不同改良方案下路基紅黏土的水穩(wěn)性對(duì)比研究

雷 鑫

(中山市交通項(xiàng)目建設(shè)有限公司, 廣東 中山 528400)

1 引言

紅黏土廣泛分布在我國(guó)云貴高原、四川東部、兩湖和兩廣北部一些地區(qū)，是一種區(qū)域性特殊土，具有天然含水率高、孔隙比大和較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性等特點(diǎn)[1]。隨著國(guó)家交通建設(shè)發(fā)展，許多公路不可避免地需要穿越紅黏土分布地區(qū)，若對(duì)沿線紅黏土棄之不用，必然造成一定的環(huán)境破壞和成本增加。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅黏土改良進(jìn)行了大量研究，黃俊等[2]發(fā)現(xiàn)改良劑對(duì)紅黏土CBR的改良作用比較明顯，但對(duì)最優(yōu)含水率和最大干密度幾乎沒(méi)有影響。莫百金等[3]指出隨著砂礫摻比的增大，紅黏土中細(xì)粒組分占比減少，從而使得液塑限和收縮性降低，利用砂礫對(duì)高液限紅粘土進(jìn)行物理改良是可行有效的。葉瓊瑤等[4]采用多種措施研究全興高速路基紅黏土改良，發(fā)現(xiàn)物理改良(如摻砂礫)比較經(jīng)濟(jì)有效。羅斌等[5]從經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面出發(fā)，得出了紅黏土改良的碎石最優(yōu)摻配率。李光等[6]依托衡棗高速公路紅黏土路基填筑項(xiàng)目，分析了紅黏土經(jīng)過(guò)石灰改良后的強(qiáng)度以及石灰摻量與壓實(shí)度之間的關(guān)系。樹(shù)文新[7]研究了石灰改良紅黏土填筑路基的效果，認(rèn)為經(jīng)過(guò)石灰改良后，紅黏土的各項(xiàng)指標(biāo)都能有效改善，并能達(dá)到施工技術(shù)規(guī)定的要求。陳紅彪[8]探討了紅黏土路基摻灰砂化的問(wèn)題，介紹了摻灰砂化機(jī)理以及施工工藝，并總結(jié)得出了含水率控制、摻灰量控制的具體措施。

紅黏土區(qū)域差異明顯，結(jié)構(gòu)性極強(qiáng)，采用何種改良方案要因地制宜，且紅黏土的工程特性容易受到自然環(huán)境變化影響，其改良土的水穩(wěn)性優(yōu)劣是判別改良方案是否有效的重要標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。本文從某公路路基現(xiàn)場(chǎng)提取紅黏土，以水泥改良、石灰改良、固化劑改良3種方案，對(duì)干濕循環(huán)后的改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，判別不同改良方案對(duì)水穩(wěn)性的影響，為改良方案的確定及配比選擇提供參考。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

1) 紅黏土：在廣東省中山市某一級(jí)公路路基現(xiàn)場(chǎng)2個(gè)試坑中提取，其基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

2) 水泥：采用P·C32.5水泥，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)，水泥初凝時(shí)間為230 min，終凝時(shí)間為327 min，所檢指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

3) 生石灰：碳酸鈣為主要成分在適當(dāng)溫度下進(jìn)行鍛燒，放出二氧化碳，得到以氧化鈣為主要成分的生石灰，重度約12.1kN/m3，莫氏硬度為2～3，抗壓強(qiáng)度為3～7MPa。

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)編號(hào)最大干密度/(g·cm-3)最優(yōu)含水率/%液限wL/%塑限wP/%粒組含量/%<0.2 mm<0.075 mm1#1.6225.184.139.410083.32#1.5823.785.237.210087.2

4) 固化劑：采用廣東某公司生產(chǎn)的固化劑，由激發(fā)劑、催化劑、電解質(zhì)和表面活性劑組成，弱堿性，黑褐色粉末，易溶于水。

2.2 試驗(yàn)方案

按照不同配比將改良劑摻入紅黏土中，均勻拌和，參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)中有關(guān)內(nèi)容，制備圓柱體試樣(見(jiàn)圖1)。干濕循環(huán)過(guò)程如下：將制作成型的試樣放入烘箱中進(jìn)行脫濕處理，24h后將試樣取出，進(jìn)行真空抽氣及24h浸水飽和(見(jiàn)圖2)，至此完成1次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)定為1、2、3、4、5次，每次干濕循環(huán)完成后，測(cè)定試件所能承受的最大荷載，結(jié)果精確至10N，并利用公式(1)計(jì)算每次干濕循環(huán)單個(gè)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，最后取其平均值作為試件干濕循環(huán)后最終無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

圖1 紅黏土試樣

圖2 真空抽氣及浸水飽和

RC=P/A

(1)

式中：RC為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算至0.01MPa；P為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；A為受壓面積,mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水泥改良水穩(wěn)性分析

對(duì)1#紅黏土進(jìn)行水泥摻量為1%～8%的改良，對(duì)2#紅黏土進(jìn)行水泥摻量為4%～8%的改良。圖3、圖4為不同水泥摻量(質(zhì)量比)下1#和2#改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。

圖3 1#水泥改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

由圖3可以看出：1#水泥改良紅黏土經(jīng)干濕循環(huán)后強(qiáng)度較干濕循環(huán)前有所減少，這是因?yàn)橥馏w結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)條件下結(jié)構(gòu)被破壞，盡管各個(gè)水泥摻量的強(qiáng)度線型有波動(dòng)，但整體趨勢(shì)較為相似，水泥摻量越大，強(qiáng)度減少的相對(duì)幅度越小。在經(jīng)過(guò)第1次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失最為明顯，之后的多次干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度變化趨緩。

圖4 2#水泥改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

由圖4可以看出：2#水泥改良紅黏土經(jīng)干濕循環(huán)后強(qiáng)度較干濕循環(huán)前普遍降低，在第1、2次干濕循環(huán)條件下抗壓強(qiáng)度減少較快，而后的3、4、5次干濕循環(huán)條件下抗壓強(qiáng)度呈小幅度波動(dòng)狀態(tài)，表明抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

總體來(lái)看，若無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要長(zhǎng)期保持在1.5 MPa以上，則水泥摻量應(yīng)達(dá)到6%以上。

3.2 石灰改良紅黏土水穩(wěn)性研究

對(duì)1#、2#紅黏土分別摻入3%、5%、7%、9%的石灰，按照操作步驟進(jìn)行不同石灰摻量改良紅黏土在不同干濕循環(huán)條件下的水穩(wěn)性試驗(yàn)，繪制出改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 1#石灰改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖6 2#石灰改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

從圖5、圖6可以看出：1#石灰改良紅黏土經(jīng)干濕循環(huán)后強(qiáng)度較干濕循環(huán)前有所減少，不同石灰摻量下的強(qiáng)度線型有波動(dòng)，但整體隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈遞減趨勢(shì)。從圖中看出干濕循環(huán)抗壓強(qiáng)度呈小幅度波動(dòng)狀態(tài)，表明干濕循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度有持續(xù)影響。2#石灰改良紅黏土經(jīng)干濕循環(huán)后強(qiáng)度變化與1#類似，但是變化幅度較小?？傮w來(lái)看，在經(jīng)過(guò)第1次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度減少明顯，但不同石灰摻量之間抗壓強(qiáng)度相互有交叉，雖然在多次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度都呈大幅度波動(dòng)狀態(tài)，但最后抗壓強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，石灰改良的效果不如水泥改良，多次干濕循環(huán)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本小于1 MPa。

3.3 固化劑改良紅黏土水穩(wěn)性研究

在1#、2#紅黏土中分別摻入5%的固化劑，按照操作步驟進(jìn)行固化劑改良紅黏土在不同干濕循環(huán)條件下的水穩(wěn)性試驗(yàn)，繪制出各固化劑改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 1#固化劑改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖8 2#固化劑改良紅黏土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線圖

由圖7和圖8可以看出：固化劑改良后紅黏土的強(qiáng)度會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢(shì)，并且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度有快速減小的趨勢(shì)。因此固化劑不宜單獨(dú)使用，建議與水泥、石灰配合使用。

4 結(jié)論

對(duì)不同改良方案下改良紅黏土干濕循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1) 采用水泥、石灰、固化劑分別對(duì)紅黏土改良并進(jìn)行水穩(wěn)性試驗(yàn)，三者在干濕循環(huán)后都有不同程度的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失，其中水泥和石灰改良土在一定干濕循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

2) 水泥改良提升強(qiáng)度的效果最佳，且水穩(wěn)性較好，當(dāng)水泥摻量達(dá)到6%以上時(shí)，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后的改良紅黏土強(qiáng)度仍保持在1.5 MPa以上。

3) 在干濕循環(huán)前石灰改良紅黏土的強(qiáng)度低于固化劑改良紅黏土，但干濕循環(huán)后，固化劑改良紅黏土的強(qiáng)度有快速減小趨勢(shì)，因此，固化劑不宜單獨(dú)使用。