赤水红层残积土复掺改良工程特性及微观机理

翟茂帅; 杨根兰; 李赛东; 陈帅; 杨涛

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503169

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4066-4077 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503169

天文学、地球科学

赤水红层残积土复掺改良工程特性及微观机理

翟茂帅 ¹ ,
杨根兰 ¹^,²^,^* ,
李赛东 ¹ ,
陈帅 ¹ ,
杨涛 ¹

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Engineering Properties and Microscopic Mechanisms of Composite Admixture-modified Residual Soil in Chishui Red Beds

ZHAI Mao-shuai ¹ ,
YANG Gen-lan ¹^,²^,^* ,
LI Sai-dong ¹ ,
CHEN Shuai ¹ ,
YANG Tao ¹

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摘要

红层残积土具有高液限、低强度、强胀缩性等特征,在工程中不能直接作为填料。通过多种改性材料预掺,高效材料复掺,最终提出采用生石灰+灰木质纤维作为外掺剂对其进行改良。通过对不同掺量下的试样开展剪切试验、加州承载比(California bearing ratio, CBR)贯入试验、压汞试验和扫描电镜试验等,分析生石灰+灰木质纤维对土体宏观力学和微观孔隙的改良机制。结果表明:改良土剪切强度和黏聚力均随生石灰掺量的增加先增大后减小,最优改良掺量4% 灰木质纤维+4%生石灰;孔径分布显示,改良土大孔隙和微孔隙比例增加,中孔隙减少,其他孔径占比起伏稳定;基于PCAS软件的电镜扫描分析,改良土较素土孔隙及层间裂隙减小,团粒间胶结能力增强,结构稳定。

Abstract

The red-bed residual soil has the characteristics of high liquid limit, low strength and strong expansion and contraction, which cannot be directly used as filler in the project. Through a variety of modified materials pre-mixing, high-efficiency materials re-mixing, and finally proposed to use quicklime-ash wood fiber as an external mixer to improve it. By carrying out shear test, CBR (California bearing ratio) penetration test, mercury pressure test and scanning electron microscope test on specimens with different dosage, the improvement mechanism of quicklime-ash lignocellulosic fibers on the macro-mechanics and micro-porosity of the soil was analyzed. The results show as follaos. The shear strength and cohesive strength of the modified soil increase and then decrease with the increase of lime dosage, and the optimal dosage of modified soil is 4% ash wood fiber + 4% quicklime. The pore size distribution shows that the proportion of large pores and micropores in the modified soil increases, the medium pores decrease, and the proportion of other pores fluctuates steadily. Based on the electron microscope scanning analysis by PCAS software, the pore space and interlayer fissures of the improved soil are reduced compared with the vegetative soil, and the inter-agglomerate cementation capacity is enhanced and the structure is stabilized.

Graphical abstract

关键词

红层残积土 / 生石灰+灰木质纤维 / 干湿循环 / 剪切强度 / 微观机制

Key words

red bed residual soil / quicklime-gray wood fiber / dry-wet cycles / shear strength / microscopic mechanis

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翟茂帅, 杨根兰, 李赛东, 陈帅, 杨涛. 赤水红层残积土复掺改良工程特性及微观机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4066-4077 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503169

ZHAI Mao-shuai, YANG Gen-lan, LI Sai-dong, CHEN Shuai, YANG Tao. Engineering Properties and Microscopic Mechanisms of Composite Admixture-modified Residual Soil in Chishui Red Beds[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4066-4077 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503169

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红层残积土作为热带、亚热带地区广泛分布的特殊土类,经常在工程中作为路基填土。但其具有高液限、低强度、强胀缩性等特征,直接应用会导致路基承载力不足,给工程带来挑战^[1-3]。在湿热气候条件下,土体经历频繁的干湿循环后,其物理力学性质显著劣化,表现为抗剪强度衰减、胀缩性增加,从而导致边坡失稳、路基沉降等工程灾害^[4-5],因此对红层残积土改良尤为重要。

对红层残积土传统的改良方法已有较多研究成果^[6],如掺入石灰^[7]、水泥^[8-9]、木质素纤维^[10-11]等材料对土体进行改良,其具体的改良原理存在差异,但都实现了不错的效果。然而,单一改良剂虽能短期提高土体强度,但长期耐久性不足,且易引发环境问题。王帅等^[12]发现水泥改良红砂岩土虽能提升峰值强度,但其弹性模量随循环次数增加呈非线性衰减;朱文羲等^[13]指出微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial-Induced carbonate precipitation, MICP)可增强花岗岩残积土的抗剪强度,但多次干湿循环会导致生物矿化产物溶解,加剧土体结构破坏。此外,红层残积土特有的高孔隙率与矿物成分使其在水分迁移过程中更易发生膨胀-收缩变形,进一步加剧力学性能劣化^[14]。因此,开发复掺改良技术以协同调控微观结构与宏观力学响应,成为提升红层残积土耐久性的关键。复掺改良技术通过组合不同功能的外加剂,如纤维、水泥、工程废弃土、纳米材料等,可协同优化土体性能^[15-16],如水泥-粉煤灰复掺可通过火山灰反应提升砂土的水稳性^[17];纤维增强可有效抑制土体开裂,增强承载比(California bearing ratio, CBR)值,减小土体收缩率^[18]。而随着工业生产规模不断增大,木质纤维等废弃物大量积累,为残积土改良创造了经济和可持续条件^[19]。

因此,现通过多种改性材料预掺,高效材料复掺,对改良红层残积土进行剪切试验、干湿循环剪切试验,并结合CBR试验评判其路用承载性能,最后利用扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)试验、压汞试验,分析微观结构特征,揭示复掺改良条件下红层残积土力学性能和抗干湿劣化能力的改良机制,为红层地区路基填方及灾害防治提供理论参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验所用土样取自赤水市元厚镇一处土坡,105°54'18.650 0″E, 28°23'14.413 6″N,坡高约6 m,土体高软化、胶结差、黏聚力小。将土样取回实验室进行风干,去除石头,草根等杂质,烘干磨碎后过2 mm筛,测得土样基本物理指标,如表1所示。对土样进行颗粒级配试验,红层残积土颗粒级配曲线如图1所示,根据《土的分类标准》(GB/T50145—2007)^[20]判定红层残积土为含细粒砂土。

根据绿色可持续,低成本、高效率的原则,试验选用改性材料为粉煤灰、灰木质纤维、木质素磺酸钙、灰木质纤维、白木质纤维、生石灰6种。

1.2 试样制备

将试验所用红层残积土初筛,去除碎石、草根杂质,放于烘箱中干燥,质量变化小于0.01 g 时,可认为完全干燥,将烘干土碾碎后过2 mm 筛备用。因赤水气候湿润,土体含水率常常超过最优含水率,因此,设置改良土初始含水率为18.5%、密度为1.8 g/cm³,以研究土体较高含水率下的抗剪强度变化。取过2 mm筛土样,分别掺入粉煤灰、灰木质纤维、木质素磺酸钙、稻草灰、白木质纤维、生石灰制成单掺改良土,具体配比如表2所示,按照密度1.8 g/cm³、含水率为18.5%以静压法制取环刀样,进行快速直剪试验。

根据直剪试验所得数据,得出生石灰、灰木质纤维两种材料的改性效果最为优异。取过2 mm筛土样,分设生石灰质量分数1%、4%、7%,灰木质纤维质量分数1%、4%、7%复掺制成复合改良土,充分混合后以上述方式制取环刀样,并制作18.5%含水率素土环刀样为对照组,进行剪切试验。依据生石灰、灰木质纤维复掺试验结果,以最优灰木质纤维掺量复合质量分数1%、4%、7%、10%制成复合改良土并制取环刀样,进行干湿循环剪切试验,其余土样参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[21]用于击实试验,每种配比分设5个含水率,确定其最优含水率和最大干密度。所做试样均用保鲜膜密封静置处理,使水分分布均匀。CBR 试样制备,试样参照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)^[22],对4%生石灰+4%木质纤维最优配比下改良土的最优含水率26%配制土样,并增设改良土含水率21%、16%、素土最优含水率16% 3组土样进行对比,采用分层击实法制样,试样制备完成后,将试筒泡水96 h以上,每组含水率下制备3个试样。

1.3 试验内容

先进行单掺改良土快速直剪试验,试验采用南京土壤仪器厂ZJ型四联应变控制直剪仪,荷载为100 kPa,剪切速率为4 r/min。后进行复合改良土剪切试验以及干湿循环下剪切试验,试验仪器同上,因改性后土体强度较大,故设置竖向荷载100、200、300、400 kPa下进行。击实试验采用重型击实仪,由于试验土样含水率并不高,故采用干法击实。承载比试验试验采用北京路达路业试验仪器有限公司生产的CBR-3型承载比试验仪升降台由伺服电机控制,贯入速度为1 mm/min,压实度控制在 96%以上,击实次数依层分别为30、50、98击。最后对素土以及最优配比4%生石灰+4%木质纤维掺量的改良土行压汞试验、SEM扫描电镜试验和XRD 试验,观察未改良和改良土的孔隙特征变化、物质成分变化和微观结构。

干湿循环是将制作好的土样放在透水石上以电动喷水壶均匀喷洒的方式增湿至20.5%(雨季时期),喷洒次数为4次;然后将试样放入40 ℃烘箱低温烘干至10.5%,至此为一次干湿循环。干湿循环次数设定为7次,干湿循环过程如图2所示。

2 改良土的工程特性

2.1 单一改性剂对红层残积土抗剪强度的影响

多种改性材料预掺应力应变曲线如图3所示,结果表明,白木质纤维、稻草灰及木质素磺酸钙对土体抗剪强度的增强效果较为有限,尤其在低掺量条件下,部分材料甚至表现出强度弱化趋势。除粉煤灰外,其余改性材料的抗剪强度均随掺量增加呈正强化趋势,以4%掺量水平下与素土抗剪强度对比,白木质纤维改良后土体强度提升了4.3%,木质素磺酸钙提升了5.9%,灰木质纤维提升了16.6%。而稻草灰与粉煤灰则分别导致土体强度下降10.6% 和1.9%,其中,生石灰的强度提升效果最为显著,达24.5%。综合试验结果可知,灰木质纤维与生石灰对土体强度的改良作用最为突出。为探究综合改良的最优配比方案,采用复掺的方法,进一步分析生石灰与灰木质纤维不同配比对土体抗剪强度的影响规律。

2.2 复掺剂对红层残积土工程特性的影响

2.2.1 生石灰-灰木质纤维复掺掺量对改良土抗剪特性影响

根据单掺抗剪强度试验结果,选择生石灰、灰木质纤维组合,发挥各自的化学,分子组合优势进行复掺改良。生石灰、灰木质纤维基本物理指标如表3和表4所示。

未改良素土及不同灰木质纤维掺量与生石灰掺量复掺下的抗剪强度如图4和图5所示,由荷载-抗剪强度求得黏聚力及内摩擦角如表5所示。由图4和图5可以看出,随着灰木质纤维和生石灰的加入,改良土抗剪强度大幅提升,其中4%灰木质纤维掺量下,抗剪强度效果较为优异,在4%灰木质纤维掺量与4%生石灰掺量下达到最大值108.8 kPa。由表5不难看出,相较同为18.5%初始含水率下的素土,内摩擦角变化不大,在4%灰木质纤维掺量与4%生石灰掺量下达到最大值12.4°,较素土增加了2.1°;而对黏聚力增加明显,其中7%灰木质纤维掺量与7%灰木质纤维掺量两组改良土提升显著,且7%灰木质纤维掺量与4%灰木质纤维掺量的改良效果差距不大。在整体改良过程中,两种改性材料对内摩擦角提升较小,因此,在改性配比中主要考虑黏聚力的提升,在考虑低成本、高效率的情况下,选择4%木质纤维为最优掺量。

2.2.2 生石灰掺量对改良土击实特性影响

以灰木质纤维最优掺量4%与生石灰掺量为1%、4%、7%、10%混合进行击实试验,每种配比分设5个含水率,最优含水率和最大干密度如图6所示。基于标准击实试验结果,含有4%木质纤维的改良土体表现出显著的石灰掺量-物理特性关联性。当生石灰掺量分别为1%、4%、7%和10%时,试样的最优含水量呈现规律性递增,对应值为23.6%、26.0%、28.4%和30.8%;而最大干密度则呈现递减趋势,最大干密度分别为1.53、1.52、1.50、1.43 g/cm³。

随着生石灰增加,一方面CaO的水解反应生成Ca(OH)₂胶体,另一方面通过火山灰反应与黏土矿物中的活性SiO₂、Al₂O₃形成硅酸钙凝胶(C-S-H)和铝酸钙凝胶(C-A-H)等胶结产物^[23]。这些次生矿物将离散土颗粒胶结成直径50~200 μm的团粒体,虽然提升了介观尺度的结构完整性,但同步形成的内部孔隙网络显著改变了土体三相组成,新团粒内部孔隙的增长远大于单一颗粒聚合的致密效果,整体孔隙体积增加,从而导致最大干密度减小。另外,由于石灰比表面积大,且新团粒孔隙增加,水分子进入促进了CaO水解故最优含水率增大^[24]。

2.3 干湿循环作用对改良土的影响

2.3.1 干湿循环对改良土抗剪强度影响

固定4%灰木质纤维掺量下,不同生石灰配比改良土在干湿循环下的抗剪强度如图7所示,对比图4可以看出,随石灰掺量的增加,试样初始抗剪强度增大。低掺量组1% 生石灰下试件抗剪强度随循环次数呈单调衰减趋势。中掺量组4%和7%生石灰掺量下,试件表现出先强化后劣化的双阶段特征,前3次循环中胶结作用主导,强度分别提升8.3%和4.5%,后续循环阶段胶凝产物溶解效应显现,强度出现劣化,且7%生石灰掺量的劣化速率大于4%生石灰掺量,与石灰改良土的双重时效特性相符。高掺量组10% 生石灰掺量试件抗剪强度持续衰减,由于高石灰含量形成的刚性结构更易产生不可逆损伤,加速胶结体崩解过程。抗剪强度结果表明,石灰掺量对改良土的水稳性具有阈值效应,4%~7%掺量区间能形成相对稳定的胶结体系,而极端掺量(≤1%或≥10%)试件在干湿循环作用下均呈现加速劣化特征。

2.3.2 改良土剪切强度参数变化规律

与图7结果一致,低掺量组1%生石灰掺量和高掺量组10%生石灰掺量的试样随干湿循环次数的增加黏聚力呈线性单调递减,如图8所示,中掺量组4%和7%生石灰掺量下,黏聚力表现出先强化后劣化的双阶段特征。在黏聚力与生石灰关系中,改良土黏聚力随生石灰掺量增加呈现先增大后减小,如图9所示,说明对提升改良土黏聚力来说,石灰存在最优掺量,最优掺量范围为4%~7%,7次循环后黏聚力损失情况如表6所示,4%石灰掺量试样表现出最优耐久性,其残余黏聚力较1%组提升48.4%,总损失量降低45.5%,这验证了“胶结强化-结构稳定”的协同效应。

干湿循环作用对不同配比改良土的内摩擦角影响不大。随干湿循环次数的增加,内摩擦角变化幅度均在1°或1°以内,如图10所示。而相较于干湿循环,内摩擦角与石灰掺量成正比,随着石灰掺量增加,内摩擦角逐渐增大,如图11所示,在1%与4%生石灰掺量间,斜率最大,内摩擦角增长明显,4%生石灰的内摩擦角大于1%生石灰。且4%石灰与7%石灰内摩擦角13.6°相差不大。因而,综合上述研究,4%石灰为最优掺量,在7次干湿循环后仍能保持较高黏聚力。将4%生石灰+4%灰木质纤维作为红层残积土改良的最优配比。

2.4 改良土路用性能测试

对4%生石灰+4%木质纤维配比改良土的浸水试验结果如表7所示,素土浸水后的读数下降,这是因为受荷载板作用,土中的细微粒崩解浸出并悬浮、沉积在水箱内,导致多孔板下降、读数减小,这也验证了红层残积土的劣化型软化特性。膨胀率与击实次数成负相关,而初始含水率的提高会导致膨胀率下降。这一现象可归因于低初始含水率的土体中,土体颗粒与石灰的相对比例更高,由石灰颗粒与木质纤维构成的骨架结构在吸水后产生主要的膨胀体积,从而在一定程度上抑制了土体软化崩解过程。由表7中的结果可以看出,经改良后的试样在不同含水率条件下的膨胀率均能满足路基填土的规范要求。

如图12所示,素土在较高压实度条件下的 CBR强度仅为 2.1,无法直接作为路基填筑材料使用。经改良后的土体承载比呈现出与击实功正相关、与初始含水率负相关的变化规律。当含水率控制在 16% 时,改良土较素土的CBR强度提升幅度高达约30倍。即使在 26% 的高含水率条件下,采用较低击实功制备的试样仍能达到8%的CBR强度指标,完全满足规范对湿润地区路基填料的强度要求。

3 改良土固化机制及微观特征分析

3.1 固化机制

素土和改良土的XRD试验结果如图13所示。相较素土而言,改良之后土体中黏土总量下降12%,这是因为生石灰中的Ca²⁺产生的离子交换作用促进黏土矿物团聚,同时,碱性环境下引发了蒙脱石等矿物的溶解。石英含量增加约16%,一方面,生石灰的添加显著提高土壤pH,在碱性条件下(pH>10),石英(SiO₂)表面可发生部分溶解,生成可溶性硅酸盐(

${\mathrm{H}}_{3}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{4}^{-}$

),这一过程在高温或长期养护中更为显著。另一方面生石灰中的CaO、MgO等与水发生水化反应生成Ca(OH)₂和Mg(OH)₂,该过程不仅消耗了大量自由水,还通过形成胶凝物质改善了土体湿软特性。而碱性环境促使活性二氧化硅(SiO₂)和铝矿物(Al₂O₃)发生分解,与氢氧化钙发生火山灰反应生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化铝酸钙(C-A-H)。这些胶凝产物以絮状结构包裹土颗粒表面,通过物理-化学黏结作用填充孔隙裂隙,其化学反应式为

(1)CaO+H₂O→Ca(OH)₂

(2)MgO+H₂O→Mg(OH)₂

(3)Ca(OH)₂+SiO₂+H₂O→CaO·SiO₂·2H₂O

(4)Ca(OH)₂+Al₂O₃+H₂O→CaO·Al₂O₃·2H₂O

而改良剂中的碱性物质CaO等促使钾长石溶解,释放K⁺进入溶液,钾长石含量下降70.7%。此外,改良土中方解石和白云石等碳酸盐矿物显著增加,表明生石灰的添加,其碳化作用不仅提升土壤pH,还通过胶结作用优化颗粒结构。总的来说,矿物相转变直接改善了土壤工程性质,黏土减少降低膨胀性,碳酸盐的增长出现,提升了土体稳定性和力学性能。

3.2 微观结构

3.2.1 改良土孔隙分布

如表8所示,土体改良后孔隙率增大,总孔容扩大,体积密度降低,平均孔径减小18.7%,说明改良效果较好。

改良土累计进汞量随压力升高递增,如图14所示。当压力< 0.01 MPa时,素土与改良土进汞差异较小,而随着压力增大,改良土进汞量低于素土,>10 MPa时,改良土进汞量大于素土,总体说明改良土较素土中孔减少,小孔和微孔含量增加。从孔径分布特征曲线如图15所示,改良土对50~1 000 μm孔径的孔隙含量影响较小。随着孔径减小,改良土与素土曲线差异逐渐显现,最大纵坐标偏差出现在1 μm处,差值达21%。整体曲线呈现区段特征为>10 μm区间孔隙占比约30%,斜率平缓;3.5~100 μm区间斜率骤增,为主要孔隙发育区;<3.5 μm区间斜率逐渐降低,孔隙含量增速趋缓,其中孔径<0.05 μm区间斜率最小,孔隙占比最低。

不同孔径孔隙百分比含量分布如图16所示,改良土孔隙分布整体较为离散,未呈现明显的集中峰,仅在0.2~2.8 μm存在微弱集中趋势(峰值1.6 μm,占比约2.7%);改良后14~50 μm区间孔隙占比显著增加,0.01~1 μm区间占比减少,而3~14 μm孔径区间存在孔隙缺失现象,与素土曲线特征一致,表明该区间改良影响最小。

基于分形理论分析(图17)可知,改良土孔隙结构存在与素土一致的分形特征点,当孔径>27 μm 时曲线斜率趋于稳定,对应素土大孔划分标准(25 μm);孔径 < 0.05 μm 时曲线斜率再次稳定。中间孔径(0.05~27 μm)区间的分形维数变化显著,孔隙自相似性较差,这一特征验证了素土孔径划分标准对改良土的适用性。

划分后的改良土孔径孔隙占比如图18所示,土体改良后,孔隙组成发生显著变化。微孔隙(<0.05 μm)含量增加1%,大孔隙(>25 μm)和中孔隙(25~3.5 μm)分别增加5%和减小21%,小孔隙(3.5~0.05 μm)含量增加15%。这种变化主要源于生石灰(CaO)遇水生成Ca(OH)₂,释放钙离子(Ca²⁺),与土壤中有机质等发生阳离子交换,形成钙桥(Ca-O-Si或Ca-O-Al键),增强颗粒间的胶结,这一过程将原有中孔隙分割为更细小的孔隙。另外,灰木质纤维碳化后的细小颗粒填充中孔隙间隙,增加微孔隙和中孔隙的形成。对于大孔隙的增加,一是钙离子与有机质结合形成的大团聚体内部包含大孔隙,二是碳化木质纤维本身具有蜂窝状孔隙结构(>25 μm),直接贡献大孔隙。

3.2.2 SEM图像解析

基于刘春等^[25]开发的PCAS分析,从图19可知改良土体孔隙粗糙,孔洞大,层间裂隙明显,土体松散。改良后的土体呈现均匀致密的微观结构,表观孔隙变小,这与压汞试验结果一致。石灰土吸水膨胀产生的热效应促使土颗粒与木质纤维形成紧密嵌合结构^[26],显著提升了土体强度和黏聚力。其中,木质纤维在反复胀缩中发生表面粗化,如图20所示,增大了纤维-土颗粒界面摩擦系数,同时纤维分散形成的网状结构增强了土体整体性^[27-29]。

4 结论

通过对多种改性材料预掺,高效材料复掺改良红层残积土,开展宏观力学试验和微观力学试验,结合两者的变化规律,多尺度分析不同生石灰-灰木质纤维掺量下改良土的力学性能以及在干湿循环下的抗劣化能力,得出以下结论。

(1)生石灰-灰木质纤维的掺入显著提高了改良土宏观力学性质,其黏聚力与抗剪强度随着生石灰-灰木质纤维掺量的增加表现出先增大后减小,在干湿循环中,低掺量组1%和高掺量组10%的抗剪强度黏聚力随循环次数增加而减小,中掺量组4% 和7%则随循环次数增加呈现出先增大后减小,红层残积土最优改良掺量为 4%灰木质纤维+ 4%生石灰。

(2)改良土路用性能测试表明,改良土较素土的 CBR强度提升幅度最高达约30倍,完全满足规范对湿润地区路基填料的强度要求。

(3)对素土和改良土进行压汞分析,改良土孔隙率增大,总孔容扩大,体积密度降低,平均孔径减小18.7%。孔径分布显示,改良土大孔隙和微孔隙比例增加,中孔隙减少,其他孔径占比起伏稳定。

(4)基于PCAS电镜扫描分析,改良土微观结构较为均匀致密,表观孔隙变小,土体纤维加筋作用得到体现,有效提升了土体强度和黏聚力。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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基金资助

贵州省基础研究计划(ZD[2025]007)

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Received	Published	Revised
2025-04-30	2026-04-08	2025-12-31
Online Date
2026-05-28

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