学者已进行了大量研究。易剑波[1]、罗斌[2]、杨建华等[3]运用碎石改良红粘土，以提高其压实度和土体强度等在工程方面的适用性。莫百金等[4]进行了砂砾改良红粘土的研究，分析了不同砂砾掺配率下的改良效果及原因，提出了确定最佳掺配率的方法；黄俊等[5]通过加入NCS-4固化剂与粘土发生化学反应，降低红粘土的含水量，提高其路用性能；李晓全[6]、郭培玺[7]、刘宝臣等[8]研究了水泥加固红粘土的无侧限抗压强度，分析了水泥红粘土的强度增长机理；栾传宝[9]研究了粉煤灰对红粘土强度及含水量的影响；施灿海等[10]运用纤维、纤维水泥对云南红粘土改良，分析其抗剪强度和无侧限抗压强度的增长机理；赵振亚等[11]进行了水泥红粘土的抗冻性研究，分析了不同水泥掺量时的抗冻性增长趋势。除了尝试掺入单一的改良剂或改良物改良红粘土的工程性质之外，还有学者进行了混合掺料试验，如粉煤灰与砂砾的混合，石灰与砂的混合，水泥与粉煤灰的混合[2，12，13]等等。关于桂林红粘土的改良加固问题，吴瑞潜等[14]研究了水泥和粉煤灰加固红粘土的强度，分析并探讨了水泥和粉煤灰加固红粘土的机理；叶琼瑶等[15]利用砂砾、石灰、粉煤灰、二灰、水泥及“康奈”改良剂等对高液限桂林红粘土路用性能进行了研究，提出了针对性的改良措施。

桂林是我国最典型的岩溶发育区，红粘土广泛分布，桂林红粘土具有独特的成分和结构，但采用水泥改良对桂林红粘土的液塑限、抗剪强度等的影响，研究得还很不深入。对水泥改良桂林红粘土进行试验研究，无论从理论上，还是工程实践的需要上，都显得十分的必要。

1水泥土样试块的制备和试验方法

1.1试验材料(见表1)

① 土样： 试验采用的红粘土来自桂林市凯风路东侧原空军学院内，场地总体呈北高南低之势，整个地势相对平坦。场地标高156.045～160.948 m ，地貌单元为峰丛平原亚区地貌，下伏地层为上泥盆统融县组石灰岩。红粘土分布全场地，层厚平均8.24 m，棕红色、稍湿，分硬塑和可塑两个亚层。

表1 桂林市凯风路东侧空军学院场地红粘土一般力学性质指标Table1 Mechanicalpropertiesindexofred-clayineastoftheairforceacademyinkaifengroadguilin颜色状态岩土参数ω/(%)湿密度/(g·cm-3)棕红色硬塑最大值32.21.88最小值23.61.74平均值27.91.80棕红色可塑最大值42.11.94最小值33.41.83平均值37.71.87孔隙比e粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)N击/30cm1.14597.7534.2110.76959.7416.280.93979.223.49.31.22824.4417.770.94215.73.451.07621.0810.56.2

②水泥： 试验所选用的为普通硅酸盐水泥。

1.2试验目的

为了研究水泥红粘土抗剪强度、液塑限与水泥掺量、养护龄期之间的关系，根据不同目的分别对不同试块进行直接剪切试验和液塑限联合测定试验。

1.3试验方案

试验主要考虑因素为： 水泥掺量、养护龄期。并据此设计试验方案。水泥掺量分为5%、8%、12%、16%、20%，养护龄期为1、7、14、28 d，按照水泥掺量和养护龄期的不同试验共有20组，进行平行试验，每组4块试样，共计80块。试验历时28 d。

1.4试验方法

首先制备土样。取回土样后将其风干，再碾碎，过2 mm筛。然后将过完筛的土放入烘箱内烘干，烘干时温度在100～110 ℃。待烘干的土冷却后，按不同的水泥掺量，26%的含水率配制土样，放入湿沙中静置一天后，采用压样器开始制样。试样为环刀样，试验尺寸为61.8×20 mm。试验制备好后，用保鲜膜包裹，放入湿沙中养护。

试验采用四联剪ZJ型应变控制式直剪仪和液、塑限联合测定仪。

2试验结果及分析

2.1水泥掺量、养护周期对水泥红粘土粘聚力的影响(实验仪器如图1所示)

图1 四联剪ZJ型应变控制式直剪仪及剪切后的试样Figure1 QuadrupleshearspecimenZJtypestraincon-trolleddirectshearapparatusandshearedsamples

水泥红粘土的剪切试验结果如图2所示。

图2　水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土粘聚力关系曲线Figure 2　Curve about cement content, curing period and cohesive force of cement-treated red-clay

从图2中可看出: 水泥能大幅提高红粘土粘聚力，且水泥红粘土粘聚力随着养护龄期的延长、水泥掺量的增加而不断提高，但增长幅度有所减缓。实验中，水泥红粘土最大粘聚力为素红粘土的8.5倍。

为了更好的研究水泥掺量和养护龄期与桂林岩溶红粘土的关系，分别以水泥掺量和养护龄期为横坐标，粘聚力为纵坐标，水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土粘聚力数据拟合如图3所示。水泥掺量与粘聚力具有较好的相关性，养护龄期与粘聚力也具有一定的相关性，但是较前者差。

图3　水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土粘聚力拟合曲线Figure 3　Fitting curve about cement content, curing period and cohesive force of cement-treated red-clay

水泥掺量相同时，前期粘聚力增长速度较快，后期增长较缓慢。这是因为在前期，水泥与水接触后立即发生水化、水解反应，介质溶液中析出大量钙离子，离子交换的粒团化作用迅速发生，能形成水泥土的团粒结构，使水泥土的强度大大提高。而在中后期，随着离子交换作用的逐渐完成，硬凝反应开始发挥作用，但硬凝反应生成的化合物硬化速度较慢，所以会造成前期粘聚力增长速度快，后期增长较缓慢的现象。

在剪切过程中，当水泥掺量小时，水泥红粘土的剪切破坏为塑性破坏，但当水泥掺量增大到一定程度时，其剪切破坏呈脆性破坏。这是因为在水泥红粘土中，水泥水解、水化作用生成硅酸钙物质，这种水化产物呈纤维状或网络状，能把红粘土中的骨架颗粒牢牢地粘结在一起，构成“团粒、镶嵌、胶结”的空间结构，起到固化剂的作用。当水泥掺量较少时，这种水化产物也生成的较少，只能使土中粘粒团聚，不能构成紧密的纤维状连锁网络骨架，不能改变红粘土的变形特性，水泥红粘土与红粘土的结构比较相近；但当水泥掺量大时，水泥与红粘土中的水分发生反应，凝结、硬化而形成水泥石骨架，并包裹着土颗粒，而水泥水解、水化而形成的纤维状结晶不断的延伸、充填到粘土颗粒间的空隙中去，形成致密的网状结构，大大提高了原状红粘土的强度，水泥红粘土的骨架结构与混凝土相似，当受到很大外力作用，超过水泥红粘土的抗剪强度时，水泥红粘土很快出现脆性破坏，沿整个剪切面断开，残余强度很小或几乎没有。

2.2水泥掺量、养护龄期对水泥红粘土内摩擦角的影响

水泥红粘土内摩擦角试验数据如图4所示。

图4　水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土内摩擦角关系曲线Figure 4　Curve about cement content, curing period and internal friction angle of cement-treated red-clay

由图4可以看出: 当水泥掺量小于l2%时内摩擦角随掺入比增加且增长幅度较大，但当水泥掺量大于12%时，有小幅下降。与素红粘土相比，内摩擦角增长幅度在45%～140%之间。在同一水泥掺量中，随着养护龄期的增加，内摩擦角稳步上升，但随着养护龄期的延长，增大的幅度会逐渐减小。

对水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土内摩擦角进行数据拟合，其关系如图5所示。水泥与内摩擦角的相关性较差，相关系数最大的仅为0.2648。养护龄期与内摩擦角的相关性较好。水泥掺量为12%时，养护龄期与内摩擦角的相关性最好，相关系数为0.9574。

图5　水泥掺量、养护龄期与水泥红粘土内摩擦角拟合曲线Figure 5　Fitting curve about cement content, curing period and internal friction angle of cement-treated red-clay

土的抗剪强度从物理理论上区分为摩擦强度和粘聚强度，但若进一步研究，按照固体摩擦的现代理论，摩擦的实质也是一种分子现象。摩擦系数来源于接触面上的分子引力，当物体滑动时，接触面积上的分子引力阻碍物体相对移动，这就是摩擦现象的微观实质，与粘聚力相似，所以在前期，水泥在红粘土中发生的各种水化、水解反应以及胶结作用等，使水泥红粘土中内摩擦角增长趋势与粘聚力相似。

但随着养护龄期的延长，水泥掺量的不断增加，土体中粘粒越聚越大，当土粒粒径增大到一定程度时，其内摩擦角会有回落，原因可能是粗颗粒的重心离剪切面远，受剪切作用，容易产生局部滚动摩擦的缘故，所以会出现图4中所示情况，在相同的养护龄期下，20%水泥掺量、16%水泥掺量的水泥红粘土较12%掺量的水泥红粘土内摩擦角小幅减小的状况。

2.3水泥掺量、养护龄期对水泥红粘土液、塑限的影响

水泥红粘土液、塑限试验数据如图6所示。

图6　养护龄期与液塑限关系曲线Figure 6　curing period and liquid and plastic limit curve

由图6可以看出：水泥红粘土随着水泥含量的增加、养护龄期的延长，液限有小幅提高，涨幅在1.9%～13.4%之间；塑限有明显的提高，涨幅在11%～67%；塑性指数总体上呈减小的趋势。

① 水泥水化、水解生成不溶于水、稳定的结晶化合物，在水中和空气中逐渐硬化，形成了致密的结构，使水分不易侵入，土粒的亲水性明显减弱，塑性指数降低。

② 随着养护龄期的延长，水泥胶结作用逐渐体现，土中结构单元体的团聚性在不断增大，而粒径微小的粘粒含量则不断减小，大颗粒逐渐增多，土体表现出较高的“假粉、砂性”特征，土体塑限明显提高。

③ 水泥水化、水解后产生的凝胶粘附在土颗粒表面或溶于介质溶液中，但在液限时，由于土中存在较多的水，胶体不能析出，土的液限增加不明显，只有小幅增加；而在塑限时，溶于介质溶液的胶体析出，发挥胶结作用使得塑限增加效果明显。故土的液、塑限增加，而塑性指数降低。

④ 红粘土中掺入水泥后，水泥与土中矿物成分、孔隙水等发生一系列反应，能消耗掉大量的水，并能将大量的水紧紧的吸附在颗粒表面，成为强结合水，提高了红粘土的界限含水率。

3结论

桂林红粘土由于其特殊的成因过程及成因环境，其中矿物含量与一般粘土有本质的区别，在不同环境条件下，工程性质也有很大区别。

① 水泥能使红粘土粘聚力大幅提高。相同水泥掺量的条件下，前期粘聚力增长速度较快，后期增长较缓慢；养护龄期相同时，水泥掺量越大，红粘土的粘聚力会越高，并且随着水泥掺量的增加，效果越来越明显。

② 在相同的养护龄期下，当水泥掺量小于12%时内摩擦角随掺入比增加且增长幅度较大，但当水泥掺量大于12%时，有小幅下降。

③ 水泥红粘土随着水泥含量的增加、养护龄期的延长，液限有小幅提高；塑限有明显的提高。塑性指数由液限与塑限决定，液限的增长速度明显小于塑限的增长速度，塑性指数总体上呈减小的趋势。

④ 水泥能提高红粘土的界限含水率，土体会表现出较高的“假粉、砂性”特征。

[参考文献]

[1]易剑波. 高速公路红粘土路基填筑施工与改良方法研究[J]. 公路工程，2012，10(37-5):141-143.

[2]罗斌，赵雄.碎石改良高液限红粘土的试验研究[J].公路工程.2009，4(32-2):131-134.

[3]杨建华，彭勇. 改良高液限红粘土回填材料性质的方法研究[A]. 贵州省岩石力学与工程学会2013年学术年会论文集[C].2013:231-233.

[4]莫百金，李跃军.砂砾改良高液限红粘土的试验研究[J].公路,2008(8):226-229.

[5]黄俊，龚南生，李晓键. 高等级公路路基红粘土填料试验研究[J].路基工程，2007(3):30-31.

[6]李晓全，马石城，屈畅姿，等.水泥红粘土的强度试验研究[J].公路工程，2007，12(32-6):49-52.

[7]郭培玺. 红粘土地区水泥土强度的试验研究[D].桂林:桂林工学院，2004.

[8]刘宝臣，李翠娟，潘宗源，等.水泥搅拌法改良桂林红黏土力学性质试验研究[J]. 工程地质学报，2012(4):633-638.

[9]栾传宝.粉煤灰改良红粘土性能试验研究[J].内蒙古科技与经济,2013(1):116-118.

[10]施灿海，李猛，王绍强，等. 改良云南红粘土强度特性研究[J].科学技术与工程，2011，3(11-9):2137-2140.

[11]赵振亚，申向东，宋小园. 水泥红粘土抗冻性的试验研究[J].硅酸盐通报，2012，6(3):702-705.

[12]万智，任毅，秦敏，等. 改性红粘土的击实特性试验研究[J]. 公路工程，2013，4(2):6-11.

[13]易平.高液限黏土作路基填料改良方案现场试验研究[J]. 山西建筑,2008(23):172-173.

[14]吴瑞潜，谢康和，陈先华，等.水泥和粉煤灰加固红粘土的试验研究[J].工业建筑,2006(7):29-31.

[15]叶琼瑶，陶海燕.高液限红粘土的改良试验研究[J].公路，2007(1):148-151.

[16]屈晓化，任毅，秦敏，等.击实红粘土的强度特征试验研究[J].湖南交通科技，2013(2):5-8.

The Test Study on Guilin Cement Improved Red-Clay

LIU Zhikui1,2, QIU Xiaojuan1,2, LEI Yi1,2

(1. College of Civil Engineering and architecture, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China; 2. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin, Guangxi 541004, China)

[Abstract]To study the improvement effect of cement content and curing time on the Guilin red-clay by analysis of direct shear tests and assays Macro function indoor quantitative test. It measured that the Guilin red-clay cohesion slows down after growth momentum by the same cement content. At the same curing period, internal friction angle increases with increasing cement content, while increasing cohesion is even more obvious, and the Liquid and plastic limits and boundaries of the moisture content increased. The reason is that incorporation with cement and conservation makes Guilin red-clay and cement hardening occurs. Then condensation nuclei form aggregates, mosaic, spatial structure cementation appear, showing high false flour, sand characteristics.

[Key words]Cement improved red-clay; cement content, curing time; and shear strength; liquid and plastic limits

[中图分类号]U 416.03

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0006-04

[作者简介]刘之葵(1968-)，男，江西兴国人，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。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51169004)；广西自然科学基金创新研究团队项目(2012GXNSFGA060001)；广西岩土力学与工程重点实验室基金项目(12-A-01-01；11-CX-02)；广西矿冶与环境科学实验中心项目(KH2012YB025)

[收稿日期]2014-10-22