華倫，唐正光，王奕博

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

公路邊坡、路基受地下水或降雨的影響會(huì)產(chǎn)生破壞。玄武巖殘積紅土為玄武巖風(fēng)化后表層的紅色黏性土，主要分布在中國(guó)南方。該紅土的特性與紅黏土的相似，具有高液限、高孔隙比等特點(diǎn)，但強(qiáng)度比紅黏土的略低［1］。相關(guān)研究已證明水對(duì)土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不良影響［2-3］，通常在土體中加入固化劑可以改善其性質(zhì)。常用的固化劑包括水泥和石灰等。鮑洋等人［4］研究發(fā)現(xiàn)，水泥摻入紅黏土中可以有效提高土體強(qiáng)度。經(jīng)石灰改良后的紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及加州承載比（california bearing ratio，簡(jiǎn)稱為CBR）顯著提高，抗變形能力增強(qiáng)［5］。水玻璃作為無(wú)機(jī)膠凝材料在土壤固化中得到廣泛應(yīng)用。王生新等人［6］開展了水玻璃固化黏土礦物的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)固化土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，粒狀、片狀結(jié)構(gòu)變?yōu)閳F(tuán)塊狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)文彬等人［7］探究了水泥-水玻璃雙漿固化軟土的微觀機(jī)理。顏勝才［8］發(fā)現(xiàn)將水泥摻入土中可以改善土體水穩(wěn)性，且隨著摻量的增加改善效果越顯著。將水泥與石灰共同摻入砂土中，可以改善其水穩(wěn)性［9］。已有研究結(jié)果表明：水泥、石灰和水玻璃可以有效改善土體特性，但將不同固化劑分別摻入玄武巖紅土進(jìn)行試驗(yàn)的研究較少。因此，本研究以玄武巖殘積紅土為研究對(duì)象，在玄武巖殘積紅土中分別摻入水泥、石灰、水玻璃和水泥-水玻璃雙漿4種固化劑后進(jìn)行浸水剪切試驗(yàn)，探究不同固化劑對(duì)玄武巖紅土浸水抗剪強(qiáng)度的改善效果及機(jī)理，以期為該類土體路基和邊坡處治提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土樣

本試驗(yàn)所用土樣為玄武巖殘積紅土，紅土經(jīng)自然風(fēng)干后碾碎，過(guò)2 mm篩，按照規(guī)范《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）［10］的要求進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)量其基本物理指標(biāo)，見表1。圖1為特殊土塑性圖［11］。從圖1可以看出，本試驗(yàn)選用的玄武巖殘積紅土在MHR區(qū)域內(nèi)，屬于紅黏土范疇。塑性指數(shù)較大，表明該紅土土顆粒較細(xì)，比表面積較大，土中黏粒含量較多，土體更易吸水，穩(wěn)定性較差。

表1 紅土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of laterite

圖1 特殊土塑性圖Fig.1 Plasticity diagram of the special soil

使用X射線熒光光譜儀測(cè)得土樣的主要化學(xué)元素及氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，見表2。由表2可知，土樣中含量較高的化學(xué)元素為Si、Al和Fe，其余為小部分稀有金屬元素；對(duì)應(yīng)含量較高的氧化物為SiO2、Al2O3和Fe2O3。

表2 紅土主要化學(xué)元素及氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Content of main elements and oxides in laterite

1.2 試驗(yàn)固化劑

土壤固化劑的主要成分是無(wú)機(jī)結(jié)合料，通過(guò)將其加入土壤與水發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，以改善土壤工程性能［12］，根據(jù)已有研究，本試驗(yàn)選用水泥、石灰、水玻璃及水泥-水玻璃雙漿4種材料作為固化劑，其中，雙漿固化劑中水泥和水玻璃的質(zhì)量配比為1∶1。水泥為普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），其主要成分為硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣和熟石膏，使用前過(guò)2 mm篩，防止水泥結(jié)塊；石灰為熟石灰Ca（OH）2；水玻璃為硅酸鈉水玻璃Na2O·nSiO2，模數(shù)n為2.9。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

已有研究成果表明水泥和石灰摻量為10%較為合適［13-14］，為對(duì)比分析各固化劑在不同摻量下對(duì)玄武巖紅土抗剪強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)將各固化劑摻量定為3%、5%和10%，固化劑的質(zhì)量按式（1）進(jìn)行計(jì)算，水的摻量按式（2）進(jìn)行計(jì)算。本試驗(yàn)共制備14組試件，每組12個(gè)試件，每4個(gè)為一批，一組共3批試件，取每組數(shù)據(jù)的平均值為試驗(yàn)值以消除誤差，各組試件參數(shù)見表3。本試驗(yàn)控制所有試件的質(zhì)量為（110±5）g，含水率為40%。其中，C0土樣不浸水，直接進(jìn)行剪切試驗(yàn)，其他試件制作完成脫模后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d成型，然后再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)180 d。養(yǎng)護(hù)箱為自制養(yǎng)護(hù)箱，在洗干凈的箱子上鋪砂漿磚，磚上鋪河砂，加水至淹過(guò)河砂，箱中保持溫度18℃，相對(duì)濕度90%。

表3 試件參數(shù)Table 3 Specimen parameters %

式中：ma為固化劑質(zhì)量，g；m0為風(fēng)干土質(zhì)量，g；w0為風(fēng)干土含水率，%；mw為水的質(zhì)量，g；w為試件含水率，%；a為固化劑摻量，%。

2.2 直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)使用SDJ-2型電動(dòng)應(yīng)變控制式直剪儀，四級(jí)法向應(yīng)力分別為100、200、300和400 kPa。為研究紅土浸水后的性能，剪切前先將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試件放入水中浸泡1 h（由于抽真空飽和加壓試驗(yàn)容易使紅土試件發(fā)生破壞，所以利用浸水1 h代替），以0.8 mm/min的剪切速率對(duì)試件進(jìn)行剪切，自剪切開始，每隔15 s記錄一個(gè)測(cè)力計(jì)讀數(shù)，每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10 min。

3 剪切試驗(yàn)結(jié)果與分析

黏聚力和內(nèi)摩擦角是土體抗剪強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)，各試件的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表4。由表4可知，水泥和石灰摻量增加時(shí)，試件的黏聚力逐漸上升，內(nèi)摩擦角變化相對(duì)穩(wěn)定；水玻璃摻量增加時(shí)，黏聚力先上升后下降，內(nèi)摩擦角先下降后上升；雙漿摻量增加時(shí)，黏聚力與內(nèi)摩擦角均上升。

表4 各試件抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Shear strength index of the specimen

由表4還可知，當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí)固化效果最為明顯，因此，本研究對(duì)固化劑摻量為10%的試件抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表4～5可知，素土浸水后強(qiáng)度明顯下降，其中，黏聚力下降較明顯，這是因?yàn)橥馏w中孔隙水增多，土顆粒間距增大。圖2（a）、（b）所示為飽和狀態(tài)下素土抗剪過(guò)程的機(jī)理示意圖，土顆粒之間被水填充，無(wú)直接接觸，黏聚力下降，抗剪強(qiáng)度降低。圖2（c）、（d）所示為飽和狀態(tài)下固化土抗剪過(guò)程的機(jī)理示意圖，相較素土，其土顆粒之間有固化劑及其水化物填充，孔隙水減少，且因水化物有一定的強(qiáng)度，顆粒間黏聚力增大，土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。

表5 固化劑摻量為10%的試件抗剪強(qiáng)度Table 5 Shear strength of specimen with 10%curing agent kPa

圖2飽和土體抗剪過(guò)程的機(jī)理示意Fig.2 Mechanism diagram of shear process of saturated soil

圖3 所示為素土及固化劑摻量為10%的不同固化土抗剪強(qiáng)度柱狀圖。從圖3可以看出，加入固化劑后，土樣的抗剪強(qiáng)度均有所提升，與浸水素土相比，當(dāng)法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，分別加入水泥、石灰、水玻璃和水泥-水玻璃雙漿的固化土抗剪強(qiáng)度分別增加329.40%、22.89%、11.86%和96.91%；法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，其分別增加236.96%、39.62%、25.57%和115.58%；在法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，其 分 別 增 加213.63%、59.05%、36.08%和94.85%；當(dāng)法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)，其分別增加119.89%、12.74%、13.98%和52.66%。試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入水泥的固化土抗剪強(qiáng)度最大，摻入水泥-水玻璃雙漿的次之，摻入石灰與水玻璃的最小且兩者固化效果較為接近。

圖3 素土及不同固化紅土的抗剪強(qiáng)度柱狀圖Fig.3 Shear strength histogram of plain soil and solidified laterite

4 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)掃描電鏡可以觀察各土樣整體形貌結(jié)構(gòu)及固化劑對(duì)土體的影響。本研究選用放大倍數(shù)為500倍的掃描電鏡，對(duì)在400 kPa法向應(yīng)力下剪切的素紅土和摻量均為10%的4種固化紅土進(jìn)行掃描。根據(jù)已有研究，加固土的機(jī)理主要為化學(xué)機(jī)理與物理機(jī)理，化學(xué)機(jī)理是土中生成新的化合物，其對(duì)土體有黏結(jié)作用或本身具有較高強(qiáng)度，使土體性質(zhì)得到改善；物理機(jī)理是無(wú)新物質(zhì)產(chǎn)生，固化劑本身可以填充土顆粒孔隙或使土顆粒膠結(jié)在一起，從而提高土體整體性。

圖4所示為素土及摻量均為10%的4種固化紅土的掃描電鏡圖，從圖4（a）可以看出，素土試樣的結(jié)構(gòu)主要為絮凝狀結(jié)構(gòu)和凝塊狀結(jié)構(gòu)。紅土礦物以高嶺石為主，高嶺石的片狀結(jié)構(gòu)以邊面結(jié)合形成絮狀結(jié)構(gòu)與塊狀結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合形成土體骨架。彎曲和卷曲的片狀黏土礦物晶片通過(guò)邊面、面面接觸形成不規(guī)則的聚集體，骨架之間的孔隙主要由水充填，粒團(tuán)內(nèi)孔隙發(fā)達(dá)［15］。絮狀結(jié)構(gòu)的黏性土的土粒之間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度往往由于長(zhǎng)期的固結(jié)作用和膠結(jié)作用得到加強(qiáng)［16］。從圖4（b）可以看出，摻入水泥的固化紅土含赤鐵礦晶體，并伴隨有針狀晶體生成，晶狀體稱為鈣礬石晶體，又稱水泥桿菌。水泥桿菌最初以針狀結(jié)晶的形式在較短時(shí)間內(nèi)析出，其生成量與水泥摻量多少及齡期長(zhǎng)短有關(guān)。該反應(yīng)的速度較快，反應(yīng)過(guò)程結(jié)合大量的自由水，最終以結(jié)晶水的形式固定下來(lái)。水泥桿菌的生成延緩了水泥的水化和硬化過(guò)程［17］。因水泥細(xì)度較土顆粒小，故水泥的摻入可以減小土體結(jié)構(gòu)中的孔隙，增強(qiáng)土體密實(shí)性；其次，生成的針狀鈣礬石晶體也具有一定的結(jié)構(gòu)性與強(qiáng)度，鈣礬石的生成消耗了大量的水分，且其溶解度極小，因此，水泥的摻入增加了紅土的浸水穩(wěn)定性，提高了其浸水后的強(qiáng)度。對(duì)照比例尺可以看出，部分晶體的長(zhǎng)度超過(guò)了20μm，這表明其水化反應(yīng)較為充分，絮凝狀結(jié)構(gòu)變少，孔隙被膠凝物填充，從而使紅土結(jié)構(gòu)性和整體性得到提高。從圖4（c）可以看出，摻入石灰的固化紅土土體結(jié)構(gòu)較為松散，存在較多的孔隙及較小的絮狀結(jié)構(gòu)，這表明石灰不能很好地填充到土體孔隙之中。熟石灰的主要成分Ca（OH）2與紅土中的SiO2和Al2O3結(jié)合生成具有膠結(jié)作用的CaSiO3和3CaO·Al2O3，使土顆粒黏結(jié)在一起，提高了土體強(qiáng)度和水穩(wěn)性。從圖4（c）中可以看出，土顆粒間雖存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，但土體整體性較差，孔隙較多，石灰對(duì)紅土的改良效果并不明顯，這可能是石灰摻量較少或反應(yīng)不充分所致。從圖4（d）可以看出，摻入水玻璃的固化紅土中，水玻璃與土體膠結(jié)為整體，密實(shí)程度較好。但土樣浸水后附著的水玻璃凝膠發(fā)生軟化，大部分流失，造成大量孔隙與裂縫的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度明顯降低。由圖4（e）可以看出，摻入雙漿的固化紅土結(jié)構(gòu)密實(shí)度較好，但由于水泥劑量較少，土體中未生成針狀鈣礬石，雖有少部分絮狀結(jié)構(gòu)生成，但未結(jié)合形成整體，因此，強(qiáng)度提升效果有限。水玻璃與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，水化硅酸鈣凝膠進(jìn)一步生成水化硅酸鈣，其具有較高的強(qiáng)度［7］。水泥水化產(chǎn)物中Ca（OH）2和水化硅酸鈣易溶于水，不會(huì)阻礙水泥顆粒與水繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)［16］，水與水泥的反應(yīng)更加徹底，生成了大量水化物，提高了土體的穩(wěn)定性，土體中水分被消耗后，水玻璃溶于水的量減少，水玻璃與水泥水化物共同保證了土體浸水后的穩(wěn)定性。

圖4 素土及各固化紅土的掃描電鏡圖Fig.4 The SEM of plain soil and solidified laterite

4.2 電鏡圖處理分析

本研究利用MATLAB編程軟件對(duì)掃描電鏡圖進(jìn)行分析，通過(guò)提取圖片中的孔隙率并對(duì)其量化，探究固化劑對(duì)土體孔隙率的影響。對(duì)微觀圖像進(jìn)行二值化處理，設(shè)置閾值對(duì)圖像內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行篩選，由于每張微觀圖的灰度與亮度均不同，為了減少誤差，需要根據(jù)目標(biāo)圖像的灰度與亮度選擇合適的閾值，處理過(guò)程如圖5所示。圖5（b）黑色區(qū)域代表土體中的孔隙，白色區(qū)域代表土體基質(zhì)。

圖5 閾值分割處理圖像Fig.5 Image using the threshold segmentation method

素土及固化劑摻量均為10%的4種固化紅土的孔隙率見表6。由表6可知，在浸水情況下，摻入固化劑可以降低土體孔隙率，提高土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性。其中，加入10%水泥的固化紅土的孔隙率最低，這是因?yàn)樯傻拟}礬石加固了土體整體骨架，且鈣礬石難溶于水，使土體即使在水的影響下也能保持較好的整體結(jié)構(gòu)，不會(huì)因水產(chǎn)生破壞。加入10%水玻璃的固化紅土孔隙率高于素土的，主要原因是水玻璃易溶于水，當(dāng)土體發(fā)生破壞時(shí)，水玻璃溶于水后流失，使其填充的孔隙暴露，增大了土體孔隙率。水泥-水玻璃雙漿固化劑中的水玻璃起到了速凝作用［18］，在降低孔隙率與提升強(qiáng)度方面對(duì)土體改善效果較明顯。

表6 素土及不同固化紅土的孔隙率Table 6 Porosity of plain soil and solidified laterite %

5 結(jié)論

1）水泥、石灰、水玻璃和水泥-水玻璃雙漿固化劑在一定程度上可以改善玄武巖殘積紅土的浸水穩(wěn)定性，且隨固化劑摻量的增加，土體抗剪強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。其中，水泥的固化效果最好，水泥-水玻璃雙漿的次之，石灰和水玻璃的相對(duì)較差且兩者固化效果接近。摻入10%水泥的固化紅土抗剪強(qiáng)度最高達(dá)到161.42 kPa，摻入10%雙漿的最高達(dá)112.07 kPa，摻入10%石灰的最高達(dá)82.76 kPa，摻入10%水玻璃的最高達(dá)83.67 kPa。

2）借助掃描電鏡觀察玄武巖殘積紅土，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在較多孔隙，土體結(jié)構(gòu)主要為絮凝狀結(jié)構(gòu)和凝塊狀結(jié)構(gòu)。摻入水泥后產(chǎn)生的水化物填充了土體孔隙，生成的鈣礬石增強(qiáng)了土體水穩(wěn)性，土體抗剪強(qiáng)度增幅最高達(dá)329.40%。摻入石灰的土樣中仍有較多孔隙，土樣整體性較差。水玻璃可以填充土體孔隙，但水玻璃易溶于水，水玻璃凝膠遇水軟化后流失，土體強(qiáng)度也隨之降低。雙漿固化劑中水泥與水玻璃的相互作用使土體內(nèi)摩擦角得到較好改善，土體抗剪強(qiáng)度得到較大增強(qiáng)，但因水玻璃易溶于水，土體強(qiáng)度增幅最高為115.5%。

3）摻入固化劑可以降低土體孔隙率，增強(qiáng)土體密實(shí)性，從而降低土體浸水破壞程度。相較其他固化劑，水玻璃因其自身易溶于水的特點(diǎn)對(duì)孔隙率改善效果較差，但與水泥共同摻入土體時(shí)可以產(chǎn)生較好的固化效果。