水泥外加劑對紅黏土強度的影響

肖桂元, 龍建云, 鐘倩麗, 蔣延建, 陳薪任，李林峰

(桂林理工大學 a.廣西巖土力學與工程重點實驗室;b.土木與建筑工程學院, 廣西 桂林　541004)

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水泥外加劑對紅黏土強度的影響

肖桂元, 龍建云, 鐘倩麗, 蔣延建, 陳薪任，李林峰

(桂林理工大學 a.廣西巖土力學與工程重點實驗室;b.土木與建筑工程學院, 廣西 桂林541004)

摘要：對桂林市雁山區某工地紅黏土進行烘干, 分別在不同水泥摻入比以及不同含水率下進行快剪試驗。為找出水泥改良紅黏土的最佳條件, 研究了相同含水率條件下, 紅黏土的抗剪強度與水泥摻量的關系;相同水泥摻量條件下, 紅黏土抗剪強度與含水率之間的關系。試驗表明, 相同含水率下, 水泥土的抗剪強度隨水泥摻入比的增加而增大;而在相同水泥摻入比情況下, 水泥土的抗剪強度隨含水率的增加而減小。將試驗數據進行直線擬合繪制圖表分析, 以此來找出較為合適的水泥摻量及含水率。結果表明, 水泥摻入比在9%～13%, 含水率為40%時, 土的抗剪強度增加最為明顯。

關鍵詞：紅黏土;快剪試驗;水泥摻入比;含水率;桂林

0引言

紅黏土是由碳酸鹽類巖石在特殊的濕熱氣候條件下經過強烈的物理、化學風化和紅土化作用而構成的一種呈褐紅、棕紅等顏色的高塑性粘土[1]。在我國基本分布于華南及西南地區廣闊土地上[2]。紅黏土的工程性質十分復雜, 國內外都對紅黏土進行了比較深入的研究[3]。

紅黏土的比表面積大、顆粒之間互相咬合能力較強, 而且由于游離氧化鐵和氧化鋁的膠結作用, 在天然狀態下會形成牢固的團粒, 但同時在天然狀態下會經歷無數次干濕循環致使紅黏土極易干縮開裂, 形成較龐大的裂隙網, 降雨時會加速雨水的入滲, 在非飽和紅黏土里含水率和基質吸力是呈反相關的, 會引起紅黏土里的吸力降低, 造成很多工程方面的病害, 如邊坡滑坡以及路基變形等, 因此很多學者針對此問題對紅黏土進行改良。施燦海等[4]研究了纖維、纖維水泥對云南地區紅黏土強度的影響, 結果表明往紅黏土中摻入纖維水泥后,其強度有了顯著的改善；唐朝生等[5]研究了聚

丙烯纖維和水泥對黏性土強度的影響, 發現綜合加固效果遠遠高于物理加固或化學加固；但對于桂林紅黏土的改良, 還做得不夠充分。 本文以桂林地區的紅黏土為對象, 通過控制水泥外加劑的摻入比以及含水量來研究其強度變化情況, 以此來找出較為合適的水泥摻量比以及含水率來解決紅黏土分布范圍內工程項目所遇到的工程病害。

1試樣制備及試驗方案

1.1試驗原材料

紅黏土:試驗所需紅黏土取自桂林市雁山區某工地, 土樣呈棕紅色。其基本物理性質為:液限64, 塑限45, 塑性指數19, 土粒比重2.73[6], 具體物性指標見表1。

表1　桂林地區紅黏土基本物性指標[7]Table 1　Physical indices of Guilin red clay

水泥:試驗所需水泥是采用桂林南方水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥, 水泥標號為P.O. 42.5。試驗用水為蒸餾水。

1.2試驗儀器及方法

本次試驗中所采用的儀器為ZJ 型應變控制式直剪儀。直剪試驗方法為快剪。對紅黏土的處理, 根據土工試驗規程要求將工地取回來的土樣置于105 ℃恒溫的烘箱中, 烘干時間由土的類別決定, 黏性土需烘干12 h, 隨后取出土樣進行碾碎并過2 mm篩, 將過篩的土樣放入保鮮袋內密封備用，制備成快剪試驗土樣。將準備好的水泥按照不同的摻入比與備用的紅黏土混合至均勻, 然后往混合均勻的水泥土樣中分別按不同的含水率加入蒸餾水再次拌合至均勻(此次拌合時間控制在5～10 min, 以防水泥硬化不利于后續試驗的進行), 隨后將拌好的水泥土用擊實儀擊打成圓柱體, 用環刀快速切取試樣, 切好后兩面均蓋上玻璃片置于塑料薄膜中密封, 防止水分蒸發, 放入室內陰暗不通風處靜置養護, 溫度一般為(25±1)℃。水泥土經過28 d養護期強度可到達標準值的65%[9], 在28 d齡期后取出進行快剪試驗。分別施加100、200、300、400 kPa的垂直壓力, 固結時間為24 h，并保持0.8 mm/min 的勻速剪切速率直至剪壞。

1.3試驗方案

本試驗主要考慮影響因素為:水泥摻入比(水泥與紅黏土質量之比)、含水率(水與紅黏土質量之比)。由于水泥摻入比在小于20%時, 水泥紅黏土的無側限抗壓強度會隨著水泥摻入量增大而增大[8], 因此設定水泥摻入比為0、5%、9%、13%, 含水率為30%、35%、40%、45%、50%。按含水率的不同將試驗分為5個大組, 其中每組再按水泥摻入比的不同分為4個小組, 每個小組中有4個試件, 共80個試件。每個小組的4個試件分別在100、200、300、400 kPa的法向壓力下進行快剪并記錄數據。

2試驗結果及分析

按照土工試驗規程進行直接剪切試驗, 儀器為應變控制式直剪儀, 不同含水率和不同水泥摻入比共20小組試驗, 以大致確定最佳摻入比以及最佳含水率。紅黏土內摩擦角、水泥摻入比、含水率和黏聚力關系的試驗結果如圖1～圖4所示。

2.1水泥土抗剪強度影響因素分析

通過試驗結果分析可以得出以下結論:水泥土的抗剪強度確實受到水泥摻入比、含水率的影響, 在相同含水率條件下, 水泥土的黏聚力、內摩擦角隨水泥摻入比的增加而增大;在相同水泥摻入比(一定范圍內)條件下, 水泥土的抗剪強度隨含水率的增加而減小。

圖1　不同含水率下紅黏土內摩擦角與水泥滲入比的關系Fig.1　Relationship between the internal friction angle and cement ratio of red clay with different water content

圖2　不同水泥滲入比下紅黏土內摩擦角與含水率的關系Fig.2　Relationship between the internal friction angle and water content of red clay with different cement ratio

圖3　不同含水率下紅黏土黏聚力與水泥摻入比的關系Fig.3　Relationship between the cohesion and cement ratio of red clay with different water content

圖4　不同水泥摻入比下紅黏土黏聚力與含水率的關系Fig.4　Relationship between the cohesion and water content of red clay with different cement ratio

2.2水泥摻入比對強度的影響

在相同含水率條件下, 水泥土的抗剪強度隨水泥摻入比的增加而增大(圖1、圖3)。由圖1分析可知, 同在含水率為45%的條件下, 在紅黏土中摻入不同量的水泥(0%、5%、9%、13%), 隨著水泥含量的提高其內摩擦角也隨之增大。同理, 含水率為30%、35%、40%和50%時強度也是呈增加的趨勢, 但總體強度都低于含水率為45%時強度值。在實際工程應用中, 提高水泥摻量是獲得較大強度措施之一[10]。根據工程經驗, 當水泥摻量小于5%時, 由于水泥與土的拌合難以均勻, 同時反應過弱, 水泥土強度偏低, 難以達到有效的地基處理效果。故水泥摻量一般都宜大于5%, 并根據地基處理設計要求, 對水泥摻量加以調整。由試驗數據分析發現,9%～13%的水泥摻入量在接近40%～45%含水率的情況下紅黏土的抗剪強度最佳, 因此本文認為水泥摻量應在9%～13%最為合理。

2.3含水率對水泥土強度的影響

針對不同含水率對水泥土強度的影響進行了分析。由圖1和圖3不難發現，在相同含水率的條件下, 水泥土的黏聚力、內摩擦角隨水泥摻入比的增加而增加。由圖4可知, 在水泥摻入比為5%時, 紅黏土的黏聚力相對于未摻加水泥的紅黏土增加并不明顯，其原因是工程中水泥摻量太少, 實際上很難與紅黏土拌合至均勻, 導致黏聚力的增加并不明顯。再由圖2和圖4分析可知, 在相同水泥摻入比為5%、9%、13%時, 紅黏土的內摩擦角隨著含水率的增加先增大后減小，且在含水率為45%時達到峰值, 紅黏土的黏聚力隨著含水率的增加而先增大后減小，且在含水率為40%時達到峰值。因此, 當水泥摻入比為9%～13%, 含水率為40%～45%時水泥改良紅黏土的強度最高。

2.4含水率對紅黏土黏聚力和內摩擦角的影響

在相同水泥摻入比條件下, 紅黏土的黏聚力、內摩擦角隨水泥摻入比增加先增大后減小。以下對此問題進行探討。

2.4.1含水率對紅黏土黏聚力的影響由圖4可知, 黏聚力隨著含水率的增大先增大后減小, 水對紅黏土黏聚力的影響很大。原因分析如下:

(1)因為土體的吸力表現為基質吸力和滲透吸力, 而基質吸力與含水量有著密切的關系, 當含水率(在一定范圍內)增大時, 基質吸力就會下降, 即基質吸力與含水率呈反比的關系。由于基質吸力是衡量土體力學性質的重要指標, 其下降必然會導致紅黏土黏聚力的下降。因此從單一因素來看并不是過高或過低的含水率就能達到紅黏土的最優力學性質, 還需找出不同含水率的土體與水泥混合后的最佳比例。

(2)在氧化鋁、二氧化硅等紅黏土主要膠結物質中游離的氧化鐵是最為重要的膠結物[11], 經過風干后, 紅黏土中的游離氧化鐵的存在狀態是以結晶態和膠結態共存的, 由于游離氧化鐵在紅黏土中具有不可逆的干燥性, 風干后具有結晶態水穩性的游離氧化鐵，不能轉化為膠結鐵, 因此在土顆粒有限空間內由膠結作用形成的黏聚力就不是很大了[12], 所以在低含水率范圍內, 紅黏土的黏聚力變化很快。試驗中表現為35%～45%含水率下, 土體的強度變化很迅速。

2.4.2含水率對紅黏土內摩擦角的影響根據圖2試驗結果可以得出, 隨著含水率的增大, 紅黏土的內摩擦角先增大后減小。分析其原因:土的內摩擦角與其本身的顆粒大小、密實度關系密切；紅黏土由于游離氧化鐵的膠結, 其顆粒間以一種咬合的狀態存在, 這也與內摩擦角有一定的關系[12]。

由于土中存在游離氧化鐵, 在干燥環境下以結晶和膠結兩種狀態共同存在, 膠結的那部分游離氧化鐵再通過相互咬合而形成的土體顆粒已經與單一的土體顆粒有著很大的不同, 又由于晶態的那部分游離氧化鐵在團粒的表面形成“包膜”[13]而增加了紅黏土團粒表面的粗糙度, 從而提高了其內摩擦角。但同時由于摻入了一定比例的水泥, 其中的氫氧化鈣能夠通過土體的團粒化作用、化合作用使得土體強度迅速提高, 內摩擦角的變化就沒有未摻和水泥的變化規律那么明顯，其總體強度卻得到了很大的提高。

3結論

根據上述分析, 可得到以下幾點結論:

(1)在含水率相同條件下, 水泥紅黏土的抗剪強度隨水泥摻入比的增加而增大;在紅黏土中加入水泥, 摻入量為9%～13%時抗剪強度有明顯改善;從黏聚力、內摩擦角角度看, 水泥紅黏土存在最優水泥摻入比, 為9%～13%。

(2)在相同水泥摻入比的條件下, 水泥紅黏土的抗剪強度隨含水率的增大先增大后減小。因此, 在確定一定水泥摻量的時候, 需要控制好紅黏土的含水率, 使其達到該摻入比的最佳含水率, 從而使抗剪強度達到最大。本試驗研究表明：當水泥摻入比為9%～13%, 同時含水率達到40%～45%時, 紅黏土的強度最佳。

(3)紅黏土富含氧化物, 通過含水率對黏聚力和內摩擦角的分析可知，控制好水泥的摻入比和含水率對該土所產生的化學作用，會對紅黏土強度的增長有促進作用, 紅黏土的這一性質以及水泥對紅黏土改良后的強度特性可以應用在實際工程中。

參考文獻:

[1]Qiang X K,An Z S, Song Y G,et al.New eolian red clay sequence on the western Chinese Loess Plateau linked to onset of Asian desertification about 25 Ma ago[J]Science China:Earth Sciences, 2011, 54(1):136-144.

[2]姜洪濤.紅粘土的成因及其對工程性質的影響[J]. 水文地質工程地質, 2000(3): 33-37.

[3]陳愛軍, 張家生.基于線彈性力學的非飽和紅粘土裂縫開展分析[J].自然災害學報, 2013, 22(3):198-204.

[4]施燦海，李猛，王紹強，等.改良云南紅粘土強度特性研究[J]. 科學技術與工程, 2011, 11(9):2137-2140.

[5]唐朝生, 施斌, 高瑋.聚丙烯纖維和水泥對粘性土強度的影響及機理研究[J].工程地質學報, 2007, 15(1):108-113.

[6]楊健.桂林紅黏土工程地質特征[J].礦產與地質, 1994,8(4):292-296.

[7]王經, 陳秋光, 孫曉俐.桂林紅粘土不同應力狀態下的強度特性分析[J].土工基礎, 2012, 26(3): 79-80.

[8]郭培璽, 阮懷寧.紅粘土地區水泥土強度的試驗研究[J].巖土工程技術, 2006, 20(3):132-135.

[9]陳達, 莊寧, 廖迎娣, 等.水泥土力學特征隨齡期發展規律試驗研究[J].水利水運工程學報, 2012(1):26-29.

[10]邱則有, 蔣暾.粘土固化劑綜述與探討[J]. 硅酸鹽建筑制品, 1990(3):25-30.

[11]孔令偉, 羅鴻禧.游離氧化鐵形態轉化對紅粘土工程性質的影響[J].巖土力學, 1993, 14(4):25-39.

[12]王中文, 洪寶寧, 劉鑫, 等.紅粘土抗剪強度的水敏性研究[J]. 四川大學學報:工程科學版, 2011, 43(1):17-22.

[13] 李曉全, 馬石城, 屈暢姿, 等. 水泥紅粘土的強度試驗研究[J]. 公路工程, 2007,32(6):49-52.

文章編號:1674-9057(2016)02-0260-04

doi:10.3969/j.issn.1674-9057.2016.02.010

收稿日期：2016-03-10

基金項目：國家自然科學基金項目(51369010； 41262011);廣西科技攻關項目(桂科攻1598009-7);廣西自然科學基金創新團隊項目(2012GXNSFGA060001);廣西高等學校優秀中青年骨干教師培養工程項目；桂林理工大學大學生創新創業計劃訓練項目(201510596019)

作者簡介：肖桂元(1976—), 男, 碩士, 高級實驗師, 研究方向:特殊土成災機理及防治, xiaoguiyuangit@163.com。

中圖分類號：TU432；TU446

文獻標志碼：A

Effects of cement additive on the strength of red clay

XIAO Gui-yuan, LONG Jian-yun, ZHONG Qian-li, JIANG Yan-jian, CHEN Xin-ren,LI Lin-feng

(a.Key Laboratory of Guangxi Geotechnical Mechanics and Engineering;b.College of Civil and Architecture, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China)

Abstract:The quick shear experiments were carried out by drying red clay in some sites of Yanshan in Guilin respectively in different cement mixing ratio and under different moisture contents. In order to find out the optimal cement-mixing ratio of red clay,the relationships of the shear strength of red clay and cement dosage under the same moisture condition are researched.Under the condition of the same cement content, the relationship between the shear strength of red clay and the moisture content,test indicates that the shear strength of cement-treated soil increases with the increase of the ratio of cement mixing under the same moisture content.However, under the condition of the same ratio of cement mixing, the shear strength of cement-treated soil decreases with the increase of moisture content. In order to find out the suitable dosage of cement content and moisture content, the linear fitting chart and test data with origin software are analyzed. The results show that the shear strength of soil increases most obviously under the condition of the cement mixing ratio within 9%-13% and the moisture content 40%.

Key words:red clay; quick shear test; cement mixing content; moisture content;Guilin

引文格式：肖桂元, 龍建云, 鐘倩麗, 等.水泥外加劑對紅黏土強度的影響[J].桂林理工大學學報，2016, 36(2):260-263.