干濕循環(huán)過程中紅黏土改良土路基填料試驗研究

曾帥 曾長賢 卞友艷 華麗晶 張棟

（1.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 概況

紅黏土遇水膨脹、失水收縮，這種脹縮性隨季節(jié)性氣候變化明顯，雨季和旱季的交替，會導(dǎo)致紅黏土路基因為這種干濕循環(huán)產(chǎn)生開裂等工程病害。在熱帶雨林地區(qū)，紅黏土分布廣泛，修建高速鐵路時不能直接用作路基填料，須改良后方可使用［1］。穆坤等［2］開展了紅黏土工程性狀的干濕循環(huán)效應(yīng)試驗，指出未經(jīng)改良的紅黏土不宜直接用于填筑路基與邊坡表層的填料，可以作為上下路堤堤心的填料，但必須采取防排水工程措施與邊坡防護(hù)措施。

干濕循環(huán)作用下水泥改良紅黏土中產(chǎn)生微觀裂縫，對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用。微觀裂縫隨干濕循環(huán)次數(shù)增加逐漸發(fā)展，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低，水泥水化物及其與紅黏土中礦物成分反應(yīng)生成的化合物膠結(jié)在一起減緩了微觀裂縫的發(fā)展。水泥摻量越高，產(chǎn)生的化合物越多，對改良紅黏土越有利［3-5］。王瑩瑩等［6］對不同初始含水率的重塑紅黏土進(jìn)行了無荷條件下的干濕循環(huán)試驗，初始含水率及干濕循環(huán)次數(shù)對紅黏土的脹縮變形均有影響。紅黏土在干濕循環(huán)中，發(fā)生了不完全可逆的脹縮變形。朱建群等［7］對貴州一高速公路沿線紅黏土進(jìn)行了干濕循環(huán)作用后的收縮特性試驗，干濕循環(huán)作用對重塑紅黏土最優(yōu)含水率基本沒有影響。趙振亞等［8］對呼和浩特地區(qū)的紅黏土開展了水泥改良力學(xué)性能試驗，水泥紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長而增長，隨著水泥摻量的增加逐漸增強(qiáng)，水泥摻量15%為最優(yōu)摻量。胡文華等［9］采用江西某地紅黏土開展了水泥或石灰改良紅黏土的力學(xué)強(qiáng)度特性研究，建議改良紅黏土的水泥摻量為10%～15%，石灰摻量為5%～10%。李永豪等［10］研究了水泥外加劑對桂林地區(qū)紅黏土強(qiáng)度的影響，水泥摻量9%～13%、含水率40%時改良效果最佳。Joel 等［11］對尼日利亞紅黏土摻加了由不同比例的干砂和石灰組成的混合改良劑，砂的加入增強(qiáng)了紅黏土作為柔性路面材料的水穩(wěn)性。Omotosho等［12］對尼日爾三角洲紅黏土進(jìn)行了砂與水泥混合改良試驗，發(fā)現(xiàn)存在最佳摻砂比（OSC）并建立了一個模型對2 種改良劑不同含量配比對改良效果的影響進(jìn)行預(yù)測。

本文選取一新型改良劑作為水泥改良紅黏土的添加劑。該改良劑為帶有特殊氣味的淺灰色粉狀物，添加質(zhì)量為水泥質(zhì)量的2.5%～3.0%，主要由硝酸鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、氯化鈣、碳酸鈣、石灰等物質(zhì)組成。通過注漿或與土壤拌和的方法使用，可以提高土體的密實性、抗壓強(qiáng)度、抗凍脹能力、抗?jié)B能力以及水穩(wěn)性。

本次試驗選取廣西某地紅黏土，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量損失率2項指標(biāo)分析水泥摻量、含水率、是否添加改良劑等因素對紅黏土改良土耐久性的影響，并給出該紅黏土改良土的最佳配比。

2 紅黏土干濕循環(huán)試驗

該地紅黏土0.075 mm 以下細(xì)粒含量為43.78%，2 mm塑限為25.8%，液限為43.9%，塑性指數(shù)為18.1，最大干密度為1.955 g∕cm3，最優(yōu)含水率為9.3%。

2.1 制樣及養(yǎng)生

根據(jù)TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規(guī)程》，對不同水泥摻量的紅黏土加水至規(guī)定含水率制作試樣。試樣完成后包膜放入恒溫恒濕箱養(yǎng)生7 d或28 d，養(yǎng)生期滿后取出進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。

紅黏土需要先摻入一定量的水浸潤24 h，為了保證浸潤后的土與水泥充分?jǐn)嚢杈鶆?，此時加入的水量要小于最終的制樣含水量。浸潤后，摻入水泥攪拌均勻，再加水到最終制樣含水量攪拌制樣。

前期試驗表明水泥摻量小于11%時，試樣浸水容易發(fā)生崩解。故本次試驗的水泥摻量取11%，15%，20%。

2.2 含水率與壓實系數(shù)

紅黏土遇水易崩解，含水率是影響崩解的主要因素。在紅黏土改良土的干濕循環(huán)試驗中，含水率是影響紅黏土改良效果的關(guān)鍵因素。水泥摻量11%的試件含水率分別采用14.3%，16.3%，18.3%，水泥摻量15%的試件含水率分別采用13.3%，15.3%，17.3%，水泥摻量20%的試件含水率分別采用17%，20%，23%，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。

當(dāng)壓實系數(shù)較低時，試樣含水率與壓實系數(shù)互不相關(guān)。當(dāng)壓實系數(shù)較高時，含水率越高，試件所能達(dá)到的最大壓實系數(shù)越低。理論計算和試驗結(jié)果表明，素土的含水率達(dá)到16%時，最大壓實系數(shù)約為0.9。

3 改良紅黏土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

養(yǎng)護(hù)7 d、壓實系數(shù)0.95 時，不同水泥摻量的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖1。其中水泥摻量11%，15%，20%的試件含水率分別為14.3%，17.3%，17.0%。

圖1 養(yǎng)護(hù)7 d紅黏土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體上先增大后減小。原因是干濕循環(huán)過程中高溫高濕的環(huán)境促進(jìn)了改良土固化劑的水化反應(yīng)，反應(yīng)完全后由于紅黏土水穩(wěn)性差，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢。水泥摻量20%的試件比水泥摻量15%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約高出30%，水泥摻量15%的試件比水泥摻量11%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約高出40%左右。水泥摻量增大對提高紅黏土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度效果顯著。

根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，基床表層填料化學(xué)改良土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于500（700）kPa，基床底層化學(xué)改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于350（550）kPa，括號內(nèi)數(shù)值為考慮凍融循環(huán)作用所需的強(qiáng)度。根據(jù)試驗結(jié)果，3 種水泥摻量的改良紅黏土干濕循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足TB 10001—2016要求。

12 次干濕循環(huán)后，水泥摻量11%，15%，20%的紅黏土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與峰值相比，衰減率均小于25%。18 次干濕循環(huán)后，水泥摻量11%的紅黏土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅衰減，水泥摻量15%，20%的紅黏土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減率仍在25%以內(nèi)。

4 改良紅黏土耐久性

采用不同水泥摻量的改良紅黏土試件12 次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率來評價改良紅黏土的耐久性。12 次干濕循環(huán)后，新型改良劑對紅黏土試件質(zhì)量損失率的影響，見表1。

表1 新型改良劑對紅黏土試件質(zhì)量損失率的影響

由表1可知：紅黏土水穩(wěn)性差，12次干濕循環(huán)后大多出現(xiàn)一定程度的質(zhì)量損失；水泥摻量越高，未摻加改良劑的試件質(zhì)量損失率越低，摻加改良劑的試件質(zhì)量損失率明顯低于同樣配比未摻加改良劑的試件；改良劑對提高紅黏土干濕循環(huán)下的耐久性作用明顯。

通過水泥摻量11%、15%且添加新型改良劑的紅黏土試件12 次干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失率，分析含水率、壓實系數(shù)對紅黏土試件質(zhì)量損失率的影響，見表2。

表2 含水率、壓實系數(shù)對紅黏土試件質(zhì)量損失率的影響

12 次循環(huán)后，水泥摻量11%、15%添加改良劑的試件能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)“質(zhì)量損失率不超過5%”的要求，但均出現(xiàn)了掉渣現(xiàn)象。水泥摻量11%是該廣西紅黏土改良的最低水泥摻量。

由表2 可知，壓實系數(shù)越高，改良土耐久性越好。12次干濕循環(huán)后，壓實系數(shù)0.85的紅黏土試件質(zhì)量損失率顯著高于壓實系數(shù)0.90，0.95 的試件，提高壓實系數(shù)對提高紅黏土耐久性效果明顯，工程上改良紅黏土最低壓實系數(shù)為0.90。水泥摻量11%，15%的紅黏土試件含水率分別為16.3%，15.3%時，質(zhì)量損失率最低，改良土耐久性最好。即改良土含水率高于最優(yōu)含水率6%～7%時，改良效果最好。

試驗結(jié)果表明，水泥摻量11%～15%、壓實系數(shù)0.90、含水率高于最優(yōu)含水率6%～7%且添加新型改良劑時，紅黏土改良效果良好。

5 結(jié)論

1）在紅黏土的干濕循環(huán)中，水泥摻量越高，壓實系數(shù)越高，試件7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高。壓實系數(shù)0.9 以上，含水率在合適的區(qū)間內(nèi)，水泥摻量11%，15%，20%改良紅黏土7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》要求。12 次干濕循環(huán)后，7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度衰減率不超過25%，質(zhì)量損失率不超過5%。

2）紅黏土水穩(wěn)性差，干濕循環(huán)后出現(xiàn)一定程度的質(zhì)量損失，新型改良劑對提高紅黏土干濕循環(huán)下的耐久性作用顯著。

3）水泥摻量11%～15%、壓實系數(shù)0.9、含水率高于最優(yōu)含水率6%～7%時，該廣西紅黏土改良效果良好。