改良红黏土复合材料的路用性能试验研究

杨兴之

（贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

红黏土是碳酸盐岩在热带、亚热带环境条件下的风化产物，也称为碳酸盐红色风化壳或碳酸盐岩红土，呈棕红、褐黄色的特殊土体，具有的高塑性、高液限、高孔隙比、明显胀缩不可逆性等特性[1]。在贵州多雨的气候环境下，红黏土的亲水性，胀、缩性等，暴露出水稳性差、反射裂缝大的破坏性工程特点，其强度等材料力学性能无法满足建筑材料的要求。因此，为满足实际工程生产的需要，国内外学者对红黏土进行了改良。文江泉等[2]、刘宝臣等[3]、李晓全等[4]研究了水泥加固红黏土的无侧限抗压强度及增长机理，给出了不同掺量、不同龄期水泥土之间的强度推算公式，研究了其内部微观结构形成机理。吴瑞潜等[5]通过对土体中加入水泥和粉煤灰或其他混合料，基于各类室内试验，研究了粉煤灰对土体强度及含水量的影响，探讨了水泥和粉煤灰加固红黏土的机理。上述研究成果为红黏土的改良奠定了良好的基础，但研究内容还不够全面，存在一定局限，仍有许多改良红黏土的路用力学性能问题需进一步深入研究。

本文以粒化矿渣、粉煤灰、硅酸盐水泥、硅灰等多粒径掺合料为固化剂对天然红黏土进行改良，研究改良红黏土复合材料的路用特性。试验采用5 组不同固化剂掺量（质量百分比分别为0%、3%、5%、9%、13%）的红黏土复合材料试件进行试验，包括对其进行无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、击实试验、回弹试验、CBR 试验、抗冲刷试验，分析不同掺量下的红黏土复合材料最大干密度、最优含水量、变形参数、强度参数、抗冲刷能力等指标的变化规律，为改良红黏土复合材料作为道路路面材料工程设计与施工实践提供理论依据和技术指导。

1 原状红黏土基本物理性质

试验土样为贵阳市的残积红黏土，其母岩为白云质灰岩及白云岩，原状红黏土基本物理性质指标为：含水量59.5%，容重16.9kN/m3，比重2.75，孔隙比1.60，饱和度102.3%，液限89.0%，塑限52.0%，塑性指数37.0，液性指数0.2。

由此可看出，原状红黏土具有黏粒多、含水率高、饱和度高、液限高等对工程稳定不利的特点，必须对其进行改良处理才能作为道路材料。

2 改良红黏土复合材料组成

路用改良红黏土复合材料主要由基材和固化剂按一定配比拌制而成。基材主要为就地取材的红黏土，固化剂由掺合料（粒化矿渣、粉煤灰、硅酸盐水泥、硅灰）、膨胀剂、碱性激发剂、聚合物按一定质量配比组成，各单元材料通过正交试验获得红黏土固化剂最优配合比。

3 红黏土复合材料路用性能改良试验

3.1 无侧限抗压强度

对5 组不同固化剂掺量的改良红黏土复合材料试件在不同龄期（7d、28d、60d）条件下进行无侧限抗压强度试验，试验数据及变化规律见图1、图2。

图1 不同固化剂掺量下的无侧限抗压强度

图2 不同固化剂掺量下的压缩变形量

由图1 可见，随固化剂掺量的增加，在掺入剂量为3%、5%时的无侧限抗压强度稍有下降，随后迅速增加，未掺入固化剂的自然红黏土强度随养护时间的增加，无侧限抗压强度几乎保持不变。就掺入9%固化剂的复合材料来说，在养护7d 时，其无侧限抗压强度达为2.1MPa，相比较未掺入固化剂的试样增加了37.7%；养护28d 后固化土的无侧限抗压强度增长到2.28MPa；当养护龄期达到60d 其无侧限抗压强度约为未掺入固化剂试样的1.6 倍。整体而言，在固化剂掺量达到一定程度时，红黏土复合材料的无侧限抗压强度随固化剂掺量的增加以及养护龄期的增长而不断提高。

在无侧限抗压强度试验中，不同固化剂掺量、不同龄期的改良红黏土复合材料试样在轴向的变形见图2。可以看出，龄期28d 后，试样水稳性能增加较迅速但未达到完全稳定，说明固化剂与土的胶结作用仍在进行。对于同一龄期的试样，随固化剂掺量的增加，变形减少先快后慢，说明固化剂用量可以限制在某一范围。从原理上来讲，固化剂使试样的刚性迅速增加，从而使应力能迅速传递，抵抗变形的能力增强。

3.2 抗剪强度

对5 组不同固化剂掺量的改良红黏土复合材料试件在7d 龄期条件下进行直接剪切试验，抗剪强度指标值见表1。

表1 不同固化剂掺量下的抗剪强度指标

由表1 可见，固化剂掺量较低时（3%、5%），试样的内摩擦角与未掺入固化剂的土样相比有小幅度提高，黏聚力有所降低，其抗剪强度也略有降低，但在固化剂相同掺量时，抗剪强度仍随着正应力的提高而增加。当固化剂掺量达到9%、13%时，试样的内摩擦角降低，黏聚力大幅度提升，抗剪强度与未掺入固化剂试样相比增加了14%～26%。

研究认为，在固化剂掺量较低时，固化剂颗粒还不足以与混合的红黏土颗粒并存，而它们之间的黏结力低于红黏土颗粒之间的黏结力，故造成其黏聚力下降。在固化剂掺量较高时（9%、13%），由于固化剂的胶凝作用，使整个试样黏聚力增加，颗粒间的咬合摩擦减小。

3.3 压实特性

考虑到红黏土与固化剂的充分混合反应，对5 组改良红黏土复合材料试件进行重型击实试验，击实试验数据见图3。

图3 不同固化剂掺量下的击实试验曲线

从图3 上可以看出：改良红黏土复合材料的最大干密度随固化剂掺量的增加而减小，并向含水量降低方向移动，即最优含水量逐渐减小，其最大干密度也有所降低。这是由于固化剂颗粒比重较红黏土颗粒比重轻的缘故。

随着固化剂掺量的增加，最大干密度降低了0.2%～2%，最优含水量降低了1.8%～18.3%，固化剂掺量对最优含水量的影响大于对最大干密度的影响。随着固化剂掺量的增加，击实曲线逐渐平缓，表明密度随含水量增大逐渐减小，即土的控制含水量范围增大，此特点对于含水量变化较大的红黏土来说有重要意义。

3.4 回弹特性

对5 组不同固化剂掺量的改良红黏土复合材料试件在7d 龄期条件下进行承载板试验，得到荷载回弹变形关系，进而获得材料回弹模量。试验采用重复加载法，逐级加载卸载进行。回弹模量统计值及变化情况见表2。

由表2 可见，回弹模量随固化剂掺量增加而迅速增大，基本呈线性关系增长。说明掺入适量的固化剂可以迅速调整改良红黏土复合材料由不可恢复的塑性变形到可恢复的弹性变形的转变，有利于红黏土基材工程特性的发挥。

表2 回弹模量与固化剂掺量的关系

3.5 CBR 试验

加州承载比是美国California 州提出的一种评定材料承载能力的试验方法。CBR 加州承载比是评定土基及路面材料承载能力的指标。

对5 组不同固化剂掺量的改良红黏土复合材料试件进行CBR 试验测定，得到不同固化剂掺量下对应的CBR 值，数据见图4。

图4 改良红黏土复合材料CBR 试验结果

图4 为改良红黏土复合材料在不同固化剂掺量下的CBR 试验结果，随着固化剂量的增加，CBR 值的增加速率比较快（斜率越来越大），表明红黏土作为路面材料改良效果较好。这就说明了红黏土中固化剂含量的增加对红黏土的承载能力有突出的改良作用，固化剂的加入使得红黏土的承载能力越来越强。

3.6 抗冲刷能力

对5 组不同固化剂掺量的改良红黏土复合材料试件进行抗冲刷试验，抗冲刷性能试验结果见图5。

图5 改良红黏土复合材料抗冲刷性能试验结果

改良红黏土复合材料表面的冲刷总量与混合料中细粒部分的含量和细度有很大关系。实际上在冲刷作用中被冲掉的正是粒径较小的细颗粒，而且混合料中细颗粒的含量越多、粒径越小，复合材料的冲刷现象越明显，对结构的破坏越大。改良红黏土稳定粒料的结构中固化剂与细颗粒所形成的结合物填充在粗颗粒之间并将粗颗粒黏结在一起，构成了稳定的结构，当遇到的冲刷作用到一定程度时，这些较大的粗颗粒又保护细颗粒免受过度的冲刷，使得冲刷作用减缓。

根据图5 抗冲刷性能试验结果，可以看出：影响改良红黏土复合材料抗冲刷性能的材料组成因素主要是固化剂掺量，随着固化剂掺量增加，复合材料抗冲刷能力迅速增强；从机理上看，抗冲刷性能主要取决于其中固化颗粒骨架网在空间的分布密度，网的密度增加，抗冲刷性能增强，并与抗压强度相关性大。

4 结语

通过对改良红黏土复合材料进行各项路用特性试验并对试验结果进行分析，可得到以下结论。

（1）改良红黏土复合材料的无侧限抗压强度、抗剪强度随固化剂掺量的增加先减小后增大，当含量高于5%时，其强度开始增长，说明固化剂掺量高于5%时有利于提高试样强度。

（2）改良红黏土复合材料的最大干密度随固化剂掺量的增加而逐渐减小，压实性能逐渐增强。

（3）随着固化剂掺量的增大，改良红黏土复合材料的回弹模量、CBR、抗冲刷能力迅速增大，实现了由塑性材料向弹性材料路用工程特性的转变。

（4）路用改良红黏土复合材料技术具有较好的经济与社会环境效益，为改良红黏土作为道路路面材料提供了工程设计与施工的理论依据和技术指导。