林麗君

【摘 要】文章通過摻入不同百分比的納米碳酸鈣對紅黏土試樣進(jìn)行液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)，分析了納米碳酸鈣摻量對紅黏土界限含水量及塑性指數(shù)的影響。結(jié)果表明：摻入不同比例的納米碳酸鈣后，紅黏土的液限、塑限及塑性指數(shù)呈現(xiàn)了不同的變化趨勢。其中，隨著納米碳酸鈣摻和比的增加，紅黏土試樣的液限和塑性指數(shù)有明顯的下降，而塑限并未有顯著變化。

【關(guān)鍵詞】紅黏土;納米碳酸鈣;界限含水量;液塑限;塑性指數(shù)

【中圖分類號】TU446;TU411【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）07-0107-03

紅黏土是在特定的氣候環(huán)境下，通過復(fù)雜的紅土化作用形成的，紅黏土在構(gòu)成過程中經(jīng)過了風(fēng)化作用、微團(tuán)粒化作用、成土作用等，其具有較為特殊的物理力學(xué)性質(zhì)[1]。紅黏土大多存在于熱帶和亞熱帶濕熱天氣環(huán)境，其風(fēng)化水平較高。紅黏土這一特殊土主要分布于我國的南方地區(qū)，其中最為典型分布地為貴州、云南和廣西等地;在四川盆地的南部和東部、廣東北部、安徽南部和浙江西部、湘西、湘南、和浙西等地也是紅黏土的分布地域。由于風(fēng)化程度和側(cè)向化程度的差別，紅黏土的物理、力學(xué)性質(zhì)和工程特性在不同的地區(qū)會(huì)有不同的性質(zhì)表現(xiàn)。桂林作為我國最為典型的紅黏土分布地區(qū)之一，其紅黏土相比其他地區(qū)，具有高含水率、高塑性、高孔隙比的特點(diǎn)，并且其含有較多有機(jī)物等。

紅黏土由于其特殊的工程性質(zhì)（高含水率、高孔隙比等），在工程建設(shè)中經(jīng)常會(huì)造成諸多工程危害，比如路基塌陷、邊坡脹裂、水庫滲漏等工程問題。為了減輕紅黏土對工程建設(shè)的危害程度，對紅黏土的處置方法大概分為物理改良、化學(xué)改造和棄土換填等。許多研究學(xué)者通過對紅黏土的改良進(jìn)行了卓有成效的研究。羅斌和趙雄等人[2]在嘉寧公路等試驗(yàn)段采用土中摻碎石，從而改良了紅黏土的密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度，實(shí)證了其在公路建設(shè)方面的可行性;楊俊和黎新春等人[3]將風(fēng)化砂加入高液限紅黏土，研究得出了用風(fēng)化砂改良紅黏土的最佳摻配率的方法;劉寶臣和李曉全等人[4]通過在紅黏土中摻入水泥的過程來提高紅黏土的抗壓強(qiáng)度，分析和研討了提升紅黏土強(qiáng)度的規(guī)律。陳學(xué)軍和胡舒?zhèn)サ热薣5]通過不固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)，研究了在不同的干密度下超細(xì)碳酸鈣不同摻和比對桂林紅黏土的力學(xué)性質(zhì)的影響，得出了桂林紅黏土隨著超細(xì)碳酸鈣百分比的增加，其力學(xué)性質(zhì)先降低后增加的結(jié)論。

在實(shí)際的工程建設(shè)中，液限與塑限是兩個(gè)決定工程特性的極其重要的基本參數(shù)。液塑限可以反映黏性土中由離散狀態(tài)到塑性狀態(tài)結(jié)束，并開始轉(zhuǎn)變成流動(dòng)狀態(tài)的過程。對于紅黏土而言，土中可動(dòng)層的大小決定著顆粒間的距離，影響著粒間連接的強(qiáng)弱狀態(tài)，而粒間連接力的大小又與土的抗剪強(qiáng)度緊密相連;顆粒間的距離大小決定著紅黏土的密實(shí)度，其主要體現(xiàn)在天然密度、孔隙比和比重等幾個(gè)物理指標(biāo)[5]?？梢钥闯鲆核芟薹从沉损ば酝恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)。塑性指數(shù)是黏性土中有著重要意義的參數(shù)，一方面可以較合理地說明黏性土的構(gòu)成，另一方面也能反映出土的類型和評估。對于液限、塑限及塑性指數(shù)這3項(xiàng)基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，其中，液限和塑性指數(shù)對于判斷土的物理、力學(xué)等性質(zhì)更為準(zhǔn)確，兩者間的關(guān)聯(lián)也有著非常的緊密的聯(lián)系。因此，國內(nèi)外的專業(yè)研究人員及學(xué)者在研究土的類別和土的性質(zhì)時(shí)，經(jīng)常采用塑性指數(shù)或液限作為土類型的評判指標(biāo)。

紅黏土在我國的分布十分廣泛，在現(xiàn)代建筑工程、公路工程及水利工程等工程中都會(huì)不可避免的遇到這類特殊土。因此，要研究納米碳酸鈣摻量對桂林紅黏土界限含水量及塑性指數(shù)的影響，對紅黏土試樣進(jìn)行液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面分析，建立在摻入不同百分比的納米碳酸鈣后紅黏土試樣的液塑限及塑性指數(shù)變化趨勢的關(guān)系，獲取其相應(yīng)的變化規(guī)律。通過研究外摻劑對紅黏土的影響規(guī)律，一方面可以對于紅黏土改性進(jìn)行更深入的研究;另一方面對于解決紅黏土地區(qū)存在的地基強(qiáng)度不夠、路基下陷、邊坡開裂等工程問題具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)過程

1.1 材料選取

試驗(yàn)用土取自廣西桂林電子科技大學(xué)花江校區(qū)附近的紅黏土，色澤呈棕紅色，天然含水率高，含較多雜質(zhì)，需進(jìn)行翻曬粉碎過篩。本次試驗(yàn)紅黏土基本物理性質(zhì)見表1。由表1可以看出，該紅黏土的液限與塑限及塑性指數(shù)都不符合規(guī)范所規(guī)定的值，不能直接用作路基填料，也無法直接作為建筑地基的持力層。

納米碳酸鈣是指經(jīng)人工加工后的碳酸鈣顆粒，其粒徑范圍為100 nm以下，團(tuán)聚粒度在0.10 μm。

1.2 試樣制備

先進(jìn)行取土，翻曬土樣，通過粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎過篩，將紅黏土試樣中的雜質(zhì)篩分出來，然后測出其風(fēng)干含水率w0。加入納米碳酸鈣后，人工小心攪拌[若有m重的風(fēng)干紅黏土，則其中土顆粒重為m+=m /（w0+1），若納米碳酸鈣摻量為2%，則加入納米碳酸鈣的質(zhì)量為m納米=m+ /（1/2%-1）]。用噴水壺均勻噴水，同時(shí)進(jìn)行攪拌，攪拌至少30 min至均勻后，用保鮮袋或者塑料袋進(jìn)行密封悶料12 h備用。

1.3 試驗(yàn)方法

通過液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)可得出土樣的液限和塑限，用來劃分土類、計(jì)算液塑性指數(shù)等。本次試驗(yàn)選用GYS-2型數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測定儀，選取76 g質(zhì)量的錐體。試驗(yàn)步驟如下：用橡膠錘將紅黏土試樣碾碎并過0.5 mm篩，取600 g紅黏土試樣按四分法分成大致均勻的3份。加入不同比例的水，讓土樣的含水率依次接近液限（a點(diǎn)）、塑限（c點(diǎn)）和a、c間的狀態(tài)（b點(diǎn)）。用調(diào)土刀攪拌均勻，用保鮮袋或塑料袋密封并放置一個(gè)晚上。

試驗(yàn)時(shí)，將儀器置于平整的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)水平旋鈕，使水泡位于中心，裝入76 g錐體，在錐尖涂抹適量的凡士林，試驗(yàn)前將錘體托起至待測處。將制備好的土樣用調(diào)土刀進(jìn)行攪拌，使其水分均勻，然后規(guī)范性地填入杯中，填入時(shí)應(yīng)盡量使土樣內(nèi)的空氣排出，并確保試杯內(nèi)不留有空隙，然后用調(diào)土刀刮去杯口處多出的土樣。將裝有土樣的試樣杯放到儀器起落座上，緩慢地將待測處的錐體降下，當(dāng)指示燈亮起時(shí)說明土樣已經(jīng)剛好接觸錐尖，應(yīng)立即停止旋動(dòng)，按“測量”按鈕，使錐體落下，此時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出“嘟嘟嘟”的聲響，當(dāng)測定時(shí)間結(jié)束，數(shù)字顯示器上出現(xiàn)的數(shù)值即為5 s所測量的錐入深度。再次測量時(shí)，需將錐體再次向上托至待測處，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)升降旋鈕并移動(dòng)試杯改變錘體跟試樣碰觸的位置，擦拭錘尖后，重新涂抹適量的凡士林，再按照以上步驟操作。兩次平行實(shí)驗(yàn)錐落深度不得大于0.5 mm[6-7]。

測量完入土深度后，將試杯中試樣取出，對兩處不同位置的土樣進(jìn)行含水率測量，當(dāng)兩個(gè)平行含水率差值大于2%時(shí)應(yīng)重做或補(bǔ)點(diǎn)，并記錄數(shù)據(jù)。剩余兩個(gè)不同含水率的紅黏土試樣按照上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)。其他含有不同納米碳酸鈣摻量的土樣依照上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)具有一定的隨機(jī)性（包括搬土均勻性、烘干的透徹性、攪拌均勻性等），對試驗(yàn)結(jié)果有著較多的影響，故相對于其他室內(nèi)土工試驗(yàn)而言，補(bǔ)點(diǎn)率或重做率較大。

本次液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)應(yīng)做組數(shù)為11組，一組所需平行試驗(yàn)4個(gè)。應(yīng)得出數(shù)據(jù)44個(gè)。實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)為52個(gè)，重做試驗(yàn)8個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 液限結(jié)果分析

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，紅黏土試樣的液限在55%～67%之間，屬于高液限黏性土。伴隨納米碳酸鈣摻和比的上升，該紅黏土試樣的液限呈現(xiàn)出顯著下降的趨勢，如圖1所示，即隨著納米碳酸鈣的摻量增加，紅黏土試樣達(dá)到液限所需要的含水量減少了，說明加入納米碳酸鈣后，在相同含水量下紅黏土試樣的流動(dòng)性增大了。當(dāng)納米碳酸鈣摻量由0增加至20%時(shí)，紅黏土試樣的液限下降幅度大致為12%。其中，摻量由0曾至10%時(shí)，曲線下降較緩，當(dāng)摻量由10%增至20%時(shí)，曲線下降更為明顯。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因：液限狀態(tài)下，紅黏土試樣中的含水量較大，在摻入納米碳酸鈣后，納米碳酸鈣顆粒與紅黏土顆粒充分結(jié)合在一起，而納米碳酸鈣顆粒具有細(xì)膩光滑的特點(diǎn)，并具有一定的流平性，會(huì)使試樣顆粒表面細(xì)膩平滑，流動(dòng)性增大。故在達(dá)到液限的相同錐入深度（17 mm）時(shí)，伴隨納米碳酸鈣摻和比的上升，紅黏土試樣所需的含水量減小了。

2.2 塑限結(jié)果分析

由液塑限試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，紅黏土試樣的塑限在29%～33%之間，屬于高塑限土，即使納米碳酸鈣摻和比上升，也并未發(fā)生明顯的變化趨勢，如圖2所示。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是達(dá)到塑限時(shí)試樣中的含水量并不多，納米碳酸鈣顆粒與紅黏土試樣顆粒并不能很好地結(jié)合在一起，隨著納米碳酸鈣摻和比的增加，大部分納米碳酸鈣顆粒依然是以單體形式存在，故對紅黏土顆粒的原有結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生足夠大的影響。因此在塑限狀態(tài)下相同錐入深度（2 mm）時(shí)，即使納米碳酸鈣摻和比的上升增加了，試樣的塑限也并沒有較大的變化情況。

2.3 塑性指數(shù)結(jié)果分析

塑性指數(shù)在性質(zhì)指標(biāo)上可以反映影響紅黏土特點(diǎn)的各類主要因素。其中，塑性指數(shù)與黏土的顆粒、比表面積、黏粒親水礦物含量及土處在可塑性狀的含水量可變化范圍有著緊密聯(lián)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以知道，該紅黏土試樣的塑性指數(shù)為16%～24%，塑性指數(shù)較大，伴隨納米碳酸鈣摻和比的上升出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，如圖3所示，說明紅黏土試樣的顆粒越來越大，可塑范圍越來越小，越具有高塑性，納米碳酸鈣摻和比由0增至20%時(shí)，紅黏土試樣的塑性指數(shù)的下降幅度為8%左右。其中，摻量由0增至12%時(shí)，曲線波動(dòng)較大，但總體為下降趨勢，當(dāng)摻量由12%增至20%時(shí)，塑性指數(shù)曲線有明顯的下降趨勢。

這是由于摻入納米碳酸鈣后，納米碳酸鈣會(huì)迅速充滿紅黏土的顆粒間，附著在礦物顆粒上，破壞了紅黏土試樣原有的有序排列，即紅黏土顆粒與納米碳酸鈣顆粒之間形成微弱的結(jié)構(gòu)連接，共同作為骨架結(jié)構(gòu)。試樣間的縫隙得以更加充實(shí)，其土顆粒之間的分布越發(fā)嚴(yán)密，使得顆粒與顆粒間的作用加強(qiáng)。加之隨著紅黏土試樣的含水量升高，水土間作用較強(qiáng)。隨著納米碳酸鈣摻和比的增大，試樣中的鈣離子漸漸增加，致使團(tuán)粒表面附著的納米碳酸鈣團(tuán)粒增多，顆粒間的鈣質(zhì)膠結(jié)得到加強(qiáng)，這使得紅黏土試樣中團(tuán)粒與團(tuán)粒間的聯(lián)結(jié)力逐漸變大，團(tuán)粒間的相互作用增大。因此，紅黏土試樣伴隨納米碳酸鈣摻和比的上升，其顆粒逐漸變大，塑性也越來越高。

3 結(jié)語

（1）在未加入納米碳酸鈣摻量時(shí)，由液塑限試驗(yàn)測得紅黏土試樣的液限大于50%，塑限大于26%，都比較高，屬于高液限黏性土。

（2）在相同初始含水量、干密度和試驗(yàn)環(huán)境下，摻入不同配合比的外加劑紅黏土的液限呈現(xiàn)出不同的數(shù)值。由液塑限聯(lián)合測定試驗(yàn)可得出，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，紅黏土試樣流動(dòng)性變大，達(dá)到液限所需的含水量逐漸減小，當(dāng)納米碳酸鈣摻和比由0增長至20%時(shí)，紅黏土試樣的液限減小幅度為12%。

（3）在相同初始含水量、干密度和試驗(yàn)環(huán)境下，當(dāng)納米碳酸鈣摻和比由0增長至20%時(shí)，紅黏土試樣的塑限并沒有明顯的變化趨勢，幅度在30%～33%。

（4）在相同初始含水量、干密度和試驗(yàn)環(huán)境下，紅黏土試樣的塑性指數(shù)隨著納米碳酸鈣摻量的增加，其曲線呈現(xiàn)出明顯下降趨勢，塑性增強(qiáng)，下降幅度為8%。

（5）在一樣的含水量、干密度和試驗(yàn)環(huán)境下，若納米碳酸鈣摻和比的增大，則紅黏土試樣的液限和塑性指數(shù)有明顯變化趨勢，但塑限并未隨著外摻劑的增加產(chǎn)生明顯的變化趨勢。說明納米碳酸鈣摻量對紅黏土試樣的影響前提是土樣中的含水量，當(dāng)土樣中的含水量達(dá)到一定值時(shí)，納米碳酸鈣摻量的改變才會(huì)對紅黏土試樣的性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蔣文宇.廣西紅黏土土質(zhì)特征及土性改良研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2015.

[2]羅斌，趙雄.碎石改良高液限紅黏土的試驗(yàn)研究[J].公路工程，2009（2）：131-134.

[3]楊俊，黎新春，童磊.風(fēng)化砂改良高液限紅黏土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）：181-186.

[4]劉寶臣，李曉全，郭培璽，等.水泥攪拌法改良桂林紅黏土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012（4）：633-638.

[5]陳學(xué)軍，胡舒?zhèn)?，白漢營，等.納米碳酸鈣影響下紅黏土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2017（5）：1293-1298.

[6]蔣文斌，李曉娟，梁海軍，等.柿單寧吸附材料在重金屬污染土壤治理中的應(yīng)用[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（4）：336-340.

[7]GB/T 50123—1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：陳澤琦]