紅黏土、石灰復合改良千枚巖土脹縮特性研究

趙秀紹,陳子溪,饒江龍,程 安,趙林浩

(1. 華東交通大學 江西省地下空間技術開發工程研究中心,江西 南昌 330013; 2. 華東交通大學 軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室,江西 南昌 330013)

0 引 言

江西北部地區分布的千枚巖屬于全風化極軟巖,具有吸水后膨脹、遇水易崩解軟化等不良工程特性[1],由于其碾壓后易粉化,可以用土的性質來研究。測得千枚巖土無荷膨脹率為19.10%～22.13%[2-3],超過了部分中膨脹土的膨脹率[4]。 紅黏土雖具有較高的承載能力,但其失水后收縮開裂現象顯著,壓實紅黏土路基經陽光暴曬后其裂縫寬度可達2～3 cm。兩種土若壓實后作為路基使用,在交通荷載作用下,極易產生路面開裂、邊坡滑移或基床外鼓等路基病害[5],這與其含水率及礦物組成密切相關[6-7]。因此江西地區的全風化千枚巖土及紅黏土不可直接作為路基填料使用。

土體的脹縮變形對路基影響巨大,學者們對特殊土的脹縮特性開展了研究。學者們研究了不同初始狀態下[8-10]的膨脹及收縮特性,并通過曲線擬合得到不同干密度與收縮性質的關系。在工程實踐中,常采用物理或化學改良劑的方法來改善特殊土的脹縮特性。物理方法主要有摻入砂或纖維等;化學改良方法常用水泥、石灰及粉煤灰[11-13]等無機膠結材料,試驗研究證明,摻入改良劑后能夠顯著降低脹縮變形,減少由于路基填料體積變化帶來的路基病害。

為充分利用兩種特殊土,筆者提出了一種紅黏土和石灰聯合改良千枚巖土的新方法,通過試驗深入研究石灰摻量及紅黏土摻和比對膨脹收縮特性的影響規律。改良過程可減少石灰用量,降低石灰生產中的碳排放。

1 試驗材料與方案

1.1 材料性質

試驗所用紅黏土及千枚巖土均取自江西南昌贛江新區某公路施工路段。

紅黏土呈褐紅色,土質均勻,黏粒含量高,可塑性良好。千枚巖土土樣呈淡黃色,風化程度高,成土后土質松軟,全風化千枚巖土中含有較多的蒙脫石,有較大膨脹性。

依照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》的相關試驗方法,通過室內土工試驗,測得紅黏土及千枚巖土基本物理性質指標如表1。

試驗用生石灰采用袋裝一級氧化鈣,(CaO+MgO)≥85%,MgO≤5%,其生產符合JC/T 479—2013《建筑生石灰》標準要求。

表1 試驗材料基本物理指標Table 1 Basic physical index of test material

1.2 試驗組合方案設計

試驗以千枚巖土為基土,再摻入不同比例的紅黏土,紅黏土干質量為m1、全風化千枚巖土干質量為m2,按照混合土中紅黏土與千枚巖土的干質量比m1/(m1+m2)作為紅黏土摻和比λ;石灰干質量為m0,則定義石灰摻量η為m0/(m1+m2)。

為了得出最優摻和方案,共設置6種紅黏土摻和比λ(0、20%、40%、60%、80%、100%),λ為0時為純全風化千枚巖土,100%為純紅黏土。4種石灰摻量η(0、3%、5%、8%),η=0表示未摻入石灰。定義紅黏土摻入全風化千枚巖土中為“無石灰混合改良土”,石灰和紅黏土摻入全風化千枚巖土中為“石灰復合改良土”。

1.3 試驗方案

試驗材料皆按以上組合方案進行配制,共進行了24種組合。石灰復合改良土組合皆進行28 d養護。自由膨脹率試驗、無荷膨脹率試驗、收縮試驗步驟皆依照TB 10102—2010《鐵路工程土工試驗規程》進行。

1.3.1 pH測定試驗

采用梅特勒-托利多公司生產的S210 Seven CompactTM臺式pH計,根據烘干法制備土壤樣品測定改良土pH值[14]。

1.3.2 自由膨脹率試驗

取適量烘干的紅黏土、千枚巖土、石灰,配制最優含水率為18%的24種不同變量的改良土,養護28 d后取出置于烘箱內105 ℃烘干24 h,冷卻后碾碎過0.5 mm土工篩,量取定量烘干土樣,測定其自由膨脹率。

1.3.3 無荷膨脹率試驗

紅黏土與千枚巖土過2 mm土工篩,制備初始含水率18%(最優含水率),干密度1.58 g/cm3(最大干密度取1.66 g/cm3,壓實系數95%),共24組不同變量的環刀試樣,環刀高20.0 mm,直徑61.8 mm,體積為60.0 cm3。環刀試樣養護28 d后采用WZ-2型土壤膨脹儀進行無荷膨脹率試驗。

1.3.4 膨脹力試驗

環刀試樣制備與無荷膨脹率試驗相同,通過單杠桿固結儀,測定試樣荷載穩定后的膨脹力。

1.3.5 收縮試驗

環刀試樣制備與無荷膨脹率試驗相同,試驗控制室溫在(22±2) ℃下進行,測量其各時間的含水率、線縮率及體縮率。

2 結果分析

2.1 pH測定試驗結果分析

繪制的pH值隨石灰摻量的變化規律如圖1。

圖1 pH與η關系曲線Fig. 1 The relation curve of pH with η

由圖1可知:未摻入石灰時,土體pH值在4.72～5.19,屬于弱酸性土壤,且紅黏土pH值稍低于千枚巖土;摻入石灰改良后,pH值驟然上升,均高于10,屬于強堿性土;石灰摻量對改良土pH值影響較小,僅在小范圍內波動,因此短期可能會對路基邊坡植被造成影響,但隨著時間推移,在降雨蒸發中,pH值會隨著碳酸化作用逐漸降低。

2.2 自由膨脹率試驗結果分析

自由膨脹率δef反映黏粒吸附水的能力,膨脹穩定后自由膨脹率與不同配比組合改良土間的變化規律如圖2。

圖2 δef與λ、η關系曲線Fig. 2 The relation curve of δef with λ and η

由圖2可知:純千枚巖土δef達32%,高于純紅黏土δef一倍以上。改良土δef與紅黏土摻和比呈近似線性降低關系,這是由于隨著紅黏土摻和比的增加,混合后相當于物理改良,改良土中δef高的千枚巖土含量減少,因此δef降低。

在摻入3%石灰后,復合改良土δef大幅下降,與未摻入石灰的混合改良土相比,降低幅度為10%～17%;隨石灰摻量增加,其δef進一步降低,但降低幅度較3%石灰摻量時大大減小,以紅黏土摻和比40%為例,石灰摻量變化為0～3%、3%～5%和5%～8%時,δef值分別降低了14%、1%、1%。

GB 50112——2013《膨脹土地區建筑技術規范》規定自由膨脹率大于40%時為膨脹土,試驗初步判定混合改良土與復合改良土為非膨脹土。

2.3 無荷膨脹率結果分析

無荷膨脹率δe是試樣在環向約束下,豎向變形量與試樣原高度之比。試驗測得壓實度95%的千枚巖土的無荷膨脹率達到29.15%,超過了一些中膨脹土的無荷膨脹率[4],但其自由膨脹率小于40%,因此千枚巖土是一種自由膨脹率小而無荷膨脹率大的特殊膨脹性材料。無荷膨脹率與不同配比組合改良土間的變化規律如圖3。

圖3 δe與λ、η關系曲線Fig. 3 The relation curve of δe with λ and η

由圖3可知:當石灰摻量為0時,無石灰混合改良土的δe隨紅黏土摻和比的增加而逐漸降低,紅黏土摻和比每增加20%,δe降低3.797%。根據以上推測紅黏土對千枚巖土的無荷膨脹率降低是一種物理改良。當石灰摻量不為0時,δe隨紅黏土摻和比的增加而減小,當紅黏土摻和比大于60%時降低幅度不明顯。

改良土的δe隨石灰摻量的增長先快速下降后趨于穩定,其中石灰摻量從0增至3%降幅最為顯著,當石灰摻量超過3%后δe下降幅度較小。以紅黏土摻和比40%為例,石灰摻量變化為0～3%、3%～5%和5%～8%時,δe值分別降低了17.2%、0.8%、0.4%。數據分析表明,石灰摻量3%為經濟優化摻量。

2.4 膨脹力試驗結果分析

膨脹力pe是土體在吸水膨脹時所產生的內應力,是土體在有側限條件下充分吸水時,為使其不發生豎向膨脹所需施加的最大壓力,是反映土體膨脹性強弱的重要指標。得到的膨脹力隨與不同配比組合改良土間的變化規律如圖4。

圖4 pe與λ、η關系曲線Fig. 4 The relation curve of pe with λ and η

由圖4可知:石灰摻量為0時,純千枚巖土pe為727 kPa,隨著紅黏土摻和比的增加,試樣pe整體呈現逐漸降低的趨勢。當紅黏土摻和比大于40%后,pe隨紅黏土摻和比增加而降低的速率較緩,遠低于紅黏土摻和比在0～40%的膨脹力降低速率,η=0、λ=40%時,試樣pe較純千枚巖土降低414 kPa。當石灰摻量不為0時,各石灰摻量試樣膨脹力隨紅黏土摻和比的變化規律一致,皆隨紅黏土摻和比的增加先降低后增大,在λ=60%時達到最低,這與η=0時變化規律不同。

除λ=100%以外,石灰復合改良土的pe隨石灰摻量的增長先快速下降后趨于穩定,其中石灰摻量從0增至3%降幅最為顯著,當石灰摻量超過3%后pe下降幅度較小。以紅黏土摻和比40%為例,石灰摻量變化為0～3%、3%～5%和5%～8%時,pe值分別降低了179、45、27 kPa。數據分析表明,5%、8%石灰摻量對純千枚巖土膨脹力的抑制效果較3%石灰摻量提升不顯著,因此石灰摻量3%為經濟優化摻量。λ=100%時,隨石灰摻量的增加,試樣pe呈現先增大后降低的趨勢,η=3%和5%時,試樣pe分別高于η=0時30、8 kPa。

2.5 收縮試驗結果分析

雖然紅黏土膨脹變形較小,但其失水干縮開裂現象顯著,因此可利用千枚巖土的膨脹特性,中和紅黏土的收縮特性,達到相互改良,以害治害的目的。收縮性一般可用樣豎向收縮變形量與原裝試樣的高度之比線縮率δs來表示,如式(1):

(1)

式中:h0為試樣的初始高度(環刀高度);ht為試樣收縮過程各時刻的高度。

2.5.1 線縮率δs隨λ、η的變化規律

豎向收縮穩定后線縮率與不同配比組合改良土間的變化規律如圖5。

由圖5可知:石灰摻量為0時,純紅黏土δs為1.2%,紅黏土摻和比從100%降至40%,δs值降低了0.45%。隨紅黏土摻和比的降低,各石灰摻量試樣δs逐漸減小。

摻入石灰后,試樣線縮率顯著降低,且紅黏土摻量越高,石灰抑制試樣的收縮變形越顯著。石灰摻量從0增至3%降幅最為顯著,石灰摻量超過3%后δs下降幅度較小。以紅黏土摻和比40%為例,石灰摻量變化為0～3%、3%～5%和5%～8%時,δs值分別降低了0.73%、0.34%、0.23%。數據分析表明,石灰摻量3%為經濟優化摻量。

2.5.2 縮限ws隨λ的變化規律

土的縮限ws是指土體干燥收縮至體積恒定時的含水率,可通過縮限試驗或收縮試驗獲得。圖6為各不同組合方案下的縮限隨紅黏土摻和比的變化規律。

圖5 δs與λ、η關系曲線Fig. 5 The relation curve of δs with λ and η

圖6 不同組合方案ws與λ關系曲線Fig. 6 Relation curves of ws and λ for different combination schemes

變化規律可使用GaussMod模型進行擬合,其數學表達如式(2):

(4)

式中:y0、A、xc、w、t0皆為擬合參數;ws-λ關系曲線擬合參數值如表2,表2中,R2為擬合相關系數。

由表2可知:GaussMod模型對不同石灰摻量ws-λ關系曲線的擬合相關系數均大于0.98,可認為顯著相關,因此可說明該模型對各石灰摻量的曲線擬合效果良好。

表2 ws-λ曲線擬合參數Table 2 ws-λ curve fitting parameters

由圖6可知:隨紅黏土摻和比增加,試樣ws先降低而后升高。通過對比圖6中4條ws-λ曲線,其ws隨紅黏土摻和比變化規律大致相同,ws皆在含水率40%時降到最低。說明同一種配比的千枚巖土-紅黏土混合土,其縮限指標是其固有性質,與石灰摻量大小無關。

干濕循環過程中,千枚巖土吸水易膨脹產生膨脹裂隙,紅黏土失水易收縮開裂產生裂隙,而千枚巖土-紅黏土相互改良后,膨脹收縮裂隙得到有效控制[4]。因此紅黏土摻和比20%～60%時不易產生脹縮裂隙,且此紅黏土摻和比下ws較低;而紅黏土摻和比在0～20%及60%～100%時,膨脹及收縮裂隙明顯,且此紅黏土摻和比下ws較高。

3 最優摻量方案

3.1 單一改良方案

通過膨脹性試驗及收縮性試驗結果可知,石灰摻量η為0時,δef、δe及pe皆隨λ增加逐漸降低,δs隨λ降低而減小。λ在40%～60%時:對比純千枚巖土,δef降低10%～13%、δe降低8.75%～12.00%、pe降低414～474 kPa;對比純紅黏土δs降低0.45%～0.35%。綜合膨脹性試驗與收縮試驗,確定λ在40%～60%時,改良土的膨脹收縮變形均能得到有效抑制。

摻入3%石灰后,純千枚巖土δef降低17%、δe降低19.55%、pe降低444 kPa,使純紅黏土δs降低0.6%;且η≥3%后,δef、δe、pe、δs均降幅較小。

3.2 復合改良方案

綜合脹縮試驗結果,選用石灰摻量3%及紅黏土摻和比40%的改良效果如表3。

表3 脹縮性協同作用評價Table 3 Evaluation of the synergistic effect of expansion and shrinkage

對比單一改良方案,石灰復合改良方案抑制千枚巖土的膨脹性和紅黏土的收縮性更加顯著。且建議摻量為η=3%、λ=40%～60%,此時石灰復合改良土脹縮變形較小,且經濟性較高。

4 復合改良機理分析

為說明千枚巖土與紅黏土相互改良作用,以及石灰復合改良土脹縮性改良機理。采用Hitachi公司的SU8010型場發射掃描電子顯微鏡系統,得到SEM圖像如圖7。

圖7 改良土微觀結構圖像Fig. 7 Image of modified soil microstructure

圖7(a)為純全風化千枚巖土壓實切片試樣放大2 400倍的圖像,可以看到,千枚巖顆粒成片狀,粒徑大小在5～20 μm之間,顆粒易產生堆疊而形成架空結構,顆粒接觸方式為點-面接觸,顆粒間無明顯抱團現象,導致千枚巖土幾乎沒有黏聚力,并且形成的孔隙極易吸取大量水分,因此在飽和后易產生大量膨脹。

圖7(b)為紅黏土摻和比40%、石灰摻量為0的試樣放大10 000倍的圖像。紅黏土富含游離的氧化鐵,產生特殊的鐵質膠結,顆粒間抱團現象顯著,失水后細顆粒被附近的大團粒吸引,宏觀上反應為明顯的失水收縮現象。與千枚巖土不同的是紅黏土粒徑約為2～5 μm,與千枚巖土充分混合后可有效填充千枚巖土顆粒間的縫隙,增加顆粒間接觸面積,形成良好的顆粒級配,增強千枚巖土的黏聚力并降低紅黏土顆粒的吸引力,從而改善千枚巖土的膨脹性以及紅黏土的收縮性。

圖7(c)為紅黏土摻和比40%、石灰摻量為3%的試樣放大18 000倍的圖像,可見在摻入適量的石灰后,在水的作用下與土中硅酸鹽、硅鋁酸鹽反應,形成了大量硅膠、鋁膠及硅鋁膠,產生圖中的網狀膠結;沒有紅黏土參與時,孔隙間距過大,在石灰改良時不宜形成網狀膠結;有紅黏土參與時,減小了顆粒之間的間隙,提高了形成網狀膠結的可能。因此石灰在紅黏土與千枚巖土相互改良的基礎上,進一步增強了顆粒間的黏聚力,并提升了土體強度和水穩定性。

5 結 論

千枚巖土是一種自由膨脹率低,而無荷膨脹率可達中膨脹土水平的特殊土。利用脹縮變形的中和效應,將全風化千枚巖土和紅黏土相互改良,并通過石灰進一步降低脹縮變形,充分利用了紅黏土、石灰對千枚巖土改良的協同作用,減少了石灰用量。通過研究得到的結論如下:

1)石灰摻量一定時,改良土膨脹性隨紅黏土摻和比的增加逐漸降低。紅黏土摻和比一定時,改良土膨脹性隨石灰摻量增加先快速降低后趨于穩定。對比可知,改良效果復合改良>石灰單獨改良>紅黏土單獨改良,紅黏土和石灰聯合改良存在協同作用。

2)膨脹力試驗結果顯示,當η≥3%時,試樣膨脹力皆隨紅黏土摻和比的增加先降低后增大,在λ=60%時達到最低,與η=0時試樣膨脹力隨紅黏土摻和比的增加逐漸降低的趨勢大相徑庭。

3)收縮試驗顯示,復合改良土線縮率δs隨紅黏土摻和比λ降低、石灰摻量η的增加而減小,且η>3%后降幅較小。通過對比表明,千枚巖土降低紅黏土收縮特性效果優于石灰。各η摻量下,ws皆隨λ的增加先降低后升高,在λ≈40%時達到最低,因此縮限指標是土體固有性質,與石灰摻量無關,且改良土ws與其裂隙成正比。

4)根據脹縮性試驗結果分析,優化配比方案為石灰摻量3%,紅黏土摻和比40%～60%,此時δef=6%～8%、δe=2.15 %～4.85%、δs=0.4%～0.5%、pe=88～134 kPa、ws=9.52%～10.62%。

5)從微觀層面剖析了宏觀上千枚巖土發生膨脹以及紅黏土失水收縮的內因。解釋了紅黏土與千枚巖土相互改良的機理,并發現摻入石灰后生成了網狀膠結,進一步增強了改良土強度及水穩定性。