改性红粘土工程性质研究

蒋文杰，杨根兰，王中美

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)



改性红粘土工程性质研究

蒋文杰，杨根兰，王中美

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

红粘土在西南地区分布面积较广，由于其具有高孔隙性、低密实度、高界限含水量和塑性较高等的工程不良特性，阻碍了其在工程中的应用。通过在天然红粘土中添加改性剂，对改性后的红粘土进行击实、水稳性、液塑限、无测限抗压强度及抗剪强度试验。试验结果表明：改性剂的加入在改善红粘土的物理特性的同时，也增强了其力学特性。

红粘土，改性，物理特性，力学特性

0 引言

红粘土是我国南方一种性质独特的复杂土类[1]，其碳酸盐岩成因类型[2-5]决定了它在喀斯特地区有大面积分布。目前对其自身的工程特性研究较广，研究结果表明：红粘土具有高孔隙性、低密实度；天然含水量高、处于近饱和状态；有较高的界限含水量和塑性；有较好的力学性能；膨胀不大，但有明显的收缩性等[6-9]一系列工程特性。红粘土的这些特殊工程性质严重阻碍了其在工程中的应用。将粒化矿渣、粉煤灰、水泥、石膏作为红粘土工程特性改良添加剂，通过室内实验分析加入不同比例改良剂后红粘土物理、力学特性的变化，希望改良后的红粘土能够满足道路工程或基础工程地基用土的标准。

1 试验方法与过程

将粒化矿渣、粉煤灰、水泥、石膏等制成改性剂，再按3 %、5 %、9 %、13 %等4组不同比例改性剂掺入烘干粉碎的红粘土中配制试验样品。因天然红粘土在最优含水量时经夯实达到最大干密度下其工程性质能达到最优，故本次由击实试验来求得改性后红粘土的最优含水量和最大干密度。

根据不同改性剂掺量时红粘土的击实试验曲线，采用图解法直接求取改性后红粘土的最优含水量和最大干密度。根据求得的最优含水量和最大干密度，由预制模型制成不同试验所需的样品。然后再在湿度大于95 %，温度为20℃的条件下对试样分别养护7天、28天、60天后对试样进行各种改性红粘土的物理、力学性质试验。

2 改性剂对红粘土物理性质影响

2.1 改性红粘土最大干密度、最优含水量与改性剂掺量关系

由击实试验获得的改性红粘土最大干密度、最优含水量结果见图1、图2。由图1、图2可知，不同改性剂掺量与土压实性曲线的典型特征表现为：随着改性剂含量增加，击实曲线渐趋平缓，即在最优含水量基础上增大含水量时，干密度变化不大。这说明随着改性剂含量的增加，达到最优含水量后再增加含水量对改性红粘土工程性质的影响逐渐变小。这一变化减小了自然天气变化对改性红粘土材料带来的影响，使改性红粘土材料对天气变化的适应性大大增强。

图1 不同改性剂掺量时红粘土的击实试验曲线

图2 改性剂掺量与最优含水量及最大干密度关系图

2.2 改性红粘土塑、液限与改性剂掺量关系

不同掺量改性剂条件下液限、塑限三组试验测试数据见表1。对表1中三组试验数据取平均值，制作如图3所示改性剂掺量与液、塑限及塑性指数关系曲线图。

表1 液塑限与改性剂掺量关系表

图3 改性剂掺量与液、塑限及塑性指数关系曲线图

由图3可知，改性红粘土液塑限与改性剂掺量有如下关系：1)液限随改性剂含量增加而减小；2)塑限随改性剂含量增加略有增加，但增加值很小；3)塑性指数随改性剂含量增加而大幅度降低。

3 改性剂对红粘土力学性质影响

3.1 改性红粘土材料的水稳性

水稳性是指某种物质受水的影响程度，也叫物质的防水性能或抗水性能。试验室中常选择有代表性的试件6组进行不同龄期的水稳定性试验。水稳定性系数是以不同龄期饱水抗压强度与干抗压强度的比值表示，用以表征水稳定性。对于改性红粘土，饱水后抗压强度极低，难以测量，故在此将改性红粘土材料在水完全浸泡的情况下能够保持其外形完整性程度表征其水稳性。试验结果表明，改性红粘土材料在不同的养护期其水稳性是不同的，但它们却具有相同的水稳趋势。不管养护期是7天、28天、60天或无养护期，其水稳性趋势都是改性剂含量为13 %>9 %>5 %>3 %。在改性剂含量≤5 %时，材料浸水后完全崩解；在改性剂含量≥9 %时，材料浸水后部分崩解。

3.2 改性红粘土材料的无侧限抗压强度

不同改性剂掺量时不同龄期的改性红粘土材料无侧限抗压强度见图4、图5。

图4 不同龄期未浸水改性红粘土无侧限抗压强度图

图5 不同龄期饱水改性红粘土侧限抗压强度图

由图4、图5可知，材料的无侧限抗压强度与改性剂掺量有如下关系：

素土(改性剂含量为0 %)，改性剂含量为3 %， 改性剂含量为5 %时材料强度相差不大；改性剂含量为9 %，改性剂含量为13 %时材料强度显著增大，且随养护期的增加而增大，28天后逐渐增至最大，而至60天时强度有所降低；改性剂含量为9 %，改性剂含量为13 %时，材料已经能在浸水后成形并具有一定强度，且强度随养护时间增加而逐渐增加。

从图4、图5还可以看出，改性红粘土的无侧限抗压强度同时与改性剂含量和养护期有关。在未浸水情况下，改性红粘土在养护32天左右其无侧限抗压强度达到最大，然后呈下降趋势，但总体仍然是在改性剂含量大于9 %时随改性剂含量增加无侧限抗压强度增大。在浸水情况下，改性红粘土的无侧限抗压强度一直呈上升趋势，但只有在改性剂含量大于9 %时改性红粘土才能成形并具有一定的无侧限抗压强度。

3.3 改性红粘土抗剪强度与改性剂掺量关系

不同改性剂掺量条件下改性红粘土内摩擦角及内聚力试验成果见表2，总体上表现出随改性剂掺量的增加内摩擦角表现为先略有增加后急剧下降的趋势，内聚力有增加的趋势。

表2 内摩擦角(°)、内聚力(kPa)与改性剂掺量关系表

图6 改性剂掺量与内摩擦角、内聚力关系曲线图

为了对比分析改性剂含量对内摩擦角和内聚力影响程度，将表2试验结果平均值绘制于图6，由图可看出对于改性剂含量小于5 %，改性剂含量对红粘土抗剪强度影响不大，总体内摩擦角略降低而内聚力略增加，但幅度都较小；而当改性剂含量超过5 %后，改性剂含量对红粘土强度产生显著影响，表现出内摩擦角φ显著降低，而内聚力显著增加。

4 结论

改性红粘土物理、力学性质测试试验结果表明，红粘土复合材料的各项力学指标在掺入改性剂前后是不同的。当改性剂含量为0 %时，红粘土主要表现为其本身的c、φ值所提供的力学强度。当改性剂含量为3 %～5 %时，此时的改性剂使土体的c、φ值降低，起到了破坏红粘土本身强度的作用，因此，其强度曲线呈下降的趋势。当改性剂含量大于9 %时，由于改性剂在土体中连续分布，此时的改性剂起到了土体的骨架作用，土体的c、φ降低值已小于骨架提高的强度值，其强度曲线呈上升趋势。

当改性剂掺量大于9 %时，材料具有了一定的水稳性。在水完全浸泡作用下，材料不会完全崩解，并具有了一定的无侧限抗压强度，这就适应了自然条件下降雨排水不畅时材料仍能保持一定的强度。

材料的无侧限抗压强度在改性剂掺量大于9 %时已显著提高。通过试验，素土的无侧限抗压强度为1.42 MPa，当改性剂掺量为13 %时，材料的无侧限抗压强度已达到2.95 MPa，提高达2倍以上。

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Engineering properties of modified red clay

JIANG Wenjie，YANG Genlan，WANG Zhongmei

(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China)

Red clay is widely distributed in Southwest China.Its undesirable engineering characteristics，such as porosity，low density and high water content，have limited its application in engineering.In this study，we added modifier into natural red clay，and tested the compaction，water stability，liquid limit，plastic limit，non-limited compressive strength and shear strength of the modified red clay.The results showed that the modifier had improved both physical properties and mechanical properties of the red clay.

red clay，modification，physical properties，mechanical properties

P642.112；TU

A

2016-08-02；

2016-08-05

蒋文杰(1977-)，男，硕士，讲师，主要研究方向：工程地质。