化学改良红黏土作用模型研究

乔建刚，王敏

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

红黏土的膨胀性容易使土体产生病害，化学改良红黏土技术因其效果和经济性显著而受到广泛关注[1]。石灰被广泛应用于红黏土改良[2]；经石灰改良后土的工程性质发生改变，其掺入率与红黏土的强度成正比[3-5]；在膨胀土中掺入水泥可以增加土体强度、减少收缩应变和自由膨胀，并且效果显著[6-8]；常用的ESR生态改性剂在适宜深度范围内能提高红黏土强度[9-10]；碱液能够改变土体应力，在温度及加固方式等条件不同的情况下改良效果不同[11-12]。目前的研究主要针对单一改良剂的作用效果，对混合改良剂共同作用的研究较少。因此，对混合化学改良剂改良红黏土的作用模型展开研究非常必要。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

生石灰(CaO，白色粉末，溶于水，纯度大于98%)；聚乙烯醇([C2H4O]n，白色粉末，溶于水，无毒无味、无污染，规格088-05，醇解度88%)；营养液(含植物所需营养成分、提高土壤肥力和透气性)。

WX-2000自由膨胀率测定仪;ZJ型应变控制式直剪仪;GYS-3数显式土壤液塑限联合测定仪。

1.2 改良剂制备

1.2.1 单一改良剂制备 在烧杯中加30 g水，放入相应质量石灰或聚乙烯醇，配制质量分数为1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，8%，9%的石灰溶液和1.2%，1.3%，1.4%，1.5%，1.6%，1.7%，1.8%，1.9%，2.0%的聚乙烯醇溶液。用玻璃棒搅拌，使溶液充分溶解。

1.2.2 混合改良剂制备 烧杯中加30 g水，放入按质量比混合后的石灰与聚乙烯醇，按需求配制一定质量分数的石灰与聚乙烯醇混合溶液。

1.2.3 改良剂处理 将配制的改良剂每一份中都加入一定量的营养液，根据《公路工程土工合成材料 土工网 通用技术条件》的规定，营养液质量为水质量的1.3%。

1.3 实验方法

以改良剂掺入量为土质量的0.6%为基准进行实验。

1.3.1 制备改良土样阶段 ①将风干后的红黏土用木锤碾碎，过0.5 mm筛后放入盛土容器，用喷水壶喷洒一定质量的水，保证土样达到25%的含水率；②按干土质量的0.6%分别掺入指定质量分数的单一改良剂和混合改良剂，用调土刀调匀后常温密封保存24 h。

1.3.2 自由膨胀率测定阶段 依据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》中相关规定进行实验。

1.3.3 红黏土基本性质测定阶段 粘聚力、内摩擦角的测定使用应变控制式直剪仪；液塑限、塑性指数的测定使用数显式土壤液塑限联合测定仪。

2 结果与讨论

通过实验获得聚乙烯醇和石灰两种化学改良剂分别添加及混合添加时红黏土的自由膨胀率，分析得到改良剂的最佳配比，并对比分析改良前后红黏土基本性质。

2.1 石灰添加量对红黏土自由膨胀率的影响

根据实验所得红黏土自由膨胀率和石灰添加量关系的数据，经过处理得到图1的变化关系。红黏土自由膨胀率随石灰添加量的增加呈先降低后稳定的趋势，石灰添加量达到4%以后自由膨胀率降低到40%以下，达到国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》中非膨胀土的规定。与未改良土相比自由膨胀率降低33.9%。

使用SPSS软件对数据回归分析，通过对比拟合优度，确定自由膨胀率与石灰添加量的关系模型，得到下式：

(1)

式中y——与石灰添加量相关的红黏土自由膨胀率，%；

x——石灰添加量，%。

式(1)通过F检验，该模型显著相关。

由上述模型可得，石灰添加量为4%时，红黏土自由膨胀率降低至非膨胀土标准，随着石灰添加量逐渐增加，红黏土自由膨胀率稳定至非膨胀水平。

图1 石灰添加量与红黏土自由膨胀率关系Fig.1 The relationship between the amount of lime added and the free expansion rate of red clay

2.2 聚乙烯醇添加量对红黏土自由膨胀率的影响

根据实验所得红黏土自由膨胀率和聚乙烯醇添加量关系的数据，得到图2的变化关系。红黏土自由膨胀率随聚乙烯醇添加量的增加同样呈先降低后稳定的趋势，聚乙烯醇添加量达到1.6%以后自由膨胀率降低到42%以下，但是未达到非膨胀土40%以下自由膨胀率的要求，与未改良土相比自由膨胀率降低28.8%。

图2 聚乙烯醇添加量与红黏土自由膨胀率关系Fig.2 The relationship between the amount of polyvinyl alcohol added and the free expansion rate of red clay

使用SPSS软件对数据回归分析，通过对比拟合优度，确定自由膨胀率与聚乙烯醇添加量的关系模型，得到下式：

(2)

式中y——与聚乙烯醇添加量相关的红黏土自由膨胀率,%；

x——聚乙烯醇添加量,%。

式(2)通过F检验，该模型显著相关。

由上述模型可得，聚乙烯醇添加量>1.6%时，红黏土自由膨胀率<42%，但是未降低到非膨胀土标准。

2.3 混合改良剂对红黏土自由膨胀率的影响

2.3.1 化学改良剂综合作用模型的建立

2.3.1.1 偏相关分析 由上述分析可知，红黏土自由膨胀率与石灰、聚乙烯醇都有不同程度的关系。石灰添加量>4%、聚乙烯醇添加量>1.6%时，能达到较好的降低红黏土自由膨胀率的效果。因此，选择石灰的添加量在4%～8%、聚乙烯醇添加量在1.6%～1.9%，对自由膨胀率、石灰和聚乙烯醇进行偏相关分析，结果见表1～表4。

表1 样本统计表Table 1 Sample statistics table

表2 数据零阶相关矩阵Table 2 Data zero-order correlation matrix

表3 自由膨胀率与聚乙烯醇的偏相关 矩阵(控制变量石灰)Table 3 Partial correlation matrix between free expansion rate and polyvinyl alcohol(control variable lime)

表4 自由膨胀率与石灰的偏相关矩阵 (控制变量聚乙烯醇)Table 4 Partial correlation matrix between free expansion rate and lime(control variable polyvinyl alcohol)

对偏相关矩阵分析可知，自由膨胀率与聚乙烯醇间偏相关系数为0的概率为0.001，即可以认为二者相关；自由膨胀率与石灰间偏相关系数为0的概率为0.000，也可以认为二者相关。由此可以确定石灰和聚乙烯醇都是影响红黏土自由膨胀率的因素。石灰与自由膨胀率相关系数的绝对值为0.739，大于聚乙烯醇与自由膨胀率的相关系数绝对值0.518，可以确定石灰为主要影响因素。

2.3.1.2 模型建立 为了得到石灰和聚乙烯醇综合作用下的红黏土自由膨胀率变化模型，将单因素模型降维分析，先确定综合作用下的红黏土自由膨胀率与单因素模型中得到的自由膨胀率的关系模型，建立二元一次回归模型：

Z=AX+BY

(3)

式中 A、B——回归系数；

Z——石灰和聚乙烯醇综合作用下的红黏土自由膨胀率,%；

X——石灰不同添加量对应的自由膨胀率,%;

Y——聚乙烯醇不同添加量对应的自由膨胀率,%。

根据回归结果，确定模型参数见表5，得到综合作用下自由膨胀率与单因素模型中得到的自由膨胀率的关系模型为：

Z=0.433X+0.465Y

(4)

将单因素模型代入公式，得到石灰和聚乙烯醇综合作用下的红黏土自由膨胀率变化模型：

R2=0.996

(5)

式中x1——石灰不同添加量对应的自由膨胀率,%；

x2——聚乙烯醇不同添加量对应的自由膨胀率,%。

上式通过F检验，该模型显著相关。

由上述模型可得，化学改良剂的最佳配比为石灰∶聚乙烯醇∶营养液=4%∶1.6%∶1.3%，改良后的红黏土自由膨胀率为37%。

表5 回归模型参数Table 5 Regression model parameters

2.3.2 模型的验证 利用实测自由膨胀率和模型计算得到的石灰和聚乙烯醇综合作用下的自由膨胀率进行对比，结果见表6。

其中误差ω计算如下式：

(6)

式中N1——实测自由膨胀率，%；

N——石灰和聚乙烯醇综合作用下的自由膨胀率,%。

表6 数据验证表Table 6 Data verification form

把实测自由膨胀率和模型计算得到的石灰和聚乙烯醇综合作用下的自由膨胀率在区域上进行图像对比，结果见图3。

图3 实测自由膨胀率与计算自由膨胀率对比Fig.3 Comparison of measured free expansion rate and calculated free expansion rate

通过分析得到模型平均误差为2.03%，可以认为计算精度较好，能够反应自由膨胀率随改良剂添加量改变时的变化。

2.4 改良剂干湿循环次数对红黏土自由膨胀率作 用效果模型

为探究化学改良剂干湿循环次数与红黏土自由膨胀率的关系，采用最佳配比改良剂对红黏土进行4次改良实验。

2.4.1 实验步骤 ①在土料中加入相应质量的水，使其达到25%的含水率，常温下密封闷料24 h；②将闷好的土填入尺寸为24 cm×15 cm×4 cm的木盒中并达到90%压实度；③按照间距2.67 cm，直径0.33 cm，孔深2.67 cm钻孔。每孔注入改良剂0.08 g，第1次改良后隔48 h进行第2次改良，同理，共改良4次，每次改良后测自由膨胀率。

2.4.2 实验结果与模型建立 根据实验所得红黏土自由膨胀率与干湿循环次数关系的数据，得到见图4的变化关系。

由图4可知，改良1次红黏土自由膨胀率平均值为37.00%，改良2次自由膨胀率平均值为36.67%，改良3次与改良4次自由膨胀率平均值都为36.33%。红黏土自由膨胀率随干湿循环次数的增加呈先降低后稳定趋势，改良3次后基本可以达到稳定状态。说明在一定范围内，干湿循环次数的增加可以进一步降低红黏土自由膨胀率，增加边坡稳定性。

图4 改良剂干湿循环次数与自由膨胀率关系Fig.4 The relationship between the number of dry and wet cycles of the amendments and the free expansion rate

对数据进行回归分析，得到自由膨胀率与干湿循环次数的关系模型：

(7)

式中y——红黏土自由膨胀率，%；

x——干湿循环次数。

上式通过F检验，该模型显著相关。

由上述分析可以得出，干湿循环3次后，红黏土自由膨胀率稳定到最低值36.33%，从而确定红黏土化学改良次数为3次。

2.5 化学改良前后红黏土基本性质对比

通过实验确定化学改良后红黏土的基本性质，并与改良前的性质对比，见表7。

表7 改良前后红黏土基本性质Table 7 Basic properties of red clay before and after improvement

由表7可知，改良后红黏土塑性指数降低，抗剪强度增大，由改良前的弱膨胀土变为非膨胀土，改良效果较好。

3 结论

本文采用单一化学改良剂及混合化学改良剂对红黏土进行改良，得到结论如下：

(1)石灰添加量为4%、聚乙烯醇添加量为1.6%时，红黏土自由膨胀率分别降低至40%,42%；建立石灰和聚乙烯醇综合作用下的红黏土自由膨胀率变化模型得到石灰∶聚乙烯醇=4%∶1.6%时红黏土自由膨胀率稳定至37%。

(2)化学改良剂干湿循环3次后，红黏土自由膨胀率稳定到最低值36.33%，得到红黏土化学改良次数为3次。

(3)经改良后红黏土塑性指数降低，抗剪强度增大，由改良前的弱膨胀土变为非膨胀土，改良效果较好。研究成果对降低红黏土膨胀性、提升土体力学性能提供理论依据，为多种化学改良剂共同作用的研究奠定基础。