红黏土、石灰复合改良千枚岩土胀缩特性研究

赵秀绍,陈子溪,饶江龙,程 安,赵林浩

(1. 华东交通大学 江西省地下空间技术开发工程研究中心,江西 南昌 330013; 2. 华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西 南昌 330013)

0 引 言

江西北部地区分布的千枚岩属于全风化极软岩,具有吸水后膨胀、遇水易崩解软化等不良工程特性[1],由于其碾压后易粉化,可以用土的性质来研究。测得千枚岩土无荷膨胀率为19.10%～22.13%[2-3],超过了部分中膨胀土的膨胀率[4]。 红黏土虽具有较高的承载能力,但其失水后收缩开裂现象显著,压实红黏土路基经阳光暴晒后其裂缝宽度可达2～3 cm。两种土若压实后作为路基使用,在交通荷载作用下,极易产生路面开裂、边坡滑移或基床外鼓等路基病害[5],这与其含水率及矿物组成密切相关[6-7]。因此江西地区的全风化千枚岩土及红黏土不可直接作为路基填料使用。

土体的胀缩变形对路基影响巨大,学者们对特殊土的胀缩特性开展了研究。学者们研究了不同初始状态下[8-10]的膨胀及收缩特性,并通过曲线拟合得到不同干密度与收缩性质的关系。在工程实践中,常采用物理或化学改良剂的方法来改善特殊土的胀缩特性。物理方法主要有掺入砂或纤维等;化学改良方法常用水泥、石灰及粉煤灰[11-13]等无机胶结材料,试验研究证明,掺入改良剂后能够显著降低胀缩变形,减少由于路基填料体积变化带来的路基病害。

为充分利用两种特殊土,笔者提出了一种红黏土和石灰联合改良千枚岩土的新方法,通过试验深入研究石灰掺量及红黏土掺和比对膨胀收缩特性的影响规律。改良过程可减少石灰用量,降低石灰生产中的碳排放。

1 试验材料与方案

1.1 材料性质

试验所用红黏土及千枚岩土均取自江西南昌赣江新区某公路施工路段。

红黏土呈褐红色,土质均匀,黏粒含量高,可塑性良好。千枚岩土土样呈淡黄色,风化程度高,成土后土质松软,全风化千枚岩土中含有较多的蒙脱石,有较大膨胀性。

依照TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》的相关试验方法,通过室内土工试验,测得红黏土及千枚岩土基本物理性质指标如表1。

试验用生石灰采用袋装一级氧化钙,(CaO+MgO)≥85%,MgO≤5%,其生产符合JC/T 479—2013《建筑生石灰》标准要求。

表1 试验材料基本物理指标Table 1 Basic physical index of test material

1.2 试验组合方案设计

试验以千枚岩土为基土,再掺入不同比例的红黏土,红黏土干质量为m1、全风化千枚岩土干质量为m2,按照混合土中红黏土与千枚岩土的干质量比m1/(m1+m2)作为红黏土掺和比λ;石灰干质量为m0,则定义石灰掺量η为m0/(m1+m2)。

为了得出最优掺和方案,共设置6种红黏土掺和比λ(0、20%、40%、60%、80%、100%),λ为0时为纯全风化千枚岩土,100%为纯红黏土。4种石灰掺量η(0、3%、5%、8%),η=0表示未掺入石灰。定义红黏土掺入全风化千枚岩土中为“无石灰混合改良土”,石灰和红黏土掺入全风化千枚岩土中为“石灰复合改良土”。

1.3 试验方案

试验材料皆按以上组合方案进行配制,共进行了24种组合。石灰复合改良土组合皆进行28 d养护。自由膨胀率试验、无荷膨胀率试验、收缩试验步骤皆依照TB 10102—2010《铁路工程土工试验规程》进行。

1.3.1 pH测定试验

采用梅特勒-托利多公司生产的S210 Seven CompactTM台式pH计,根据烘干法制备土壤样品测定改良土pH值[14]。

1.3.2 自由膨胀率试验

取适量烘干的红黏土、千枚岩土、石灰,配制最优含水率为18%的24种不同变量的改良土,养护28 d后取出置于烘箱内105 ℃烘干24 h,冷却后碾碎过0.5 mm土工筛,量取定量烘干土样,测定其自由膨胀率。

1.3.3 无荷膨胀率试验

红黏土与千枚岩土过2 mm土工筛,制备初始含水率18%(最优含水率),干密度1.58 g/cm3(最大干密度取1.66 g/cm3,压实系数95%),共24组不同变量的环刀试样,环刀高20.0 mm,直径61.8 mm,体积为60.0 cm3。环刀试样养护28 d后采用WZ-2型土壤膨胀仪进行无荷膨胀率试验。

1.3.4 膨胀力试验

环刀试样制备与无荷膨胀率试验相同,通过单杠杆固结仪,测定试样荷载稳定后的膨胀力。

1.3.5 收缩试验

环刀试样制备与无荷膨胀率试验相同,试验控制室温在(22±2) ℃下进行,测量其各时间的含水率、线缩率及体缩率。

2 结果分析

2.1 pH测定试验结果分析

绘制的pH值随石灰掺量的变化规律如图1。

图1 pH与η关系曲线Fig. 1 The relation curve of pH with η

由图1可知:未掺入石灰时,土体pH值在4.72～5.19,属于弱酸性土壤,且红黏土pH值稍低于千枚岩土;掺入石灰改良后,pH值骤然上升,均高于10,属于强碱性土;石灰掺量对改良土pH值影响较小,仅在小范围内波动,因此短期可能会对路基边坡植被造成影响,但随着时间推移,在降雨蒸发中,pH值会随着碳酸化作用逐渐降低。

2.2 自由膨胀率试验结果分析

自由膨胀率δef反映黏粒吸附水的能力,膨胀稳定后自由膨胀率与不同配比组合改良土间的变化规律如图2。

图2 δef与λ、η关系曲线Fig. 2 The relation curve of δef with λ and η

由图2可知:纯千枚岩土δef达32%,高于纯红黏土δef一倍以上。改良土δef与红黏土掺和比呈近似线性降低关系,这是由于随着红黏土掺和比的增加,混合后相当于物理改良,改良土中δef高的千枚岩土含量减少,因此δef降低。

在掺入3%石灰后,复合改良土δef大幅下降,与未掺入石灰的混合改良土相比,降低幅度为10%～17%;随石灰掺量增加,其δef进一步降低,但降低幅度较3%石灰掺量时大大减小,以红黏土掺和比40%为例,石灰掺量变化为0～3%、3%～5%和5%～8%时,δef值分别降低了14%、1%、1%。

GB 50112——2013《膨胀土地区建筑技术规范》规定自由膨胀率大于40%时为膨胀土,试验初步判定混合改良土与复合改良土为非膨胀土。

2.3 无荷膨胀率结果分析

无荷膨胀率δe是试样在环向约束下,竖向变形量与试样原高度之比。试验测得压实度95%的千枚岩土的无荷膨胀率达到29.15%,超过了一些中膨胀土的无荷膨胀率[4],但其自由膨胀率小于40%,因此千枚岩土是一种自由膨胀率小而无荷膨胀率大的特殊膨胀性材料。无荷膨胀率与不同配比组合改良土间的变化规律如图3。

图3 δe与λ、η关系曲线Fig. 3 The relation curve of δe with λ and η

由图3可知:当石灰掺量为0时,无石灰混合改良土的δe随红黏土掺和比的增加而逐渐降低,红黏土掺和比每增加20%,δe降低3.797%。根据以上推测红黏土对千枚岩土的无荷膨胀率降低是一种物理改良。当石灰掺量不为0时,δe随红黏土掺和比的增加而减小,当红黏土掺和比大于60%时降低幅度不明显。

改良土的δe随石灰掺量的增长先快速下降后趋于稳定,其中石灰掺量从0增至3%降幅最为显著,当石灰掺量超过3%后δe下降幅度较小。以红黏土掺和比40%为例,石灰掺量变化为0～3%、3%～5%和5%～8%时,δe值分别降低了17.2%、0.8%、0.4%。数据分析表明,石灰掺量3%为经济优化掺量。

2.4 膨胀力试验结果分析

膨胀力pe是土体在吸水膨胀时所产生的内应力,是土体在有侧限条件下充分吸水时,为使其不发生竖向膨胀所需施加的最大压力,是反映土体膨胀性强弱的重要指标。得到的膨胀力随与不同配比组合改良土间的变化规律如图4。

图4 pe与λ、η关系曲线Fig. 4 The relation curve of pe with λ and η

由图4可知:石灰掺量为0时,纯千枚岩土pe为727 kPa,随着红黏土掺和比的增加,试样pe整体呈现逐渐降低的趋势。当红黏土掺和比大于40%后,pe随红黏土掺和比增加而降低的速率较缓,远低于红黏土掺和比在0～40%的膨胀力降低速率,η=0、λ=40%时,试样pe较纯千枚岩土降低414 kPa。当石灰掺量不为0时,各石灰掺量试样膨胀力随红黏土掺和比的变化规律一致,皆随红黏土掺和比的增加先降低后增大,在λ=60%时达到最低,这与η=0时变化规律不同。

除λ=100%以外,石灰复合改良土的pe随石灰掺量的增长先快速下降后趋于稳定,其中石灰掺量从0增至3%降幅最为显著,当石灰掺量超过3%后pe下降幅度较小。以红黏土掺和比40%为例,石灰掺量变化为0～3%、3%～5%和5%～8%时,pe值分别降低了179、45、27 kPa。数据分析表明,5%、8%石灰掺量对纯千枚岩土膨胀力的抑制效果较3%石灰掺量提升不显著,因此石灰掺量3%为经济优化掺量。λ=100%时,随石灰掺量的增加,试样pe呈现先增大后降低的趋势,η=3%和5%时,试样pe分别高于η=0时30、8 kPa。

2.5 收缩试验结果分析

虽然红黏土膨胀变形较小,但其失水干缩开裂现象显著,因此可利用千枚岩土的膨胀特性,中和红黏土的收缩特性,达到相互改良,以害治害的目的。收缩性一般可用样竖向收缩变形量与原装试样的高度之比线缩率δs来表示,如式(1):

(1)

式中:h0为试样的初始高度(环刀高度);ht为试样收缩过程各时刻的高度。

2.5.1 线缩率δs随λ、η的变化规律

竖向收缩稳定后线缩率与不同配比组合改良土间的变化规律如图5。

由图5可知:石灰掺量为0时,纯红黏土δs为1.2%,红黏土掺和比从100%降至40%,δs值降低了0.45%。随红黏土掺和比的降低,各石灰掺量试样δs逐渐减小。

掺入石灰后,试样线缩率显著降低,且红黏土掺量越高,石灰抑制试样的收缩变形越显著。石灰掺量从0增至3%降幅最为显著,石灰掺量超过3%后δs下降幅度较小。以红黏土掺和比40%为例,石灰掺量变化为0～3%、3%～5%和5%～8%时,δs值分别降低了0.73%、0.34%、0.23%。数据分析表明,石灰掺量3%为经济优化掺量。

2.5.2 缩限ws随λ的变化规律

土的缩限ws是指土体干燥收缩至体积恒定时的含水率,可通过缩限试验或收缩试验获得。图6为各不同组合方案下的缩限随红黏土掺和比的变化规律。

图5 δs与λ、η关系曲线Fig. 5 The relation curve of δs with λ and η

图6 不同组合方案ws与λ关系曲线Fig. 6 Relation curves of ws and λ for different combination schemes

变化规律可使用GaussMod模型进行拟合,其数学表达如式(2):

(4)

式中:y0、A、xc、w、t0皆为拟合参数;ws-λ关系曲线拟合参数值如表2,表2中,R2为拟合相关系数。

由表2可知:GaussMod模型对不同石灰掺量ws-λ关系曲线的拟合相关系数均大于0.98,可认为显著相关,因此可说明该模型对各石灰掺量的曲线拟合效果良好。

表2 ws-λ曲线拟合参数Table 2 ws-λ curve fitting parameters

由图6可知:随红黏土掺和比增加,试样ws先降低而后升高。通过对比图6中4条ws-λ曲线,其ws随红黏土掺和比变化规律大致相同,ws皆在含水率40%时降到最低。说明同一种配比的千枚岩土-红黏土混合土,其缩限指标是其固有性质,与石灰掺量大小无关。

干湿循环过程中,千枚岩土吸水易膨胀产生膨胀裂隙,红黏土失水易收缩开裂产生裂隙,而千枚岩土-红黏土相互改良后,膨胀收缩裂隙得到有效控制[4]。因此红黏土掺和比20%～60%时不易产生胀缩裂隙,且此红黏土掺和比下ws较低;而红黏土掺和比在0～20%及60%～100%时,膨胀及收缩裂隙明显,且此红黏土掺和比下ws较高。

3 最优掺量方案

3.1 单一改良方案

通过膨胀性试验及收缩性试验结果可知,石灰掺量η为0时,δef、δe及pe皆随λ增加逐渐降低,δs随λ降低而减小。λ在40%～60%时:对比纯千枚岩土,δef降低10%～13%、δe降低8.75%～12.00%、pe降低414～474 kPa;对比纯红黏土δs降低0.45%～0.35%。综合膨胀性试验与收缩试验,确定λ在40%～60%时,改良土的膨胀收缩变形均能得到有效抑制。

掺入3%石灰后,纯千枚岩土δef降低17%、δe降低19.55%、pe降低444 kPa,使纯红黏土δs降低0.6%;且η≥3%后,δef、δe、pe、δs均降幅较小。

3.2 复合改良方案

综合胀缩试验结果,选用石灰掺量3%及红黏土掺和比40%的改良效果如表3。

表3 胀缩性协同作用评价Table 3 Evaluation of the synergistic effect of expansion and shrinkage

对比单一改良方案,石灰复合改良方案抑制千枚岩土的膨胀性和红黏土的收缩性更加显著。且建议掺量为η=3%、λ=40%～60%,此时石灰复合改良土胀缩变形较小,且经济性较高。

4 复合改良机理分析

为说明千枚岩土与红黏土相互改良作用,以及石灰复合改良土胀缩性改良机理。采用Hitachi公司的SU8010型场发射扫描电子显微镜系统,得到SEM图像如图7。

图7 改良土微观结构图像Fig. 7 Image of modified soil microstructure

图7(a)为纯全风化千枚岩土压实切片试样放大2 400倍的图像,可以看到,千枚岩颗粒成片状,粒径大小在5～20 μm之间,颗粒易产生堆叠而形成架空结构,颗粒接触方式为点-面接触,颗粒间无明显抱团现象,导致千枚岩土几乎没有黏聚力,并且形成的孔隙极易吸取大量水分,因此在饱和后易产生大量膨胀。

图7(b)为红黏土掺和比40%、石灰掺量为0的试样放大10 000倍的图像。红黏土富含游离的氧化铁,产生特殊的铁质胶结,颗粒间抱团现象显著,失水后细颗粒被附近的大团粒吸引,宏观上反应为明显的失水收缩现象。与千枚岩土不同的是红黏土粒径约为2～5 μm,与千枚岩土充分混合后可有效填充千枚岩土颗粒间的缝隙,增加颗粒间接触面积,形成良好的颗粒级配,增强千枚岩土的黏聚力并降低红黏土颗粒的吸引力,从而改善千枚岩土的膨胀性以及红黏土的收缩性。

图7(c)为红黏土掺和比40%、石灰掺量为3%的试样放大18 000倍的图像,可见在掺入适量的石灰后,在水的作用下与土中硅酸盐、硅铝酸盐反应,形成了大量硅胶、铝胶及硅铝胶,产生图中的网状胶结;没有红黏土参与时,孔隙间距过大,在石灰改良时不宜形成网状胶结;有红黏土参与时,减小了颗粒之间的间隙,提高了形成网状胶结的可能。因此石灰在红黏土与千枚岩土相互改良的基础上,进一步增强了颗粒间的黏聚力,并提升了土体强度和水稳定性。

5 结 论

千枚岩土是一种自由膨胀率低,而无荷膨胀率可达中膨胀土水平的特殊土。利用胀缩变形的中和效应,将全风化千枚岩土和红黏土相互改良,并通过石灰进一步降低胀缩变形,充分利用了红黏土、石灰对千枚岩土改良的协同作用,减少了石灰用量。通过研究得到的结论如下:

1)石灰掺量一定时,改良土膨胀性随红黏土掺和比的增加逐渐降低。红黏土掺和比一定时,改良土膨胀性随石灰掺量增加先快速降低后趋于稳定。对比可知,改良效果复合改良>石灰单独改良>红黏土单独改良,红黏土和石灰联合改良存在协同作用。

2)膨胀力试验结果显示,当η≥3%时,试样膨胀力皆随红黏土掺和比的增加先降低后增大,在λ=60%时达到最低,与η=0时试样膨胀力随红黏土掺和比的增加逐渐降低的趋势大相径庭。

3)收缩试验显示,复合改良土线缩率δs随红黏土掺和比λ降低、石灰掺量η的增加而减小,且η>3%后降幅较小。通过对比表明,千枚岩土降低红黏土收缩特性效果优于石灰。各η掺量下,ws皆随λ的增加先降低后升高,在λ≈40%时达到最低,因此缩限指标是土体固有性质,与石灰掺量无关,且改良土ws与其裂隙成正比。

4)根据胀缩性试验结果分析,优化配比方案为石灰掺量3%,红黏土掺和比40%～60%,此时δef=6%～8%、δe=2.15 %～4.85%、δs=0.4%～0.5%、pe=88～134 kPa、ws=9.52%～10.62%。

5)从微观层面剖析了宏观上千枚岩土发生膨胀以及红黏土失水收缩的内因。解释了红黏土与千枚岩土相互改良的机理,并发现掺入石灰后生成了网状胶结,进一步增强了改良土强度及水稳定性。