稻殼灰固化紅黏土的路用性能及微觀機理

劉芠君，肖桂元,2*，張祥宇，劉曉楠

(1.桂林理工大學 廣西巖土力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 201804)

紅黏土是一種典型的水敏性土，失水后強度衰減顯著[1]，因此紅黏土常需要改良或是置換后才能進行路基填筑，常用的改良劑有水泥、石灰、粉煤灰等[2-5]，這些常用改良劑均會對環境造成一定污染，價格也與日俱增，也有研究表明，由于紅黏土具有弱酸性，石灰改良后紅黏土的強度會隨時間而衰減[6-7]。為此，尋找一種價格低廉，環保高效的改良劑尤為重要。水稻是世界上重要的糧食作物，2017年我國稻谷產量為1.69×108t，稻殼經電廠發電后獲得稻殼灰。相關研究表明，稻殼灰內含有大量無定型二氧化硅，具有較強的火山灰性能，與電石渣、水泥等二次膠結材料復合后形成一種類似傳統水泥的膠凝材料，能固化土壤，理論上講稻殼灰是良好的摻合料[8]。

近年來，國內外對此積累了大量的研究成果和經驗[9-11]。Chindaprasirt等[12]發現以普通硅酸鹽水泥為原料，摻加稻殼灰和粉煤灰可以顯著提高水泥砂漿的抗硫酸鹽性能，同時由于稻殼灰的高比表面積，水泥的需水量增多。基于稻殼灰在水泥改良中的研究，部分學者認為稻殼灰是一種良性的火山灰材料，可與電石渣、水泥等混合后用于土壤的改良。Alhassan 等[13]向土中摻入梯度為2%、4%、6%、8%的稻殼灰水泥混合物，并測定改良土的CBR值，研究表明，當混合物摻量為4%～6%時達到峰值。劉宇翼[14-15]基于掃描電鏡和X射線衍射試驗分析了電石渣-稻殼灰改良土的硬化機制，稻殼灰被電石渣溶液溶解后生成C-S-H凝膠，C-S-H凝膠的形態分別有薄片狀、網絡狀和米粒狀，C-S-H凝膠和晶體狀的水化產物共同構成牢固結合的整體，為固化土提供了很好的粘結強度。郭鑠等[16]認為電石渣-稻殼灰混合物能抑制膨脹土膨脹，提高膨脹土的強度，且當稻殼灰和電石渣摻比為65∶35，混合物摻量為15%時，能顯著提高膨脹土的強度，其改良機理為火山灰效應、置換和離子交換。也有部分學者認為，稻殼灰可以單獨作為改良劑。Jain等[17]的研究結果表示，豎向固結系數與稻殼灰含量呈反比。余肖婷等[18-19]的試驗結果顯示，稻殼灰含量較低時，最優含水量與最大干密度變化不明顯，在稻殼灰摻量為10%～15%比例下，抗剪強度達到峰值。

上述研究表明，稻殼灰能用于膨脹土的改良，但利用稻殼灰對紅黏土改良的研究較少，也鮮有人對稻殼灰固化紅黏土的微觀機理作出分析，本文對此展開研究，意對綠色高速公路的設計和可持續建設提供理論指導。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 紅黏土

試驗用的土樣為廣西桂林市臨桂某工地上的紅黏土，取土深度約5～7 m，土經過風干后過2 mm篩，根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[20]測得紅黏土的物理性質指標如表1所示；測得其顆粒級配曲線如表2所示，屬于高液限紅黏土。

表1 紅黏土的物理性質指標

表2 桂林紅黏土粒組含量占比

1.1.2 稻殼灰

稻殼灰采用本地稻殼經馬弗爐600 ℃高溫下煅燒研磨過篩制得，干密度387 kg/m3，比表面積15 000/kg，稻殼灰主要成分見表3。

表3 稻殼灰化學成分

1.2 試驗方案

試驗以探尋稻殼灰對紅黏土液塑限、最優含水率、最大干密度、滲透系數、微觀機理的影響為研究目的，向紅黏土中摻入不同摻量(摻量按質量百分數分別為0%、5%、10%、15%、20%)的研磨稻殼灰，為了使稻殼灰與紅黏土充分反應，將土樣養護28 d后，再根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)對土樣進行液塑限測定試驗、擊實試驗、常水頭滲透試驗、SEM電鏡掃描試驗。

由于養護齡期、稻殼灰摻量和稻殼灰的表面粗糙度都是影響紅黏土的無側限抗壓強度的因素，因此為探尋養護齡期、稻殼灰摻量、稻殼灰研磨程度對紅黏土無側限抗壓強度的影響規律，向紅黏土中摻入不同摻量(摻量按質量百分數分別為0%、5%、10%、15%、20%)的兩種稻殼灰(研磨過0.5 mm篩和未研磨過篩的兩種稻殼灰)后，養護相應天數(7、14、28 d)，再進行無側限抗壓強度試驗。試驗整體方案如表4。

表4 試驗方案設計

2 試驗結果與分析

2.1 稻殼灰摻量對紅黏土界限含水率的影響

將風干后紅黏土以及稻殼灰分別碾碎過0.5 mm篩，按稻殼灰占紅黏土重量百分比0%、5%、10%、15%、20%摻入紅黏土中制成五種土樣，每種土樣按四分法取代表性土樣200 g，噴灑蒸餾水使土樣吸濕，調制均勻，放入塑料袋悶料28 d。將每種土樣分成三份，依次放入乘土皿中，加入純水，調整土樣含水量，使土樣依次達到接近液限、中間狀態和塑限的含水率，放入塑料袋悶料1 d后采用液、塑限聯合測定儀對土樣依次進行液塑限測定，試驗結果如圖1所示。

圖1 不同摻量稻殼灰對紅黏土液塑限的影響Fig.1 Effect of content of rice husk ash on liquid plastic limit of red clay

由圖1可以看出：(1)由液限試驗數據可得，改良紅黏土土樣的液限在70%～80%之間，為高液限紅黏土。不同摻量的稻殼灰均使紅黏土液限降低；紅黏土液限受稻殼灰摻量的變化影響較小，當摻入量為10%時，液限最低為71.7%。(2)由塑限試驗數據可得，改良紅黏土的塑限處于33%～39%之間，屬于高塑限黏土。隨著稻殼灰摻量逐漸增大，改良紅黏土的塑限增大，從33.9%提高至37.9%。當稻殼灰摻入量為15%～20%時，塑限增高最多，從36.1%上升到37.9%，占總增量的45%。(3)不同摻量的稻殼灰均使紅黏土的塑限指數降低，隨著稻殼灰摻入量的增加，紅黏土塑性指數先降低后有增大的趨勢再降低。當土樣達到液限時，其含水率約為土樣中弱結合水與少量自由水之和，液限的降低說明隨著稻殼灰摻量的增加，改良紅黏土中達到液限所需要的一部分自由水以及弱結合水被消耗，筆者認為由于稻殼灰的主要成分是活性SiO2，以及少量活性CaO、MgO，當加入稻殼灰后部分活性CaO、MgO與土中自由水發生水化反應，并發生陽離子交換，原本吸附在黏土粒表面的低價陽離子被置換出，擴散層變薄。但由于稻殼灰中CaO、MgO含量太低，即使稻殼灰摻量不斷提高,仍無法顯著改變紅黏土的液塑限。

2.2 稻殼灰對紅黏土最優含水率和最大干密度的影響

擊實試驗采用輕型標準擊實儀進行，將風干紅黏土碾碎過5 mm篩，稻殼灰碾碎過0.5 mm篩，按稻殼灰占紅黏土重量百分比0%、5%、10%、15%、20%摻入至紅黏土中制作五種土樣各5 kg，將每種土樣準備5組1 000 g的土樣，分別調成不同含水率(20%、22%、24%、26%、28%)，混合均勻放入塑料袋中悶料28 d后進行擊實試驗，測得試驗結果如圖2、圖3。

圖2 不同含水率下稻殼灰改良紅黏土的干密度Fig.2 Dry density of red clay modified by rice husk ash under different moisture contents

圖3 不同摻量稻殼灰下紅黏土最大干密度和最優含水率Fig.3 Maximum dry density and optimum moisture content of red clay under different contents of rice husk ash

從圖3中可以看出：隨著稻殼灰摻量的提高，稻殼灰改良紅黏土的最大干密度逐漸降低，最優含水率逐漸增大。當稻殼灰摻量為5%時，最大干密度變化不大，但隨著稻殼灰摻量的逐漸增加，最大干密度降低速率加快。這是因為:(1)稻殼灰的相對體積質量遠小于紅黏土，且稻殼灰具有多孔的特性，部分紅黏土被相對體積質量較小的稻殼灰代替；(2)在經過養護28 d后存在一定的火山灰作用，形成水化物改變了改良土的壓實性能，在低摻入量下，這種改變不太明顯，但在高摻入量條件下，最大干密度降低速率加快；(3)隨著稻殼灰摻量的不斷增加，水化反應需要的水也越來越多，所以最優含水率也隨之增大。

2.3 稻殼灰摻量對改良土滲透系數的影響

滲透系數測試所用儀器為變水頭滲透儀。將紅黏土風干碾碎過5 mm篩，稻殼灰碾碎過0.5 mm篩，將不同比例(0%、5%、10%、15%、20%)的稻殼灰與紅黏土混合。利用壓樣器制備壓實度為0.92、直徑為61.8 mm、高度為40 mm的滲透樣。每組準備三個平行樣，貼好標簽后放入保鮮膜中，28 ℃室溫下固化28 d。

圖4顯示了固化28 d后不同稻殼灰摻量下改良紅黏土滲透系數的變化曲線?？梢钥闯龈牧纪恋臐B透系數隨著稻殼灰含量的增加而增大。5種不同摻量改良土的滲透系數分別為3.05×10-9、9.17×10-9、4.92×10-8、7.06×10-8、1.22×10-7cm/s，與素土的滲透系數相比，摻入20%稻殼灰的改良土的滲透系數降低了2個數量級，使用allomtricl函數對曲線進行擬合，得到以下結果：

k=a×Cb

(1)

式中：a，b是擬合常數；a=1.15×10-9，b=1.55；k為滲透系數；C為稻殼灰摻量。

圖4 不同摻量稻殼灰對紅黏土滲透系數的影響Fig.4 Permeability coefficient of red clay under different contents of rice husk ash

稻殼灰摻入紅黏土后，改良土的內部存在三種孔隙：紅黏土“集?！眱炔康目紫禰21]，孔徑較小為1～10 μm；紅黏土集粒之間的孔隙，孔徑較大；稻殼灰內部的孔隙。稻殼灰固化紅黏土后，紅黏土中的“集粒”被稻殼灰包裹，生成C-H-S凝膠，像“硬殼”一樣覆蓋在集粒上，“集?！钡某叽缱兇螅谕令w粒之間形成較大孔隙，加快了水的運移速度，此外，稻殼灰是一種疏水的高滲透性多孔材料，隨著稻殼灰摻量的提高，土中黏粒被多孔的稻殼灰置換，土體中孔隙量增多，進而提高了改良土的滲透系數。

2.4 稻殼灰摻量、養護齡期及研磨度對紅黏土無側限抗壓強度的影響

取代表性的風干紅黏土用木槌碾碎，用2 mm篩子進行篩分，將研磨過0.5 mm篩以及未研磨過的兩種稻殼灰分按質量百分數為0%、5%、10%、15%、20%摻入至紅黏土中，制成含水率為27.0%的9種土樣，放入塑料袋中悶料1 d。利用制樣器制作壓實度為0.92、直徑39.1 mm和高80 mm的圓柱形標準試樣。將土樣分4層放入制樣器中壓實，層與層之間刮毛，每個平行試驗組準備三個樣。 將制好的樣標號后套上保鮮膜放入自制的套筒中，分別養護7、14、28 d，如圖5。

圖5 試樣養護方法和試樣保護裝置Fig.5 Sample curing method and sample preparation device

圖6為不同稻殼灰(研磨)摻量、不同養護齡期(7、14、28 d)下改良土無側限抗壓強度關系圖。整個養護齡期內最大無側限抗壓強度出現在15%稻殼灰摻量養護至28 d時，為0.931 MPa，是素土的2.69倍。最小值為5%稻殼灰摻量養護7 d時，最小無側限抗壓強度為0.307 MPa，是素土的1.29倍。圖7為不同稻殼灰(未研磨)摻量、不同養護齡期(7、14、28 d)下改良土無側限抗壓強度關系圖。整個養護齡期內最大無側限抗壓強度出現在15%稻殼灰摻量養護至28 d時，為0.817 MPa，是素土的2.36倍。最小值為5%稻殼灰摻量養護7 d時，最小無側限抗壓強度為0.317 MPa，是素土的1.33倍。

從圖6和圖7中可以看出，無論是研磨過的還是未研磨的稻殼灰，改良紅黏土試驗養護后期的無側限抗壓強度均大于養護初期的無側限抗壓強度，當稻殼灰摻量為0～15%時，強度不斷提高，當摻量為15%時達到峰值，當摻量為20%時強度降低。這是因為：(1)大量活性SiO2、Al2O3產生火山灰反應，生成不定型的水化膠凝物質C-S-H。稻殼灰產生的火山灰反應與水化反應周期很長，因此在養護初期，所形成的膠凝物質數量不足以將紅黏土“集?！备采w，粘結成整體，強度較低，而在養護后期，形成大量膠凝物質，能夠將紅黏土“集?！卑饋?，“集粒”之間的聯結增強，強度提高。(2)稻殼灰的主成分為活性SiO2，以及少量活性CaO、MgO，當摻入稻殼灰后，其中的Ca離子、Mg離子與土中自由水產生水化反應，通過離子交換過程，置換出吸附在黏粒表面的低價陽離子，顆粒間擴散層厚度降低，土顆粒的間距被縮小，導致土顆粒相互之間吸引力增大，改良土中稻殼灰含量越高，參與水化反應的Ca離子、Mg離子越多，改良土的強度就越高。(3)稻殼灰為粉粒，當摻入太多，置換大量的紅黏土后，反而降低紅黏土的粘結能力，因此當摻量為20%時，改良土的強度降低。

圖6 無側限抗壓強度(研磨)Fig.6 Unconfined compressive strength (grounded)

圖7 無側限抗壓強度(未研磨)Fig.7 Unconfined compressive strength (ungrounded)

圖8—圖10為不同研磨度稻殼灰固化土的無側限抗壓強度對比圖(養護7、14、28 d)?？梢钥闯?，原狀稻殼灰的改良效果明顯低于研磨稻殼灰。在養護后期，摻入研磨稻殼灰試樣的無側限抗壓強度增長率高于未研磨稻殼灰試樣。這是因為：(1)稻殼灰經研磨后，其比表面積增大，活性增強，能更充分的參與反應，從而提高了試樣的無側限抗壓強度；(2)粉末狀的稻殼灰能充填入土壤的孔隙和裂縫中，使試樣內部結構更緊密，其不規則的形狀能提高土顆粒間的摩擦咬合；(3)原狀稻殼灰為酥松多孔結構，表明光滑，摻入后劣化了試樣內部的結構，形成孔隙，因此原狀稻殼灰的改良效果明顯低于研磨稻殼灰。無側限抗壓強度試驗結果表明，稻殼灰能有效提升紅黏土強度，同摻量、同養護齡期條件下，研磨稻殼灰無側限抗壓強度均大于未研磨稻殼灰的無側限抗壓強度。養護齡期越長，無側限抗壓強度越大，當研磨稻殼灰摻入量為15%，養護齡期為28 d時，無側限抗壓強度最高。

圖8 無側限抗壓強度(養護7 d)Fig.8 Unconfined compressive strength (7 d)

圖9 無側限抗壓強度(14 d)Fig.9 Unconfined compressive strength (14 d)

圖10 無側限抗壓強度(28 d)Fig.10 Unconfined compressive strength (28 d)

圖11 稻殼灰微觀結構圖(500倍)Fig.11 Microstructure of rice husk ash (500 times)

圖12 紅黏土微觀結構圖(2 000倍)Fig.12 Microstructure of red clay (2 000 times)

圖13 固化土微觀結構圖(2 000倍)Fig.13 Microstructure of modified clay (2 000 times)

圖14 固化土微觀結構圖(5 000倍)Fig.14 Microstructure of modified clay (5 000 times)

圖15 固化土微觀結構圖(10 000倍)Fig.15 Microstructure of modified clay (10 000 times)

2.5 電鏡掃描試驗

圖11是稻殼灰的SEM圖像，可以看出稻殼灰是雙層管狀結構，內外表面光滑，高溫煅燒后，有機物被分解，殘留下蜂窩狀的硅骨架，結構間存在很多氣孔，可見稻殼灰是典型的多孔結構，具有較高的表面積和活性。圖12是紅黏土的SEM圖像，圖13—圖15為改良土(稻殼灰摻量為15%)養護28 d后的SEM圖，通過對比，可以發現稻殼灰和土顆粒膠結在一起，改良土與普通紅黏土相比，結構穩定性更強，表面覆蓋有片狀物，粒團連結性強。從圖13可以看到原本光滑的稻殼灰的表面變得粗糙，表面覆蓋一層水化形成的膠結物質——C-S-H凝膠。從圖14、圖15可以看出改良土表面有片狀的C-H-S凝膠，該膠結物質覆蓋在土顆粒表面，將土體骨架粒團之間孔隙填充，形成更為密實的內部結構，同時將稻殼灰與粒團連結在一起，構成粒團間的穩固連結。通過微觀結構分析可得，稻殼灰對紅黏土的改良主要表現為與土顆粒的膠結。結合宏觀試驗結果可以得出稻殼灰改良紅黏土的機理有：(1)稻殼灰內活性SiO2與紅黏土發生反應，生成大量C-S-H凝膠附著在紅黏土顆粒上，強化了顆粒間的膠結；(2)研磨后的稻殼灰填充了土體內部骨架間的孔隙，優化試樣的結構；(3)稻殼灰為粉粒，摻量較低時，不規則的稻殼灰能與土顆粒相互摩擦，提高土體的強度。

3 結論

1)隨著稻殼灰摻量的增加，紅黏土的液限降低，塑限逐漸增加，塑限增加的幅度小于液限降低的幅度。

2)改良紅黏土的最優含水率與滲透系數隨稻殼灰摻量的增加而增加，最大干密度與稻殼灰摻量呈負相關，且隨著稻殼灰摻量的增加，最大干密度的降低幅度提高。

3)稻殼灰能夠單獨提高紅黏土的路用性能，根據無側限抗壓試驗結果分析，當稻殼灰摻量為15%，養護時間為30 d時強度最高。研磨稻殼灰改良紅黏土效果強于未研磨稻殼灰。

4)電鏡掃描表明，隨著稻殼灰的摻入，膠結物質可以填充土體骨架粒團內部的孔隙，加強土顆粒之間的聯結，使結構更加穩固。