内蒙古地区改良红黏土击实与收缩特性研究

张宏 何灵灵

摘要 黏土系材料常被用作高放废物处置中的缓冲屏障、垃圾填埋场防渗衬垫以及重金属污染隔离墙等用途。在环境温度、湿度的变化下，黏土系材料易产生收缩变形，甚至开裂，严重劣化材料的工程应用性。为此，对比分析了内蒙古地区水泥改良前后红黏土的击实与收缩特征以及裂缝的发展规律。结果表明：随着水泥掺量的增加，改良红黏土的最大干密度减小，最佳含水率增大;水泥掺量未显著改变红黏土擊实曲线的曲率特征，改良前后红黏土干密度对含水率的敏感程度基本相似;红黏土失水过程可划分为线性失水、非线性失水与失水停滞3个阶段;收缩指标（径向线缩率εr、轴向线缩率εa以及体积收缩率εv）随干燥时间呈指数规律变化;红黏土轴向收缩大于径向收缩，线性伸长系数（COLE）小于0.03、几何因子rs小于3，具有明显的各向异性与低收缩潜能;从改良红黏土收缩性能和控制裂缝的发生发展及工程成本控制视角而言，改良红黏土掺量具有最优选择。

关 键 词 改良红黏土;失水率;收缩特性;裂缝宽度

Abstract Clay-based materials are often used as buffer barriers in high-level radioactive waste disposal， landfill impervious liners and heavy metal pollution barriers. Under the change of environment temperature and humidity， clay materials are prone to shrinkage， deformation and even cracking， which severely damages engineering application. Therefore， the compaction and shrinkage characteristics before and after cement improvement of red clay as well as the development pattern of cracks in Inner Mongolia area were compared and analyzed. The results show that with the increase of cement content， the maximum dry density of improved red clay decreases and the optimum moisture content increases， while the curvature characteristics of compaction curve of red clay are not significantly changed， and the sensitivity of dry density of red clay to water content is basically similar before and after the improvement. The process of water loss in red clay can be divided into three stages： linear water loss， nonlinear water loss and stagnation of water loss. The shrinkage index （radial linear shrinkage εr， axial linear shrinkage εa and volume shrinkage εv） varies exponentially with drying time. Simultaneously， the axial shrinkage of red clay is greater than that of radial shrinkage， the linear extension coefficient （COLE） is less than 0.03， geometric factor rs less than 3， which presents a characteristic of obvious anisotropy and low shrinkage potential. From the point of view that improving red clay shrinkage， controlling the occurrence and development of cracks and engineering cost， there is an optimum choice for the cement content of improved red clay.

Key words improved red clay; water loss rate; shrinkage characteristics; crack width

0 引言

粘土系材料因具有渗透性低、吸附能力强等特点常作为防渗系统的主要材料，在治理重金属污染环境问题，高放废物处置以及垃圾填埋场工程中得到了广泛应用。其中红黏土因其较低的渗透性已成为填埋场防渗系统的新型材料之一[1-2]，然而在环境温度、湿度的变化作用下易发生收缩变形，当应变超过其允许应变时土体开裂，产生各种纵横交错的裂缝，使渗透系数增加，导致防渗屏障功能失效。可见，分析研究压实红黏土的收缩规律对于红黏土作为防渗屏障阻滞污染物迁移扩散具有重要意义。

目前，有关改良红黏土的收缩特性研究较多。叶琼瑶等[3]，李海鹏[4]通过在红黏土中添加砂砾、石灰、水泥等改良材料，使其与红黏土发生一系列的化学反应，进而增加土体强度，降低土体收缩。Horpibulsuk 等[5]从微观结构的角度分析了水泥改良粉质黏土稳定性和强度，结果表明随着水泥含量的增加，水泥胶结物随之增加并填充土体孔隙，从而提高黏土的密实度。刘之葵等[6]研究了不同水泥含量与养护时间对桂林红黏土收缩特性的影响，得出水泥能够较好的提高红黏土的黏聚力与强度。王海湘等[7]通过碎石改良红黏土收缩试验，得出碎石能有效减少红黏土的细粒含量、降低收缩变形的同时提高土体压实度。郭彪等[8]，王云等[9]对比分析了机制砂与生石灰对云南红黏土的收缩特性的影响，结果表明石灰掺量越高，改良红黏土的收缩越小，且生石灰对红黏土改良效果优于机制砂。Tollenaar等[10]得出聚酯纤维的存在可以减少黏土由于干燥收缩产生的裂缝。综上所述，红黏土收缩性的改材料种类较多，且不同的改良方法对红黏土收缩裂隙的发育情况影响不同。其中水泥作为一种常用的改良材料，具有遇水胶结、凝聚的特点，可填充土体的孔隙，降低红黏土的含水率，从而使土体得以压实。然而，由于红黏土的区域性较强，具有一定的特殊性，应用水泥改良其收缩变形的研究较少，且对于水泥改良后红黏土的收缩特性及裂隙演化研究尚不完善，因此需要进行深入探讨。

在内蒙古地区广泛分布有一层厚度不等的红黏土，当地老百姓将此红黏土称为“红胶泥”，常用作漏雨房屋的涂抹材料以及地下储存食物与外界隔绝的封闭材料。受此启发，为开发内蒙古地区红黏土材料用于阻滞重金属污染的帷幕屏障、垃圾填埋场防渗衬垫等工程用途潜能奠定基础，以内蒙古地区典型的红黏土为研究对象，通过掺入不同含量的水泥，改良红黏土的击实与收缩性能以供工程应用借鉴和参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验所用的红黏土取自内蒙古呼和浩特市，土样呈棕红色，湿度偏大，土质较均匀。水泥为PI 42.5硅酸盐水泥，细度为332 m2/kg，密度为3 170 kg/m3。红黏土的基本物理指标如下：黏粒含量高达70%，比重为2.6，液限为42%，塑限为26%，塑性指数为16。图1为红粘土塑性图，土样塑性指数主要分布于A线上、B线左侧，属于低液限黏土。

1.2 试验方法与过程

根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）采用干质量掺配法，在红粘土中掺加0%、1%、2%、3%的水泥，拌和均匀后制备击实试样，通过击实曲线确定其最佳含水率与最大干密度，用于干燥收缩试验。

基于改良红粘土击实试验，制备4个不同水泥掺量下的最佳含水率与最大干密度的圆柱体试样S0、S1、S2、S3（高为20 mm，直径为100 mm），将其放入烘箱中以30 ℃恒温干燥收缩。干燥前3 h，每隔0.5 h测定一次试样的质量，使用游标卡尺测量试样在干燥过程中尺寸（直径和高度）变化。同时，干燥过程中定时拍照，用于图像处理试样表面裂缝。采用ZBL-F101型裂缝宽度观测仪测量相同时刻试样径向与轴向出现的最大裂缝宽度，干燥过程中因其表面裂缝较多，只标记其中典型裂缝宽度的变化过程。土样质量若在2 h之内没有变化，则认为试样收缩已结束。试样与试验装置如图2所示。

2 改良红粘土击实特性

根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）对水泥掺量分别为 0%、1% 、2% 、3% 的红黏土进行标准击实试验，击实曲线如图3所示。由图3不难看出，随着水泥掺量的变化，未显著影响红黏土的击实曲线特征。以最佳含水率为界，干密度对含水率的敏感性基本未随水泥掺量的改变而有明显的变化。即水泥的掺入改变了最佳含水率与最大干密度的数值而不会改变击实特性发展规律。

不同水泥掺量下试样的最大干密度与最佳含水率见表1。

改良红黏土最大干密度与最佳含水率随水泥掺量的变化规律如图4所示。改良红黏土试样随着水泥掺量的增加，最大干密度减小，最佳含水率增加;水泥掺量为1%时改良红黏土最大干密度下降0.52%，最佳含水率增大了0.1%;水泥掺量为2%时改良红黏土最佳含水率与最大干密度达到峰值其最大干密度减小了4.7%，最佳含水率增大了2.6%;水泥掺量为3%时改良红黏土的最大干密度减小了4.1%，最佳含水率降低了1%。从试验结果可以看出最大干密度与最佳含水率随着水泥掺量的变化呈S曲线形趋势变化。由于水泥的掺入，提高了土体整体的黏结力，击实过程中部分击实功被土颗粒间的黏结力消耗，使最大干密度出现下降趋势。水泥越多，水泥水化吸收的水分也越多，用于密实土体的水分减少，导致最佳含水率出现增长趋势。

3 改良红黏土收缩特性研究

基于改良红黏土击实试验，制备最佳含水率与最大干密度的4个（S0、S1、S2、S3）试样进行收缩试验，试样的基本参数如表2所示。

为了分析试样收缩特性，利用失水率ω、径向线缩率[εr]、轴向线缩率[εa]以及体积收缩率[εv]等指标表征其收缩特性，具体指标定义见表3。

3.1 改良红黏土收缩试验结果

试样失水率随干燥时间的变化规律如图5所示。试样在最佳含水率与最大干密度的情况下，4个试样的失水曲线具有相似的趋势。试样在初始干燥阶段失水较快，呈线性变化趋势，随着干燥时间的延续，水分蒸发速率逐渐减缓，最终趋于稳定。

由图5可将各失水曲线随干燥时间的变化分为线性失水阶段、非线性失水阶段以及失水停滞阶段。其中线性失水阶段（0～10 h）试样水分快速减少，此阶段水分减少主要以試样表层部分的水分为主。非线性失水段（10～45 h），此阶段内试样在毛细作用下内部的水分不断地向试样表层输送，随着土体内部水分的减小，失水率呈现逐渐降低的趋势。失水停滞阶段（45～65 h）随着失水速率的减小，试样逐渐达到收缩稳定状态。经过65 h的恒温干燥，初始含水率为13%的2个试样[S0]，[S1]的失水率较小，且失水曲线几乎重合。由于试样[S2]的初始含水率为15.7%，因此相应的失水率也最大，4个试样的失水率大小关系为[S2>S3>S0>S1]。

试样失水率随干燥时间变化关系采用指数函数进行拟合，其方程为：[y=a×（1-bx）]，式中x为干燥时间;a，b为常数。

不同水泥掺量下改良红黏土在最佳含水率与最大干密度时径向线缩率、轴向线缩率及体积收缩率随干燥时间变化关系如图6所示，4个试样的收缩规律基本相同。试样在初始干燥阶段收缩较快，呈线性变化趋势，随着干燥时间的延续，收缩速率逐渐减缓，最终趋于稳定。收缩曲线斜率反映了试样收缩速率的大小，收缩曲线斜率越大，试样收缩达到稳定状态所需时间越短。

由图6各收缩指标随干燥时间的变化规律可见，收缩变形主要分为线性收缩阶段、非线性收缩阶段以及收缩停滞阶段。其中线性收缩阶段，原在土体孔隙中占据着一定体积的自由水通过微孔隙不断向外运动，单位时间土体表面水分蒸发速率基本不变，试样水分蒸发量基本相同，收缩曲线呈直线变化。非线性收缩阶段，随着含水率的持续减小，试样孔隙中自由水逐渐减少，导致土体颗粒间相互作用力增强，土体结构强度变大，使土体的抗变形能力也得到提高，收缩曲线斜率逐渐减小。收缩停滞阶段，土颗粒之间的联接力达到最大，结构状态最为密实，土体内部的水分基本蒸发完毕，土体收缩达到最终的稳定状态。

改良红黏土试样径向线缩率、轴向线缩率及体积收缩率随干燥时间变化关系采用指数函数进行拟合，其方程为：[y=a×（1-bx）]式中x为干燥时间;a，b为常数。

图7为水泥掺量不同的4个试样径向线缩率与轴向线缩率随水泥掺量变化趋势。由图可知，试样轴向与径向线缩率差别较大，试样轴向收缩均大于径向收缩，由此可见，改良红黏土的收缩具有各向异性的特点。

为定量描述水泥改良红黏土的收缩特性，引入收缩潜势与各向异性来评价土体收缩。用线性伸长系数（COLE）来描述黏土的收缩潜势，用几何因子[rs]评价土体变形的各向异性[11-13]，收缩潜势如式（1）所示。

表4为不同水泥掺量的试样达到最终稳定状态时线性伸长系数与几何因子。4个试样的线性伸长系数均在0.02左右小于0.03，土体具有低收缩势能。试样的几何因子rs均小于3，表明土体收缩具有一定的各向异性且土体收缩以轴向收缩为主。本文制备的试样形状为圆柱体，其边缘部分水分易蒸发，从而使土体产生收缩变形。由于土体内部的水分得不到及时的蒸发，造成了圆柱体试样呈现出“内凸外凹”的现象，在这一过程中试样轴向收缩占据了主导作用。在工程应用中为改良土体收缩，可添加适当的水泥，此外，在工程设计过程中，也应考虑土体收缩各向异性的特点。

不同水泥掺量下试样的线性伸长系数与几何因子的变化如图8所示。线性伸长系数越大其收缩潜势越高，则表明试样易产生收缩。几何因子越大表明试样收缩各向异性越强。由图可知，水泥掺量为2%的试样线性伸长系数与几何因子大于1%、3%的试样，这是由于土体收缩过程中受初始含水率的影响较大。几个试样中水泥掺量为2%的试样最佳含水率最大。

3.2 改良红黏土收缩裂缝的发展规律

干燥收缩过程中定时拍照，试样的表面裂缝分布如图9所示。由于篇幅限制仅列出[S0]，[S1]试样的表面裂缝演化图像。干燥初期试样表面均开始出现裂缝，分别位于试样的圆心以及边缘，且试样的裂缝细而少。随着干燥时间的延续，试样表面裂缝逐渐扩展、贯通，其宽度也逐渐增大。干燥后期，试样表面没有新的裂缝产生，且已产生的裂缝逐渐变窄，部分裂缝出现闭合的现象。

为定量分析试样裂缝的发展规律，借助MATLAB软件的图像处理功能对裂缝图像进行二值化处理，提取相关参数，引入裂缝长度、裂隙率与分形维数等指标来定量分析试样裂缝特征。图像处理过程如10图所示。

试样表面裂缝的特征参数，裂隙率与分形维数定义见表5。

不同水泥掺量下试样收缩稳定后裂缝特征值及随水泥掺量变化规律如表6，图11所示。从表6可以看出，水泥掺量为1%、2%、3%的3个试样表面裂缝的总长度、裂隙率以及分形维数均小于水泥掺量为0%的试样。水泥与红黏土的混合，使其发生了离子交换作用，形成水泥红黏土的团粒结构，提高了红黏土的强度，改善了红黏土的水敏性，较好地抑制了红黏土的收缩开裂[14-16]。

由图11可知，试样的裂缝总长度、裂隙率与分形维数随水泥掺量变化呈横向“S”形曲线。试样的水泥掺量为1%，3%时裂缝总长度、裂隙率与分形维数相对较小，这是由于水泥掺量为1%，3%试样的收缩潜势与各向异性较小。而水泥掺量为2%的试样最佳含水率大于1%，3%水泥掺量的试样，收缩潜势与各向异性较大，导致其裂缝总长度、裂隙率与分形维数出现变大的情况。总体而言，水泥改良红黏土试样的裂缝总长度、裂隙率及分形维数均小于未掺入水泥的试样。

图12，图13为采用ZBL-F101裂缝宽度观测仪测量试样正面与侧面的最大裂缝宽度随干燥时间的变化规律。试样在最大干密度与最佳含水率的条件下，正面与侧面裂缝随着干燥时间的延长呈先增大后减小最后趋于稳定的规律。水泥改良红黏土试样的正面裂缝宽度小于未掺入水泥的试样，这与MATLAB图像分析结果一致。

结合改良红黏土收缩特性与裂缝的发展规律可知水泥掺量为1%，3%时对红黏土收缩指标与裂缝特征参数的改良效果显著。考虑到现场实际的成本效益，水泥掺量不宜过大，在工程设计过程中可掺入1%水泥改良红黏土收缩。

4 结论

本文對比分析了内蒙古地区水泥改良红黏土的击实与收缩特征并结合MATLAB图像处理软件进一步阐释了改良红黏土裂缝形态的变化规律，得出以下结论。

1）随着水泥掺量的变化，未显著影响红黏土的击实曲线特征。以最佳含水率为界，干密度对含水率的敏感性基本未随水泥掺量的改变而有明显的变化。

2）试样在最佳含水率与最大干密度的情况下，4个试样的失水曲线具有相似的趋势。最初试样的水分蒸发迅速，随着干燥时间的延长水分蒸发量逐渐减少，最终趋于稳定。4个试样失水率的大小关系为[S2>S3>S0>S1]。

3）改良红黏土试样径向线缩率、轴向线缩率及体积收缩率随干燥时间变化关系可采用指数函数进行拟合，其方程为：[y=a×（1-bx）]式中x为干燥时间;a，b为常数。定量分析试样的收缩特性，可知4个试样的线性伸长系数COLE均小于0.03，土体具有低收缩势能。试样的几何因子rs均小于3，表明土体收缩具有一定的各向异性，且以轴向收缩为主。

4）采用MATLAB图像软件对试样表面裂缝的演变过程进行分析，试样裂缝最早出现在边缘随后向中心延伸。定量分析试样裂缝特征参数可知，水泥改良红黏土裂缝的总长度、裂隙率以及分形维数均小于未掺水泥的试样。水泥的掺入会在一定程度上抑制红黏土收缩变形，其中水泥掺量为1%，3%时对红黏土收缩指标与裂缝特征参数的改良效果显著。考虑到工程成本控制，可掺入1%水泥改良红黏土收缩。

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