不同改良方案下路基红黏土的水稳性对比研究

雷 鑫

(中山市交通项目建设有限公司, 广东 中山 528400)

1 引言

红黏土广泛分布在我国云贵高原、四川东部、两湖和两广北部一些地区，是一种区域性特殊土，具有天然含水率高、孔隙比大和较强的结构性等特点[1]。随着国家交通建设发展，许多公路不可避免地需要穿越红黏土分布地区，若对沿线红黏土弃之不用，必然造成一定的环境破坏和成本增加。因此，国内外学者对红黏土改良进行了大量研究，黄俊等[2]发现改良剂对红黏土CBR的改良作用比较明显，但对最优含水率和最大干密度几乎没有影响。莫百金等[3]指出随着砂砾掺比的增大，红黏土中细粒组分占比减少，从而使得液塑限和收缩性降低，利用砂砾对高液限红粘土进行物理改良是可行有效的。叶琼瑶等[4]采用多种措施研究全兴高速路基红黏土改良，发现物理改良(如掺砂砾)比较经济有效。罗斌等[5]从经济性、安全性等方面出发，得出了红黏土改良的碎石最优掺配率。李光等[6]依托衡枣高速公路红黏土路基填筑项目，分析了红黏土经过石灰改良后的强度以及石灰掺量与压实度之间的关系。树文新[7]研究了石灰改良红黏土填筑路基的效果，认为经过石灰改良后，红黏土的各项指标都能有效改善，并能达到施工技术规定的要求。陈红彪[8]探讨了红黏土路基掺灰砂化的问题，介绍了掺灰砂化机理以及施工工艺，并总结得出了含水率控制、掺灰量控制的具体措施。

红黏土区域差异明显，结构性极强，采用何种改良方案要因地制宜，且红黏土的工程特性容易受到自然环境变化影响，其改良土的水稳性优劣是判别改良方案是否有效的重要标准[9-10]。本文从某公路路基现场提取红黏土，以水泥改良、石灰改良、固化剂改良3种方案，对干湿循环后的改良红黏土无侧限抗压强度进行分析，判别不同改良方案对水稳性的影响，为改良方案的确定及配比选择提供参考。

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

1) 红黏土：在广东省中山市某一级公路路基现场2个试坑中提取，其基本物理性质见表1。

2) 水泥：采用P·C32.5水泥，通过室内试验检测，水泥初凝时间为230 min，终凝时间为327 min，所检指标均满足技术要求。

3) 生石灰：碳酸钙为主要成分在适当温度下进行锻烧，放出二氧化碳，得到以氧化钙为主要成分的生石灰，重度约12.1kN/m3，莫氏硬度为2～3，抗压强度为3～7MPa。

表1 红黏土的基本物理性质编号最大干密度/(g·cm-3)最优含水率/%液限wL/%塑限wP/%粒组含量/%<0.2 mm<0.075 mm1#1.6225.184.139.410083.32#1.5823.785.237.210087.2

4) 固化剂：采用广东某公司生产的固化剂，由激发剂、催化剂、电解质和表面活性剂组成，弱碱性，黑褐色粉末，易溶于水。

2.2 试验方案

按照不同配比将改良剂掺入红黏土中，均匀拌和，参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中有关内容，制备圆柱体试样(见图1)。干湿循环过程如下：将制作成型的试样放入烘箱中进行脱湿处理，24h后将试样取出，进行真空抽气及24h浸水饱和(见图2)，至此完成1次干湿循环，干湿循环次数设定为1、2、3、4、5次，每次干湿循环完成后，测定试件所能承受的最大荷载，结果精确至10N，并利用公式(1)计算每次干湿循环单个试件的无侧限抗压强度，最后取其平均值作为试件干湿循环后最终无侧限抗压强度值。

图1 红黏土试样

图2 真空抽气及浸水饱和

RC=P/A

(1)

式中：RC为无侧限抗压强度，计算至0.01MPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；A为受压面积,mm2。

3 试验结果分析

3.1 水泥改良水稳性分析

对1#红黏土进行水泥掺量为1%～8%的改良，对2#红黏土进行水泥掺量为4%～8%的改良。图3、图4为不同水泥掺量(质量比)下1#和2#改良土无侧限抗压强度(UCS)随干湿循环次数的变化。

图3 1#水泥改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

由图3可以看出：1#水泥改良红黏土经干湿循环后强度较干湿循环前有所减少，这是因为土体结构在干湿循环条件下结构被破坏，尽管各个水泥掺量的强度线型有波动，但整体趋势较为相似，水泥掺量越大，强度减少的相对幅度越小。在经过第1次干湿循环后抗压强度损失最为明显，之后的多次干湿循环抗压强度变化趋缓。

图4 2#水泥改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

由图4可以看出：2#水泥改良红黏土经干湿循环后强度较干湿循环前普遍降低，在第1、2次干湿循环条件下抗压强度减少较快，而后的3、4、5次干湿循环条件下抗压强度呈小幅度波动状态，表明抗压强度逐渐趋于稳定。

总体来看，若无侧限抗压强度要长期保持在1.5 MPa以上，则水泥掺量应达到6%以上。

3.2 石灰改良红黏土水稳性研究

对1#、2#红黏土分别掺入3%、5%、7%、9%的石灰，按照操作步骤进行不同石灰掺量改良红黏土在不同干湿循环条件下的水稳性试验，绘制出改良红黏土无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系曲线，如图5、图6所示。

图5 1#石灰改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

图6 2#石灰改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

从图5、图6可以看出：1#石灰改良红黏土经干湿循环后强度较干湿循环前有所减少，不同石灰掺量下的强度线型有波动，但整体随着干湿循环次数的增加呈递减趋势。从图中看出干湿循环抗压强度呈小幅度波动状态，表明干湿循环对抗压强度有持续影响。2#石灰改良红黏土经干湿循环后强度变化与1#类似，但是变化幅度较小。总体来看，在经过第1次干湿循环后抗压强度减少明显，但不同石灰掺量之间抗压强度相互有交叉，虽然在多次干湿循环后抗压强度都呈大幅度波动状态，但最后抗压强度逐渐趋于稳定。对于无侧限抗压强度，石灰改良的效果不如水泥改良，多次干湿循环后无侧限抗压强度基本小于1 MPa。

3.3 固化剂改良红黏土水稳性研究

在1#、2#红黏土中分别掺入5%的固化剂，按照操作步骤进行固化剂改良红黏土在不同干湿循环条件下的水稳性试验，绘制出各固化剂改良红黏土无侧限抗压强度与干湿循环次数的关系曲线，如图7、图8所示。

图7 1#固化剂改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

图8 2#固化剂改良红黏土无侧限抗压强度曲线图

由图7和图8可以看出：固化剂改良后红黏土的强度会随着干湿循环次数的增加呈减小趋势，并且随着干湿循环次数的增加，强度有快速减小的趋势。因此固化剂不宜单独使用，建议与水泥、石灰配合使用。

4 结论

对不同改良方案下改良红黏土干湿循环后的无侧限抗压强度进行分析，得到如下结论：

1) 采用水泥、石灰、固化剂分别对红黏土改良并进行水稳性试验，三者在干湿循环后都有不同程度的无侧限抗压强度损失，其中水泥和石灰改良土在一定干湿循环次数后强度趋于稳定。

2) 水泥改良提升强度的效果最佳，且水稳性较好，当水泥掺量达到6%以上时，经历多次干湿循环后的改良红黏土强度仍保持在1.5 MPa以上。

3) 在干湿循环前石灰改良红黏土的强度低于固化剂改良红黏土，但干湿循环后，固化剂改良红黏土的强度有快速减小趋势，因此，固化剂不宜单独使用。