石灰改良红粘土物理性质及微观结构研究

张 吉，董家兴，徐光黎，曹紫超

(1.曲靖师范学院 应用技术学院，云南 曲靖 655011；2.昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500；3.中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

红粘土属特殊岩土体，广泛分布于我国南方地区，具有高液限、高塑限、高天然含水率、吸水膨胀、失水收缩的特征，属于膨胀土，在路基工程中难以压实，不得直接用做路基填料，需进行改良或换填.武汉市地铁11号线长岭山车辆段附近分布有大量红粘土，路基最高填方约为20m，为保证厂区填挖平衡需用红粘土做填料，拟采用石灰改良.红粘土改良后作为路基材料研究主要集中在改良材料、微观形貌、作用机理等方面.王奕博等[1]评价了不同含水量条件下矿粉加固红粘土效果.陈佳雨等[2]研究了纤维含量及长度对红粘土强度的影响，并用扫描电子显微镜(SEM)研究了纤维改良红粘土机理.刘之葵等[3]研究了水泥含量和固化时间对桂林红粘土强度的影响.相比矿粉及纤维等改良材料，石灰具有材料价格低廉、环境友好、原料易获取、施工工艺成熟的特点.余佳兴[4]采用不同掺量石灰、砂土改良红粘土，并将其改良效果作对比.谭罗荣等[5]研究了某类红粘土工程性质及微观结构，并提出了一种土体凝胶胶结结构模型.万智等[6]研究了石灰、砂土、石灰和砂土三种材料对红粘土压实效果的影响.刘磊等[7]研究了0%、2%、4%、6%四种石灰掺量下江西红粘土物理性质[7].我国在新长铁路及312国道中，分别用5%、6%掺量石灰改良沿线膨胀土[8].

综上，国内外研究关于如何确定最优石灰掺量比报道较多，对不同石灰掺量下红粘土物理力学性质报道较少，对石灰掺量与红粘土物理力学性质变化规律报道则更少，而这是揭示石灰改良红粘土强度演化的关键.本研究通过设计不同石灰掺量红粘土水理性质及抗剪强度试验，并结合SEM试验，从宏微观角度分别研究改良红粘土强度增长过程及机理，得出一些有益的结论，对路基工程领域红粘土改良提供经验参考.

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

为使试验具有代表性、可重复性、可对比性，试验所用红粘土取自武汉市地铁11号线长岭山车辆段，红褐色，局部夹少量灰岩碎块，为典型的南方红粘土.红粘土取回后，通过室内土工试验测得物理参数表如表1所示.通过X衍射试验半定量分析，测定红粘土矿物成分.结果表明，红粘土中蒙脱石含量为22.6%，伊利石含量37.42%，高岭石含量14.45%，石英含量22.7%，方解石含量1.03%，黄铁矿含量1.72%.通过自由膨胀率试验，红粘土自由膨胀率为66.7%.按铁路路基设计规范规定[9]，长岭山车辆段红粘土填料为D类填料.按铁路工程岩土分类标准分类[10]，此处红粘土具有中等膨胀潜势，不得直接填筑，需改良或换填.

表1 红粘土基本物理性质参数

1.2 试验仪器及方法

以干土质量为标准，定义石灰掺量为石灰与干土质量百分比，定义含水率为水与干土质量百分比.石灰掺量设定为0%、1%、3%、5%、7%、9%六种值.

采用塑液限联合测定仪测量红粘土塑液限值，仪器型号LP-100D，试验所用圆锥重76g.采用量筒测量自由膨胀率值，量筒容量50ml.为模拟石灰改良土养生过程，将红粘土烘干至恒重，碾碎过0.5mm筛.按试验配比配制土膏，将土膏装入塑料袋闷样3d，让石灰和红粘土充分反应.闷样结束后，将土膏烘干至恒重，碾细再过0.5mm筛，测量塑液限值及自由膨胀率值.

红粘土击实试验按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)进行，试验所用仪器为重型击实仪，仪器型号STJ-Ⅱ.

采用直剪试验方法研究石灰掺量与红粘土抗剪强度变化规律，仪器采用ZJY-2型应变直剪仪.制样环刀内径61.8mm，高20mm.试样含水率35%，龄期7d，干密度1.4g·cm-1，设立6组对比试验，掺灰率设定为0%，1%，3%，5%，7%，9%.在样品上记录下制样时间、掺灰率等信息，将样品放置于保湿缸中养护7d，养护结束取出进行直剪试验.垂直压力按100kPa、200kPa、300kPa、400kPa施加[11].

采用X衍射试验测定红粘土矿物成分，仪器型号D8-FOCUS，产地德国.采用电镜扫描仪器研究红粘土微观结构，仪器型号Quanta200，荷兰FEI公司生产.

2 试验结果与分析

2.1 物理性质

通过液塑限试验，测得不同石灰掺量红粘土液塑限值并计算塑性指数.如图1所示，石灰掺量由0%增至9%，红粘土液限及塑限先是有所降低，然后有所回升，变化幅度较小，规律性不强.石灰并不能大幅降低红粘土液塑限值，这与文献[12]研究结果一致.

图1 塑液限曲线

如图2所示，石灰掺量小于3%，红粘土自由膨胀率随石灰掺量增加迅速衰减，石灰掺量大于3%，自由膨胀率衰减变缓.石灰掺量超过7%，红粘土自由膨胀率随石灰掺量增加反而有所回升.红粘土黏粒周围吸附有大量Na+、K+水化阳离子，石灰与水作用电解产生的Ca2+将低价Na+、K+置换出，红粘土膨胀性降低.离子交换作用程度是有限的，当Na+、K+置换完毕后，过量石灰产生的Ca2+反而增大红粘土膨胀性.

图2 自由膨胀率曲线

如图3、图4所示，改良红粘土最优含水率随石灰掺量增加而增加，石灰掺量由0%增加至9%，红粘土最优含水率由24.61%增至29.01%.红粘土最大干密度随生石灰增加而减小，石灰掺量由0增加至9%，红粘土最大干密度由1.641g/cm3降低至1.551g/cm3.红粘土具有高天然含水率，加入石灰后红粘土最优含水率升高，有利于施工含水率控制.试验过程中还发现，加入石灰后，红粘土产生“砂化”效应，更易压实，有效克服了碾压过程中的“橡皮土”现象.

图3 击实曲线

图4 干密度和含水率曲线

2.2 力学试验

分析直剪试验相关数据，掺灰率小于3%，随掺灰率增加，红粘土剪应力上升迅速，掺灰率大于3%，剪应力上升速率变缓.如图5所示，以垂直压力400kPa为例，掺灰率由0%增至3%，红粘土抗剪强度由110.49kPa增至638.18kPa，增长4.78倍；掺灰率由3%增加至9%，红粘土抗剪强度由638.18kPa增至735.33kPa，增长0.15倍.

图5 抗剪强度曲线

利用土体抗剪强度库伦公式求出不同掺灰率土体抗剪强度参数.如图6所示，掺灰率小于3%，红粘土内聚力增长迅速，掺灰率大于3%，红粘土内聚力增长变缓.掺灰率由0%增加至3%，红粘土内聚力由36.20kPa增加至256.27kPa，增长6.08倍；掺灰率由3%增加至9%，红粘土内聚力由256.27kPa增加至360.05kPa，增长0.40倍.

图6 内聚力曲线

如图7所示，掺灰率小于3%，红粘土内摩擦角随掺灰率增加迅速上升；掺灰率大于3%，红粘土内摩擦角反而降低.掺灰率由0%增加至3%，红粘土内摩擦角由10.15°增加至44.99°，增加了4.43倍；掺灰率由3%增加至9%，红粘土内摩擦角由44.99°降至42.32°.

图7 内摩擦角曲线

3 微观试验

红粘土中加入石灰后，抗剪强度增长迅速，无法从宏观角度解释其强度增长机理，需从微观角度做出解释[12-17].选择以石灰掺量3%红粘土为研究对象，采用电镜扫面研究其微观结构，并将其与未改良红粘土微观结构作对比.

电镜扫描样采用环刀制样，环刀内径61.8mm，高20mm.制样含水率w=35%，石灰掺量设为0%和3%，干密度ρd=1.4g·cm-1，养护7d.SEM试验前，用镊子将红粘土试样掰断，留下粗糙新鲜断面，以便观察红粘土颗粒表面形态.

如图8所示，石灰掺量为0%，土样破裂面整齐，矿物颗粒之间存在贯通裂隙，矿物颗粒排列整齐，呈层状排列，由结晶较大的层状粘土矿物晶片以面面接触形式叠聚而成板状集合体，边界清晰[18].石灰掺量为3%，土样破裂面粗糙，存有大量团聚状矿物颗粒，颗粒之间无贯通空隙.矿物颗粒排列无序，卷曲的粘土矿物晶片通过边面、面面接触形成不规则的聚集体，晶界不清晰，骨架之间无贯通裂隙，但粒间孔隙发达[18].

加入掺量3%的石灰，红粘土微观结构发生改变，破裂面土颗粒由层状排列变为团聚状排列.石灰水化生成的Ca(OH)2与红粘土中大量存在的活性硅、活性铝在碱性条件下发生化学反应生成胶凝材料，加大了土颗粒之间的连接强度，土颗粒移动需克服更大粘聚力及摩擦力.化学反应作用程度是有限的，当石灰掺量大于3%，过量石灰水化后形成一层微晶或非晶Ca(OH)2膜，这层膜会阻碍土颗粒之间接触，反而降低了红粘土内摩擦角.

(a)石灰掺量0% (b)石灰掺量3%

4 结 论

本研究以红粘土为研究对象，采用X衍射试验、击实试验、自由膨胀试验、塑液限试验、直剪试验研究了0%、1%、3%、5%、7%、9%石灰掺量下红粘土物理力学性质.通过试验结果分析，可得出主要结论：(1)3%掺量石灰可将红粘土自由膨胀率由66.7%降低至32.5%.(2)在含水率为35%，干密度1.4g·cm-1，养护龄期7d的控制条件下，掺灰率由0%增加至3%，红粘土的粘聚力由36.19kPa增至256.27kPa，增长6.08倍，内摩擦角由10.15°增至44.99°，增长3.43倍；掺灰率由3%增至9%，红粘土粘聚力由256.27kPa增加至360.05kPa，增长0.40倍，内摩擦角由44.99°降至42.32°.(3)3%掺量的石灰与红粘土化学反应最充分，也是红粘土抗剪强度的突变点；通过SEM试验研究了0%及3%石灰掺量下红粘土微观形貌；石灰水化生成的Ca(OH)2与红粘土中大量存在的活性硅、活性铝在碱性条件下发生化学反应生成胶凝材料，改变了土颗粒接触形态，加大了土颗粒之间的连接强度.

在石灰改良红粘土工程实践中，采用3%石灰掺量可以取得较好的物理力学改良效果，过量生石灰反而降低红粘土内摩擦角，增大其膨胀性.与传统经验所采用的5%、6%石灰掺量相比，3%的石灰掺量具有较好的经济性.