氯化鈣作用紅黏土持水性能研究

劉 棟，賓 武，鐘勝才，張玉柱，江廷薈

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

紅黏土作為一類特殊的黏性土，在我國(guó)南方省區(qū)普遍分布。紅黏土工程性質(zhì)獨(dú)特[1-2]，具有高強(qiáng)度、低壓縮性、高含水率、高孔隙比、高液限、受干濕循環(huán)作用干縮開(kāi)裂明顯的特點(diǎn)。許多工程實(shí)例和研究均表明[1，3]：由于紅黏土失水干縮開(kāi)裂明顯的特點(diǎn)，以紅黏土作為基礎(chǔ)的路基邊坡等構(gòu)筑物在降雨時(shí)雨水會(huì)沿著土體表面裂隙向縱深擴(kuò)展并侵蝕土體，造成開(kāi)裂發(fā)育更顯著，從而破壞土體結(jié)構(gòu)，損傷土體強(qiáng)度，由此引起的工程事故愈發(fā)頻繁，給社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)紅黏土改良，學(xué)者們進(jìn)行了大量的改良研究。牛庚等[4]研究了去鐵前后紅黏土的持水性能變化規(guī)律，得到在不同吸力范圍游離氧化鐵對(duì)紅黏土持水性能的作用機(jī)理。韋全宏[5]使用生物炭作用紅黏土，研究認(rèn)為生物炭能明顯改變紅黏土的滲透性與持水能力，在高溫條件下能促進(jìn)水分蒸發(fā)。曹豪榮等[6]使用石灰改良紅黏土，研究認(rèn)為石灰紅黏土的抗剪強(qiáng)度略高于紅黏土，石灰紅黏土的收縮開(kāi)裂程度低，強(qiáng)度和變形參數(shù)均明顯增加。陳永輝等[7]探討了土樣固化劑對(duì)紅黏土性能的影響。

以紅黏土為基礎(chǔ)的路基邊坡因其失水干縮開(kāi)裂的特性，易因雨水滲流造成裂隙發(fā)育，增加路基邊坡失穩(wěn)的可能性，而提高紅黏土的持水能力可有效降低因其自身失水干縮開(kāi)裂造成的路基邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文采用氯化鈣作為紅黏土的外加劑，開(kāi)展紅黏土持水性能方面的研究，探討氯化鈣用于紅黏土改良的效果。氯化鈣作為一種常用干燥劑[8]，吸濕性較強(qiáng)，具有十分優(yōu)秀的持水性能。利用干化試驗(yàn)研究氯化鈣-紅黏土持水能力的變化規(guī)律，分析其作用機(jī)理，為氯化鈣改良紅黏土提供數(shù)據(jù)與理論參考。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)所用紅黏土為廣西地區(qū)典型紅黏土，土樣呈棕紅色，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)所用純氯化鈣基本參數(shù)如表2所示。氯化鈣作為常用的干燥劑[9]，具有吸濕能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、易取得、毒性低、污染小等優(yōu)點(diǎn)。

注：試驗(yàn)用水均為蒸餾水。

表1 紅黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)表

表2 氯化鈣(CaCl2)基本參數(shù)表

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

本次制備含水率為150%的紅黏土素土泥漿樣、添加5%土體質(zhì)量比例氯化鈣的紅黏土泥漿樣以及添加10%土體質(zhì)量比例氯化鈣的紅黏土泥漿樣各3個(gè)(直徑均為85 mm)，將試樣置于30 ℃恒溫箱中，定時(shí)使用高清攝像設(shè)備進(jìn)行拍照并稱量試樣質(zhì)量。干化試驗(yàn)溫度控制設(shè)備為高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，溫度設(shè)定為恒定30 ℃。試樣參數(shù)如下頁(yè)表3所示。

表3 試樣參數(shù)表

1.3 含水率計(jì)算方法

使用高清攝像設(shè)備獲取土體試樣表面圖像，使用質(zhì)量稱量裝置獲取試樣質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)試樣質(zhì)量換算含水率。其計(jì)算方法如式(1)所示：

(1)

式中：W——含水率；

m0——土樣干質(zhì)量；

mi——稱量時(shí)土樣質(zhì)量。

2 氯化鈣-紅黏土的持水性能

2.1 紅黏土的干化試驗(yàn)

為探討氯化鈣對(duì)紅黏土持水能力的影響，對(duì)紅黏土素土以及摻加比例分別為5%、10%的氯化鈣-紅黏土進(jìn)行干化試驗(yàn)。

干化試驗(yàn)使用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，溫度設(shè)定為恒定30 ℃。紅黏土素土試樣與添加5%、10%土體質(zhì)量比例氯化鈣的氯化鈣-紅黏土試樣置于30 ℃恒溫箱中，定時(shí)使用高清攝像設(shè)備進(jìn)行拍照并稱量試樣質(zhì)量。

圖1 干化試驗(yàn)含水率曲線圖

氯化鈣的加入使紅黏土的持水性能提升。試樣在30 ℃環(huán)境中進(jìn)行干化試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到51 h時(shí)，紅黏土素土試樣(1、2、3號(hào)試樣)首次出現(xiàn)裂隙；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到53 h時(shí)，5%氯化鈣-紅黏土試樣(4、5、6號(hào)試樣)首次出現(xiàn)裂隙；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到55 h時(shí)，10%氯化鈣-紅黏土試樣(7、8、9號(hào)試樣)首次出現(xiàn)裂隙。在51 h時(shí)，紅黏土素土試樣表面首次出現(xiàn)裂隙，其含水率較氯化鈣-紅黏土試樣產(chǎn)生大幅度下降；當(dāng)干化試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，紅黏土素土試樣含水率均值為6.06%，5%氯化鈣-紅黏土試樣含水率均值為13.50%，10%氯化鈣-紅黏土試樣含水率均值為20.36%，分別較紅黏土素土試樣含水率提高7.44%、14.30%。由于1、2、3號(hào)試樣、4、5、6號(hào)試樣以及7、8、9號(hào)試樣分別為相同配合比試樣，故相同配合比試樣之間含水率變化差異十分接近，其含水率曲線中大部分重合，為方便比較，取均值。

詳細(xì)數(shù)據(jù)如表4所示，干化試驗(yàn)含水率曲線如圖1所示。

表4 干化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.2 機(jī)理分析

氯化鈣性質(zhì)非常穩(wěn)定，有很好的吸濕性能，能吸收潮濕空氣中的水分，無(wú)水氯化鈣吸濕量能達(dá)到80%[10-11]，要在260 ℃以上溫度才能完全把水脫除[12]。其在水中與潮濕空氣中發(fā)生的反應(yīng)為：

CaCl2+nH2O=CaCl2·nH2O(n=1，2，4，6)

(2)

無(wú)水氯化鈣與水反應(yīng)形成含多結(jié)晶水的水合物(結(jié)晶水個(gè)數(shù)為1、2、4、6個(gè))，其存在的溫度范圍分別為：CaCl2·6H2O，<29 ℃；CaCl2·4H2O，29 ℃～45 ℃；CaCl2·2H2O，45 ℃～175 ℃；CaCl2·H2O，>200 ℃。在30 ℃環(huán)境中，無(wú)水氯化鈣與水反應(yīng)產(chǎn)物主要為CaCl2·6H2O。在此次試驗(yàn)中，當(dāng)紅黏土中加入氯化鈣時(shí)，氯化鈣以結(jié)晶水合物(主要為CaCl2·6H2O)的形式存在于紅黏土試樣中。CaCl2·6H2O是一種無(wú)機(jī)水合鹽類固液相變材料，具有大于水的潛熱與比熱容，當(dāng)相同溫度環(huán)境時(shí)(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸發(fā)速率要小于純水。

紅黏土失水收縮產(chǎn)生的開(kāi)裂破壞比一般黏土明顯，破壞性更大，其土顆粒之間的氣-液界面張力(表面張力)變化導(dǎo)致紅黏土收縮開(kāi)裂。由于水分的蒸發(fā)，土體從飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài)，導(dǎo)致土顆粒之間產(chǎn)生水-氣-粒三界面，出現(xiàn)基質(zhì)吸力。當(dāng)土顆粒之間的張拉應(yīng)力大于土顆粒之間的抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體開(kāi)始出現(xiàn)裂隙。裂隙的發(fā)育為水分的遷移提供了絕佳的路徑，使得水分大量地從裂隙遷移。而當(dāng)紅黏土中添加氯化鈣時(shí)，因氯化鈣溶液大于純水的比熱容及氯化鈣自身的吸水能力作用，使得氯化鈣-紅黏土的水分蒸發(fā)速率低于紅黏土素土。此外，水分蒸發(fā)速率降低提高了相同時(shí)間內(nèi)紅黏土土體的含水率，使得土體裂隙的產(chǎn)生時(shí)間延長(zhǎng)與減慢裂隙產(chǎn)生的速度，進(jìn)而提高了氯化鈣-紅黏土的持水能力。故添加了氯化鈣的紅黏土試樣持水性能要強(qiáng)于紅黏土素土試樣，氯化鈣-紅黏土試樣在相同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的含水率要高于紅黏土素土試樣。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在30 ℃環(huán)境中，5%、10%氯化鈣-紅黏土試樣持水性能要強(qiáng)于紅黏土素土試樣。CaCl2·6H2O溶液具有大于水的潛熱與比熱容，當(dāng)相同溫度環(huán)境時(shí)(30 ℃)，CaCl2·6H2O溶液蒸發(fā)速率要小于純水，使得氯化鈣-紅黏土水分散失慢于紅黏土素土。氯化鈣的添加提高了紅黏土的持水能力。

(2)紅黏土中添加氯化鈣可延長(zhǎng)裂隙出現(xiàn)的時(shí)間以及減慢裂隙產(chǎn)生的速度，并與CaCl2·6H2O溶液相對(duì)紅黏土較高的比熱容特性相互作用，進(jìn)一步提高紅黏土持水能力。

(3)在30 ℃溫度條件下，氯化鈣的加入提高了相同時(shí)間內(nèi)的紅黏土含水率，延長(zhǎng)了土體裂隙出現(xiàn)的時(shí)間。因此氯化鈣作為紅黏土改良劑有提高其持水性能、應(yīng)用于路基邊坡防治的可能，但仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究探討。