长沙机场GTC项目红黏土绿色生态改良技术*

刘加强，蒋 成，陈镜丞，刘 彪，舒 毅，黄 华

(1.中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410114；2.湖南省机场管理集团有限公司，湖南 长沙 410137)

0 引言

红黏土是一种广泛存在于我国南方地区的一类特殊土，具有干缩湿胀大、裂隙发育、强度劣化、工程敏感性强等特点[1-2]。在季节性降雨作用下，红黏土力学强度迅速劣化，裂隙急剧扩展，极易诱发翻浆冒泥、基坑路堤失稳等工程灾害[3-4]。工程上一般采用水泥、石灰等传统胶凝材料改良红黏土的工程性能[5-6]，并取得良好的改良效果，但传统胶凝材料具有用量大，严重污染当地环境，且改良后土体极易发生开裂等副作用。

近年来，利用木质素、植物纤维及微生物等对红黏土进行改良已成为工程发展的趋势[7-8]。董吉等[9]利用木质素纤维改良红黏土的强度，发现2%木质素掺量下，改良红黏土的力学性能最佳，且具有典型的应变硬化特征，不具有类似水泥改良土易开裂特征。王连锐等[10]利用巴氏芽孢杆菌和铁细菌2种微生物固化红黏土，发现微生物改良后的土样密度增加，孔隙比下降，抗剪强度和无侧限抗压强度提高，物理力学性质得到极大改善。此外，许多学者利用碱激发剂改善红黏土工程性能，如张瑶丹等[11]采用碱液加固红黏土，提高其力学强度，探讨在不同温度、干密度和加固方式下的碱液加固效果。上述研究虽能有效提高红黏土的工程性能，但这些方法具有污染环境、成本较高、改良效果不稳定等副作用，影响了土体的改良效果。

生态树脂类材料是一种有机高分子酯类材料，其分子量大、黏度高、粒径小[12]，且在自然状态下不影响植物的生长，降解后不污染环境[13]。本文采用生态树脂类材料改良长沙地区的红黏土，通过无侧限抗压强度、直剪试验和干湿循环试验探讨改良红黏土的力学强度变化规律，并将其应用于实际工程。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1)红黏土

试验所用红黏土取自湖南省长沙市黄花镇长沙机场扩建工程施工现场某处基坑边坡。经筛分试验得到该红黏土的粒径级配曲线，如图1所示。由图1可知，<0.075mm的细粒黏粒含量约为23.3%。依据JTG E40—2007《公路工程试验规程》测得其天然干密度为1.32g/cm3，天然含水率为31.7%，液限为53.5%，塑限为32.3%，塑性指数为21.2，土的相对密度为2.68g/cm3，最优含水率为24.2%，最大干密度为1.51g/cm3，自由膨胀率为17.2%，线收缩量为1.89%。经XRD分析可得，该地区红黏土的主要成分为高岭石、伊利石、云母、方解石等。

图1 红黏土级配曲线

2)生态高分子材料

本文所用生态树脂类材料是一种耐水解改性树脂类材料，不溶于水，但在水中具有良好的分散性，形成具有黏附性的乳胶粒，其悬浊液呈浅黄色黏稠状(见图2)。干燥后生态高分子材料具有较好的成膜性，其密度为1.03g/cm3，固含量为36%，粒径<0.2μm，黏度为50 000～100 000Pa·s，pH值为6.5～7.5。

图2 生态树脂类材料悬浊液

1.2 试验方案

为分析生态树脂对红黏土力学性能的增强效果，开展不同掺量、养护时间及干湿循环作用下生态树脂改良红黏土的无侧限抗压强度及直剪试验，具体试验方案如表1所示。按表1中的试验方案，分别对0, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%掺量、养护1～7d的生态树脂改良红黏土进行无侧限抗压强度试验，并通过SEM揭示其改性机理。

表1 试验方案

1.3 测试流程

1)试样制备 将0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%掺量的生态树脂加入到干燥的红黏土中，再加入纯净水配制成含水率为24%的混合物。采用静压法分3层制备尺寸为φ50cm×100cm的圆柱形试样，试样干密度为1.4g/cm3。试样制备完成后，将其置于标准养护箱中养护7d。

2)干湿循环试验 将试样置于三轴饱和器中，再将其放入盛有纯净水的真空饱和缸中真空饱和24h；取出饱和试样，放于106℃的烘箱中烘干24h，直至试样完全烘干，此为一次完整的干湿循环。重复上述操作，直至完成8次干湿循环。

3)无侧限抗压强度试验 将养护完成的试样在电液伺服液压万能试验机进行无侧限抗压强度试验，试验过程中控制加载速率为1mm/min。

4)直剪试验 将试样在四联式自动剪切仪上进行直剪试验，控制其剪切速率为0.8mm/min，当其剪切应变超过15%，停止试验。

5)SEM测试 选取养护龄期7d的原状红黏土和掺量2%的改良红黏土为试验对象，先将试样在106℃烘箱干燥后，切割成1cm3立方体试样，喷金处理后，进行SEM测试。

2 改良材料性能分析

2.1 养护时间对改良红黏土无侧限抗压强度的影响

不同养护时间下，生态树脂含量对红黏土无侧限抗压强度的影响如图3所示。

图3 生态树脂含量对红黏土无侧限抗压强度的影响

由图3可知，改良红黏土的无侧限抗压强度均随养护时间的增长而增大。对于原状红黏土，随着养护时间的增长，前5d无侧限抗压强度增长较快，后期增长缓慢；养护5d后，原状红黏土的无侧限抗压强度可达541kPa，增长约341kPa；养护7d后，其无侧限抗压强度为560kPa，与养护5d相比，仅增长19kPa。对于生态树脂含量为0.5%，1.0%的改良红黏土，其无侧限抗压强度变化规律与原状红黏土类似，增长均较缓慢；养护7d后，无侧限抗压强度的增幅分别为400，430kPa。当生态树脂的含量增加至1.5%后，其无侧限抗压强度增长迅速，养护3，5，7d的无侧限抗压强度的增幅分别为302，499，580kPa。随着生态树脂含量的进一步增长，其无侧限抗压强度持续增长，2.0%，2.5%含量的生态树脂改良红黏土养护7d后的无侧限抗压强度924，1 083kPa。

2.2 生态树脂含量对改良红黏土无侧限抗压强度的影响

生态树脂含量对改良红黏土无侧限抗压强度的影响如图4所示。

图4 生态树脂含量对改良红黏土无侧限抗压强度的影响

由图4可知，改良红黏土的无侧限抗压强度均随生态树脂含量的增长而增大。若试样养护0d，改良前、后红黏土的无侧限抗压强度几乎无增长。养护1～7d，随着生态树脂含量的增长，改良红黏土的无侧限抗压强度先缓慢增长，含量超过1.5%后，无侧限抗压强度增幅逐渐增大，后趋于稳定。以养护5d为例，当生态树脂含量<1.0%时，改良红黏土的无侧限抗压强度增长较小，增长百分比分别为5.0%，7.4%。当生态树脂含量为1.5%时，其无侧限抗压强度增长29.2%。但当生态树脂含量>1.5%时，其无侧限抗压强度急剧增长，2.0%，2.5%含量的生态树脂改良红黏土养护5d的无侧限抗压强度分别可达837，941kPa。

2.3 生态树脂含量对黏聚力与内摩擦角的影响

黏聚力与内摩擦角随生态树脂含量的变化曲线如图5所示。

图5 黏聚力与内摩擦角随生态树脂含量的变化曲线

由图5可知，养护0d后，改良红黏土的黏聚力随生态树脂含量的增长快速增大，当生态树脂含量为2.5%时，其黏聚力可达61.2kPa，较原状红黏土增长28.8kPa。养护3d后，改良红黏土的黏聚力随生态树脂含量的增长先快速增长后趋于缓慢，2.5%含量生态树脂改良红黏土的黏聚力可达83.2kPa，为原状红黏土黏聚力的2.35倍。

养护0d后，改良红黏土内摩擦角为17.6°～22.4°，变化幅度较小。养护3d后，改良红黏土内摩擦角为37.7°～43.6°，变化幅度仍较小。说明同一养护时间下，改良红黏土力学性能主要受其黏聚力影响。但与养护0d时的内摩擦角相比，各含量的改良红黏土内摩擦角均有较大提升，幅度为 89%～116%。

2.4 干湿循环次数对改良红黏土无侧限抗压强度的影响

干湿循环次数对改良红黏土无侧限抗压强度的影响如图6所示。

图6 干湿循环次数对改良红黏土无侧限抗压强度的影响

由图6可知，改良红黏土无侧限抗压强度均随干湿循环次数的增长而减小。原状红黏土初始状态下无侧限抗压强度为560kPa，干湿循环8次后，其无侧限抗压强度为200kPa，降幅达360kPa，强度保持率仅为35.7%。对于2.0%含量的生态树脂改良红黏土，干湿循环3次后，其无侧限抗压强度基本保持不变，干湿循环超过3次后，无侧限抗压强度逐渐减小；当干湿循环8次后，无侧限抗压强度为705kPa，与初始状态相比，降幅仅为219kPa，强度保持率可达76.3%，远大于原状红黏土。这主要是由于生态树脂在红黏土中形成黏附性的乳胶粒，使红黏土颗粒黏结在一起；此外，干燥后的生态树脂在红黏土内部形成具有弹性的膜，进一步约束了红黏土颗粒。

3 工程应用

生态树脂改性红黏土目前已应用于湖南省宁乡市岳宁大道凤凰山—南田坪公路工程及长沙机场改扩建场内道路路基工程中。由于红黏土改性成本较高，难以用于全幅路基填筑。一般采用红黏土填筑路基后，再采用2.5%含量的生态树脂改良红黏土对路基进行包边处理。具体步骤如下。

1)测量放样 施工前施工路段按20m一个断面对包边红黏土施工边线进行放样。

2)下层清理和碾压 清除下层原地面碎石、杂草、垃圾等，并对其进行整平、洒水、碾压，待压实度满足要求后方可进行下一步施工。

3)台阶开挖 对路基进行分层填筑，即在每层包边土与红黏土接头处采用推土机总线推铲、局部人工配合的方式开挖台阶，台阶宽度为100cm。

4)填筑布土 利用自卸车将红黏土运至路基顶部，沿路基纵向开始填筑，内芯填筑完后，将包边土填筑至包边台阶中，以便后续推土机推平。

5)整平和压实 布土后，推土机依据路基纵坡由高至低进行推进、平整，并利用压路机进行碾压，以保证其达到填筑要求。

6)边坡修整和植被防护 碾压完成后，及时利用挖掘机对包边土边坡进行修整，并进行客土喷播，对路基边坡进行植被防护。

7)监测 布设监测点对路基顶部沉降进行监测(见图7)，监测频率为3d一次，监测结果如图8所示。由图8可知，路基填筑完成后前期沉降较大，随着时间的增长，其沉降量逐渐趋于稳定，且监测点1，2，3的沉降为15～20mm，沉降较小，完全满足公路运营要求。

图7 黄花机场改扩建公路路基工程监测点布设(单位：m)

图8 路基工程监测结果

4 结语

1)改良红黏土无侧限抗压强度随养护时间的增长而增大。与原状红黏土相比，2.0%，2.5%含量的生态树脂改良红黏土养护7d后的无侧限抗压强度可分别增长1.65倍和1.93倍。

2)改良红黏土无侧限抗压强度随生态树脂含量的增长而增大，但生态树脂含量<1.0%时，其无侧限抗压强度增长较缓，当生态树脂含量≥1.5%时，其无侧限抗压强度急剧增长。

3)改良红黏土黏聚力随生态树脂含量的增长快速增大，但其内摩擦角的变化较小。因此，生态树脂主要是通过增强其黏聚力以提升红黏土力学性能。

4)由于生态树脂在红黏土中形成黏附性的乳胶粒，使红黏土颗粒结合更紧密，在干湿循环8次后，其强度保持率仍可达76.3%，远大于原状红黏土的35.7%。

5)采用包边处理的方式对湖南黄花机场改扩建公路红黏土路基进行处置，处置完成后180d后最大沉降量约为16.52mm，沉降较小，完全满足公路运营要求。