不同改良剂对红黏土液塑限的影响研究

任宝行

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

0 引言

红黏土作为一种特殊土，广泛分布于我国南方地区，占我国国土面积的十分之一[1-3]。其特殊性在于，红黏土具有较好的力学性能，能够符合路基填料的要求，但是由于红黏土中含有高岭石、蒙脱石和伊利石等亲水矿物[4]，使其具有高含水率、高液限和高塑性指数等不良物理性质，这些不良物理性质会导致土颗粒中储存过多的水，降低红黏土的强度，实际工程中土样压实困难[5]，但是随着公路建设项目的增多，在工程中，不可避免地会遇到红黏土，因此在保持红黏土原有力学特性的基础上，改善其亲水特性以提高红黏土的路用性能具有研究意义。液塑限包括液限(wL)、塑限(wP)和塑性指数(IP)，三者可以反映土颗粒对水的灵敏性，微观上可以反映土颗粒间结合水膜的厚度，三者可以联合评价土的亲水性能[6]。

基于此，选择石灰、粉煤灰、玄武岩纤维和氯化镁四种改良剂，通过界限含水率试验，将四种改良剂改良后红黏土的液限、塑限和塑性指数与原土作比较，评价四种改良剂对红黏土亲水特性的改良效果，以期为实际公路工程提供指导。

1 试验简介

1.1 试验材料

试验红黏土取自福建省三明将乐动车站附近，通过界限含水率试验可知，该场地红黏土塑限32.10%、液限63.56%、塑性指数31.46。因为液限>50%、塑性指数>26，故该场地红黏土属于高液限土。改良材料选择氯化镁、石灰、粉煤灰和玄武岩纤维。

1.2 试验方案

本试验改良剂掺量均是用占干土质量确定，其中氯化镁、石灰和粉煤灰掺量取0%、2%、4%、6%、8%。由于过量的纤维会阻碍土颗粒之间的联结，从而降低红黏土的强度[7]，故玄武岩纤维掺量取0%、1%、2%、3%、4%。将红黏土风干碾碎，过0.5mm筛，每组界限含水率试验需要配置三个不同含水率的土样，每份土样需用土200g，按规定掺量加入改良剂，与土均匀拌和，最后加入相应质量的自来水拌和均匀后装入袋子闷料18h以上。上述步骤完成后，根据《土工试验方法标准》[8](GB/T 50123—2019)中的液塑限联合测定法进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 不同改良剂对红黏土液塑限的影响分析

界限含水率试验结果如表1～表4所示。

表1 氯化镁掺量对红黏土界限含水率的影响

表2 石灰掺量对红黏土界限含水率的影响

表3 粉煤灰掺量对红黏土界限含水率的影响

表4 玄武岩纤维掺量对红黏土界限含水率的影响

由表1～表4可知：

(1)红黏土的塑限、液限和塑性指数均随着氯化镁掺量的增加而减少。当氯化镁掺量为6%时，红黏土的液限46.12%<50%，塑性指数23.72<26，此时改良土已经不属于高液限土，可以应用于实际公路建设中。

(2)红黏土的塑限随着石灰掺量的增加而增大，红黏土的液限和塑性指数随着石灰掺量的增加而减少。虽然当石灰掺量为4%时，红黏土的塑性指数23.73<26，但是红黏土的液限依旧大于50%，属于高液限土的范畴。

(3)红黏土的塑限、液限随着粉煤灰掺量的增加而减少，但是由于液限降低幅度远小于塑限降低幅度，故塑性指数呈现逐渐增大的趋势。当粉煤灰掺量为8%时，塑性指数达到36.82，比原状土增加了17.04%。

(4)红黏土的塑限随着玄武岩纤维的增加而增加，液限和塑性指数随着玄武岩纤维的增加而减少。当玄武岩纤维掺量为3%时，其塑性指数25.63<26，但是液限>50%，属于高液限土范畴。

综上所述，四种改良剂在不同程度上均能降低红黏土的液限，改善其亲水性能，但是使用石灰、玄武岩纤维和粉煤灰改良后，红黏土依旧属于高液限土的范畴，不能直接用于公路建设中，只有氯化镁改良后的红黏土的液限<50%、塑性指数<26，达到了公路建设可用土的要求。

2.2 氯化镁改良红黏土液塑限的机理分析

为了更直观地分析氯化镁对红黏土液塑限的影响，将试验结果转化为点线图，如图1所示。

图1 红黏土液塑限随氯化镁掺量变化规律

由图1可知，红黏土液限的降幅远大于塑限的降幅。当氯化镁掺量为4%时，红黏土液限和塑性指数的降幅达到最大，分别降低了12.88%和17.71%。当氯化镁掺量为6%，红黏土依旧不属于高液限土的范畴，能够被用于实际工程中。

对氯化镁改良红黏土液塑限的机理进行分析：由于红黏土的矿物成分主要是高岭石、蒙脱石和伊利石，这些矿物使得土颗粒带负电荷，氯化镁在水中会电离高价金属阳离子Mg2+，这些Mg2+会与红黏土表面的负电荷产生电中和，大大减少了土颗粒间因为相同负电荷产生的排斥力，土颗粒相互靠近，使得土颗粒间的双电层厚度逐渐变薄(如图2所示)，土颗粒的结合水膜变薄，红黏土的持水能力大大减弱，最终使得红黏土的液限大幅度降低。

3 结论

通过四种改良剂对红黏土液塑限的影响分析得到以下结论：

(1)四种改良剂均能降低红黏土的液限，对红黏土的亲水性能起到改善作用，但是氯化镁的改良效果最优。

图2 Mg2+压缩双电层示意图

(2)当氯化镁掺量为6%时，三明将乐取土场地红黏土已经不属于高液限土的范畴，可以直接应用于实际公路工程。

(3)氯化镁能够电离出Mg2+，能够压缩土颗粒间双电层厚度，从而减少土颗粒结合水膜的厚度，使红黏土由亲水性转化为疏水性。在道路工程中从经济效益方面考虑可以选择6%掺量的氯化镁对红黏土进行改良。