葉子明，王瑜，利鈺連

（柳州工學院 土木建筑工程學院，廣西柳州 545000）

0 引言

紅黏土是由碳酸鹽巖經(jīng)過紅土化作用而形成的一種土，其中黏粒的含量較高，一般可達55%～70%，紅黏土主要由高嶺石、伊利石和蒙脫石等黏土類礦物組成，粒度較均勻，分散性較高[1]，主要分布在云南、貴州、廣西、安徽、四川東部等亞熱帶地區(qū)。 由于紅黏土具有特殊的工程力學性質，因此，許多國家的學者對紅黏土進行了比較深入的研究[2-4]，我國地域遼闊，紅黏土分布廣泛，國內對紅黏土的研究也較多[5-8]。

紅黏土具有含水率高、孔隙比大、液限高、水穩(wěn)定性差等特點，公路、鐵路尤其是近年來快速興起的高速鐵路工程很多穿越紅黏土地區(qū)。 若用它作為路基的填筑材料，在旱季和雨季容易產(chǎn)生路基開裂、不均勻沉降等工程問題，給交通安全造成巨大隱患。 因此通過改良紅黏土以提高其土體的強度，對實際工程建設具有重要的意義。關于紅黏土的改良方面，許多學者已進行了大量的研究。劉寶臣[9]、張?zhí)旒t[10]、盧雪松[11]等主要通過在紅黏土中摻入化學添加劑（水泥、ISS 固化劑等），研究化學改良劑對土體的抗剪強度以及無側限抗壓強度的影響；楊俊[12]、肖慶一[13]、龐邦輝[14]等加入物理添加劑（風化砂、聚丙烯纖維、輪胎橡膠等）來研究改良土強度特性與摻入比例之間的關系，分析了改良劑對紅黏土的強度增長機理。

由于石灰在工程應用中比較常見，來源較廣，取材方便，一些學者通過摻入石灰[15-17]來研究對紅黏土強度的改變機理。 但是研究內容主要集中在添加劑、改良劑等單一因素對土體宏觀力學性質的影響，針對微觀結構與宏觀力學之間的影響關系鮮有涉及。本文以桂林地區(qū)的紅黏土為研究對象，將石灰按不同比例摻入紅黏土中，控制含水率進行快剪試驗，研究石灰改良桂林紅黏土抗剪強度的變化特征，確定石灰改性黏土的最佳摻量范圍及最佳含水率范圍，可為紅黏土地區(qū)的工程設計和施工提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所需的紅黏土取自桂林市臨桂區(qū)某工地，土樣顏色呈棕紅色，稍濕，土質較均勻，依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，測定其基本物理性質為：液限WL=64 %，塑限WP=45%，塑性指數(shù)IP=19，土粒比重GS=2.75，基本性質指標見表1。

表1 紅黏土的基本物性指標表

本試驗所用石灰為桂林靈川縣金山灰鈣粉廠生產(chǎn)，質量等級為一等品，其中CaO 的質量分數(shù)約為70%，細度為0.125mm，試驗用水為蒸餾水。

1.2 試驗儀器及方案

本次試驗中所采用的儀器為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的ZJ 型應變控制式直剪儀 （四聯(lián)剪）。桂林地區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，結合桂林地區(qū)的氣候條件以及工程實際，本試驗通過以含水率與石灰摻入比（石灰與紅黏土質量之比）為控制變量，設定石灰摻入比為0%、3%、5%、7%、9%，含水率為28%、32%、36%、40%。 按不同含水率將試驗分為4個大組，再以不同石灰摻入比為控制變量將每個大組分為5 個小組，每個小組有4 個試件，共80 個試件。 每個小組的4 個試件分別在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的垂直壓力下進行快剪試驗并記錄數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 試樣方案變量控制表

1.3 試驗流程

（1） 將取回的土樣自然風干，將其碾碎過2mm 篩。

（2） 按照不同的石灰配比與制備好的紅黏土拌勻，然后分別按照不同的含水率往拌勻的石灰土樣加入蒸餾水再次攪拌均勻，隨后將制備好的石灰土樣放入保鮮袋中密封24h，再將密封好的石灰土樣用千斤頂按照90%的壓實度制備環(huán)刀樣，環(huán)刀尺寸為61.8×20mm，為防止水分蒸發(fā)，將制備好的環(huán)刀樣用保鮮膜密封，將配好的土樣放入室內陰暗不通風的地方靜置，養(yǎng)護時間為7天，溫度一般為（23±2）℃。

（3） 經(jīng)過7 天養(yǎng)護期之后，取出土樣在四聯(lián)剪儀上進行快剪試驗。 分別施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 的上覆垂直壓力，并保持0.8mm/min 的勻速剪切速率，直至土樣剪切破壞。

2 試驗結果及分析

本次直接剪切試驗按照 《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行，按不同石灰摻入比和不同含水率共20 個小組試驗，通過圖表分析來大致確定最佳摻入比及最佳含水率。 不同石灰摻入比和不同含水率相對應的內摩擦角和粘聚力關系的試驗結果如圖1—圖4 所示。

通過試驗結果（圖1—圖4）分析可以得出以下結論：石灰土的抗剪強度受到石灰摻入比、含水率的影響，隨石灰摻入比的增大，石灰土的內摩擦角一直增大，而粘聚力先增大后減??；在相同石灰摻入比條件下，石灰土的內摩擦角和粘聚力都隨著含水率的增大先增大后減小。

2.1 石灰對紅黏土抗剪強度的影響結果

在相同含水率條件下，石灰土的內摩擦角隨石灰摻入比的增大而增大；粘聚力隨著石灰摻入比的增大先增大后減小（圖1、圖2）。 由圖1 分析可知，在相同含水率（28%、32%、36%、40%）下，在紅黏土中摻入不同量的石灰（3%、5%、7%、9%），隨著石灰含量的提高，紅黏土的內摩擦角也隨之增大，從35.2°提升到了61.1°。 由圖2 分析可知，石灰摻入比在7%時紅黏土的粘聚力達到了峰值，且含水率為28%時石灰土的粘聚力最大，粘聚力為265.8kPa。 從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，當石灰摻入比為3%時，與未摻石灰的紅黏土的粘聚力比較增加并不明顯，究其原因是試驗中石灰摻入量比較少，紅黏土與石灰的反應不充分，導致紅黏土的粘聚力增加并不是很明顯。 經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析得出，當石灰摻入比在7%～9%，含水率在28%～32%的情況下，紅黏土的抗剪強度達到最佳狀態(tài)。

圖1 內摩擦角與石灰摻入比的關系圖

圖2 粘聚力與石灰摻入比的關系圖

圖4 粘聚力與含水率的關系圖

2.2 石灰對紅黏土抗剪強度的影響機理

由圖1 和圖2 可知，在相同含水率條件下，石灰土的抗剪強度隨石灰摻入比（一定范圍內）的增大而增大。 分析原因如下：

（1） 紅黏土的抗剪強度大小與土粒間結合水膜厚度有重要關系，當紅黏土摻入石灰后，一方面由于離子交換的作用，使吸附在黏土顆粒表面的水膜厚度變薄，促使土粒凝聚形成了穩(wěn)定的團粒結構，另一方面由于石灰與水在硬化過程中形成Ca(OH)2膠體，膠結作用令土粒形成整體，從而使石灰土抗剪強度提高；

（2） 在紅黏土中摻入石灰后，新形成了針狀或片狀晶體，聯(lián)結在黏土團粒的表面，形狀清晰可見，如圖5、圖6 所示。 究其原因，由于石灰的主要成分為氧化鈣(CaO)，遇水后發(fā)生反應，生成氫氧化鈣[CaO+H2O=Ca(OH)2]，生成的Ca(OH)2易與空氣中的CO2反應生成碳酸鈣晶體，反應方程式為Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。 隨著石灰摻量的增加，石灰的水化產(chǎn)物CaCO3晶體從黏土表面中結晶出來，土顆粒之間的連接從柔性連接轉變?yōu)閯傂赃B接，形成針狀或片狀晶體，在集合體中起著“加筋”作用。 在宏觀上來說，土顆粒的“加筋”作用使紅黏土的抗剪強度進一步提高，更加直觀地闡明了石灰土的強度增大機理。

圖5 石灰摻入比3%的SEM圖片

圖6 石灰摻入比9%的SEM圖片

2.3 含水率對紅黏土粘聚力和內摩擦角的影響分析

由圖3 和圖4 分析可知，在相同石灰摻入比條件 （3%、5%、7%、9%）下，紅黏土的粘聚力隨含水率增大而減小，內摩擦角隨含水率增大先增大后減小。 在含水率為32%左右時達到峰值，下面對此問題進行探討。

圖3 內摩擦角與含水率的關系圖

2.3.1 含水率對紅黏土粘聚力的影響分析

由圖4 可知，含水率對粘聚力的影響作用是非常明顯的，隨著含水率的增大。 石灰土的粘聚力減小，原因分析如下：

（1） 紅黏土的粘聚力主要表現(xiàn)為土粒間的相互引力，紅黏土的顆粒小、比表面積較大，所以粒間的相互吸引能力強，當含水率增大時，黏土的飽和度隨之增大，顆粒間的空隙被水充滿，孔隙水壓力增大，基質吸力變小，土粒之間的相互吸引力變小，導致紅黏土的粘聚力下降；

（2） 紅黏土的土粒具有結合水膜，顆粒間的作用力主要依靠水膜膠結作用和聯(lián)結作用，如圖7 所示。因此紅黏土的粘聚力隨著含水量的不同而變化較大，隨著含水率的增加，紅黏土顆粒之間的水膜厚度增大，使土粒間距變大，這時水膜膠結作用和聯(lián)結作用就逐漸減弱，從而使紅黏土的粘聚力隨著含水率的增加而減小。

圖7 紅黏土顆粒結合水膜示意圖

2.3.2 含水率對紅黏土內摩擦角的影響分析

影響紅黏土內摩擦角的主要因素有土的顆粒大小、土的顆粒結構、土的密實度、土顆粒間的膠結作用等4 項。 根據(jù)圖3 的試驗結果可以得出，當石灰摻入量在一定范圍內時，紅黏土的內摩擦角隨著含水率增大，先是緩慢增加，到達峰值之后再快速減小。

從得出的試驗數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在含水率較低的情況下，紅黏土中的游離氧化鐵主要以晶體狀態(tài)和膠結狀態(tài)存在，以膠結狀態(tài)存在的游離氧化鐵，由于土顆粒的膠結作用形成團粒結構，團粒結構具有一定的水穩(wěn)性，在一定的含水率范圍內，內摩擦角隨著含水率的增大緩慢增加；但當含水率繼續(xù)增大時，土顆粒的飽和度增加，其團粒結構之間的孔隙由于水體的充填逐漸增大，團粒與團粒之間的聯(lián)結作用降低，宏觀表現(xiàn)為內摩擦角減小。 通過圖1 與圖3 的對比，在相同石灰摻入比的情況下，含水率的變化對其內摩擦角的影響比對粘聚力的影響小。

3 結論

（1） 在相同含水率的情況下，紅黏土的抗剪強度隨石灰摻入比的增大而增大；石灰摻入比為7%～9%時，抗剪強度得到了明顯的改善；在相同石灰摻入比的條件下，石灰土的抗剪強度隨含水率的增大先增大后減小，在含水率為28%～32%時，石灰土的抗剪強度較高。

（2） 由于紅黏土的孔隙比大、水穩(wěn)性差，含水率對紅黏土的內摩擦角和粘聚力影響效果明顯，在相同石灰摻入比的情況下，石灰土的含水率在一定范圍內，含水率的增大對其內摩擦角的影響比對粘聚力的影響小。

（3） 通過掃描電鏡SEM 試驗結果分析得到，隨著石灰摻量的增加，紅黏土內部結構發(fā)生改變，土顆粒團聚體數(shù)量增多，形成新的針狀或片狀晶體CaCO3體，聯(lián)結在土顆粒之間。 土顆粒的“加筋”作用使紅黏土的抗剪強度進一步提高，試驗結果也表明，紅黏土的粘聚力和內摩擦角也隨石灰摻量的增加而增加。

綜上所述，本試驗初步研究表明： 當石灰的摻入比為7%～9%，含水率為28%～32%時，石灰土的抗剪強度達到最佳，工程性質相對較好。 研究結果可為紅黏土地區(qū)的工程設計和施工提供參考依據(jù)。