蔣文杰，楊根蘭，王中美

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

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改性紅粘土工程性質(zhì)研究

蔣文杰，楊根蘭，王中美

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

紅粘土在西南地區(qū)分布面積較廣，由于其具有高孔隙性、低密實(shí)度、高界限含水量和塑性較高等的工程不良特性，阻礙了其在工程中的應(yīng)用。通過在天然紅粘土中添加改性劑，對(duì)改性后的紅粘土進(jìn)行擊實(shí)、水穩(wěn)性、液塑限、無測(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：改性劑的加入在改善紅粘土的物理特性的同時(shí)，也增強(qiáng)了其力學(xué)特性。

紅粘土，改性，物理特性，力學(xué)特性

0 引言

紅粘土是我國(guó)南方一種性質(zhì)獨(dú)特的復(fù)雜土類[1]，其碳酸鹽巖成因類型[2-5]決定了它在喀斯特地區(qū)有大面積分布。目前對(duì)其自身的工程特性研究較廣，研究結(jié)果表明：紅粘土具有高孔隙性、低密實(shí)度；天然含水量高、處于近飽和狀態(tài)；有較高的界限含水量和塑性；有較好的力學(xué)性能；膨脹不大，但有明顯的收縮性等[6-9]一系列工程特性。紅粘土的這些特殊工程性質(zhì)嚴(yán)重阻礙了其在工程中的應(yīng)用。將粒化礦渣、粉煤灰、水泥、石膏作為紅粘土工程特性改良添加劑，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析加入不同比例改良劑后紅粘土物理、力學(xué)特性的變化，希望改良后的紅粘土能夠滿足道路工程或基礎(chǔ)工程地基用土的標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)方法與過程

將?；V渣、粉煤灰、水泥、石膏等制成改性劑，再按3 %、5 %、9 %、13 %等4組不同比例改性劑摻入烘干粉碎的紅粘土中配制試驗(yàn)樣品。因天然紅粘土在最優(yōu)含水量時(shí)經(jīng)夯實(shí)達(dá)到最大干密度下其工程性質(zhì)能達(dá)到最優(yōu)，故本次由擊實(shí)試驗(yàn)來求得改性后紅粘土的最優(yōu)含水量和最大干密度。

根據(jù)不同改性劑摻量時(shí)紅粘土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線，采用圖解法直接求取改性后紅粘土的最優(yōu)含水量和最大干密度。根據(jù)求得的最優(yōu)含水量和最大干密度，由預(yù)制模型制成不同試驗(yàn)所需的樣品。然后再在濕度大于95 %，溫度為20℃的條件下對(duì)試樣分別養(yǎng)護(hù)7天、28天、60天后對(duì)試樣進(jìn)行各種改性紅粘土的物理、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

2 改性劑對(duì)紅粘土物理性質(zhì)影響

2.1 改性紅粘土最大干密度、最優(yōu)含水量與改性劑摻量關(guān)系

由擊實(shí)試驗(yàn)獲得的改性紅粘土最大干密度、最優(yōu)含水量結(jié)果見圖1、圖2。由圖1、圖2可知，不同改性劑摻量與土壓實(shí)性曲線的典型特征表現(xiàn)為：隨著改性劑含量增加，擊實(shí)曲線漸趨平緩，即在最優(yōu)含水量基礎(chǔ)上增大含水量時(shí)，干密度變化不大。這說明隨著改性劑含量的增加，達(dá)到最優(yōu)含水量后再增加含水量對(duì)改性紅粘土工程性質(zhì)的影響逐漸變小。這一變化減小了自然天氣變化對(duì)改性紅粘土材料帶來的影響，使改性紅粘土材料對(duì)天氣變化的適應(yīng)性大大增強(qiáng)。

圖1 不同改性劑摻量時(shí)紅粘土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線

圖2 改性劑摻量與最優(yōu)含水量及最大干密度關(guān)系圖

2.2 改性紅粘土塑、液限與改性劑摻量關(guān)系

不同摻量改性劑條件下液限、塑限三組試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。對(duì)表1中三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，制作如圖3所示改性劑摻量與液、塑限及塑性指數(shù)關(guān)系曲線圖。

表1 液塑限與改性劑摻量關(guān)系表

圖3 改性劑摻量與液、塑限及塑性指數(shù)關(guān)系曲線圖

由圖3可知，改性紅粘土液塑限與改性劑摻量有如下關(guān)系：1)液限隨改性劑含量增加而減小；2)塑限隨改性劑含量增加略有增加，但增加值很??；3)塑性指數(shù)隨改性劑含量增加而大幅度降低。

3 改性劑對(duì)紅粘土力學(xué)性質(zhì)影響

3.1 改性紅粘土材料的水穩(wěn)性

水穩(wěn)性是指某種物質(zhì)受水的影響程度，也叫物質(zhì)的防水性能或抗水性能。試驗(yàn)室中常選擇有代表性的試件6組進(jìn)行不同齡期的水穩(wěn)定性試驗(yàn)。水穩(wěn)定性系數(shù)是以不同齡期飽水抗壓強(qiáng)度與干抗壓強(qiáng)度的比值表示，用以表征水穩(wěn)定性。對(duì)于改性紅粘土，飽水后抗壓強(qiáng)度極低，難以測(cè)量，故在此將改性紅粘土材料在水完全浸泡的情況下能夠保持其外形完整性程度表征其水穩(wěn)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，改性紅粘土材料在不同的養(yǎng)護(hù)期其水穩(wěn)性是不同的，但它們卻具有相同的水穩(wěn)趨勢(shì)。不管養(yǎng)護(hù)期是7天、28天、60天或無養(yǎng)護(hù)期，其水穩(wěn)性趨勢(shì)都是改性劑含量為13 %>9 %>5 %>3 %。在改性劑含量≤5 %時(shí)，材料浸水后完全崩解；在改性劑含量≥9 %時(shí)，材料浸水后部分崩解。

3.2 改性紅粘土材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

不同改性劑摻量時(shí)不同齡期的改性紅粘土材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖4、圖5。

圖4 不同齡期未浸水改性紅粘土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

圖5 不同齡期飽水改性紅粘土側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

由圖4、圖5可知，材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與改性劑摻量有如下關(guān)系：

素土(改性劑含量為0 %)，改性劑含量為3 %， 改性劑含量為5 %時(shí)材料強(qiáng)度相差不大；改性劑含量為9 %，改性劑含量為13 %時(shí)材料強(qiáng)度顯著增大，且隨養(yǎng)護(hù)期的增加而增大，28天后逐漸增至最大，而至60天時(shí)強(qiáng)度有所降低；改性劑含量為9 %，改性劑含量為13 %時(shí)，材料已經(jīng)能在浸水后成形并具有一定強(qiáng)度，且強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而逐漸增加。

從圖4、圖5還可以看出，改性紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度同時(shí)與改性劑含量和養(yǎng)護(hù)期有關(guān)。在未浸水情況下，改性紅粘土在養(yǎng)護(hù)32天左右其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，然后呈下降趨勢(shì)，但總體仍然是在改性劑含量大于9 %時(shí)隨改性劑含量增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。在浸水情況下，改性紅粘土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一直呈上升趨勢(shì)，但只有在改性劑含量大于9 %時(shí)改性紅粘土才能成形并具有一定的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.3 改性紅粘土抗剪強(qiáng)度與改性劑摻量關(guān)系

不同改性劑摻量條件下改性紅粘土內(nèi)摩擦角及內(nèi)聚力試驗(yàn)成果見表2，總體上表現(xiàn)出隨改性劑摻量的增加內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為先略有增加后急劇下降的趨勢(shì)，內(nèi)聚力有增加的趨勢(shì)。

表2 內(nèi)摩擦角(°)、內(nèi)聚力(kPa)與改性劑摻量關(guān)系表

圖6 改性劑摻量與內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力關(guān)系曲線圖

為了對(duì)比分析改性劑含量對(duì)內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力影響程度，將表2試驗(yàn)結(jié)果平均值繪制于圖6，由圖可看出對(duì)于改性劑含量小于5 %，改性劑含量對(duì)紅粘土抗剪強(qiáng)度影響不大，總體內(nèi)摩擦角略降低而內(nèi)聚力略增加，但幅度都較?。欢?dāng)改性劑含量超過5 %后，改性劑含量對(duì)紅粘土強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角φ顯著降低，而內(nèi)聚力顯著增加。

4 結(jié)論

改性紅粘土物理、力學(xué)性質(zhì)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，紅粘土復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)在摻入改性劑前后是不同的。當(dāng)改性劑含量為0 %時(shí)，紅粘土主要表現(xiàn)為其本身的c、φ值所提供的力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)改性劑含量為3 %～5 %時(shí)，此時(shí)的改性劑使土體的c、φ值降低，起到了破壞紅粘土本身強(qiáng)度的作用，因此，其強(qiáng)度曲線呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)改性劑含量大于9 %時(shí)，由于改性劑在土體中連續(xù)分布，此時(shí)的改性劑起到了土體的骨架作用，土體的c、φ降低值已小于骨架提高的強(qiáng)度值，其強(qiáng)度曲線呈上升趨勢(shì)。

當(dāng)改性劑摻量大于9 %時(shí)，材料具有了一定的水穩(wěn)性。在水完全浸泡作用下，材料不會(huì)完全崩解，并具有了一定的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，這就適應(yīng)了自然條件下降雨排水不暢時(shí)材料仍能保持一定的強(qiáng)度。

材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在改性劑摻量大于9 %時(shí)已顯著提高。通過試驗(yàn)，素土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.42 MPa，當(dāng)改性劑摻量為13 %時(shí)，材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已達(dá)到2.95 MPa，提高達(dá)2倍以上。

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Engineering properties of modified red clay

JIANG Wenjie，YANG Genlan，WANG Zhongmei

(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

Red clay is widely distributed in Southwest China.Its undesirable engineering characteristics，such as porosity，low density and high water content，have limited its application in engineering.In this study，we added modifier into natural red clay，and tested the compaction，water stability，liquid limit，plastic limit，non-limited compressive strength and shear strength of the modified red clay.The results showed that the modifier had improved both physical properties and mechanical properties of the red clay.

red clay，modification，physical properties，mechanical properties

P642.112；TU

A

2016-08-02；

2016-08-05

蔣文杰(1977-)，男，碩士，講師，主要研究方向：工程地質(zhì)。