纳米碳酸钙影响下红黏土界限含水量及塑性指数的试验研究
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红黏土是在特定的气候环境下，通过复杂的红土化作用形成的，红黏土在构成过程中经过了风化作用、微团粒化作用、成土作用等，其具有较为特殊的物理力学性质[1]。红黏土
大多存在于热带和亚热带湿热天气环境，其风化水平较高。红黏土这一特殊土主要分布于我国的南方地区，其中最为典型分布地为贵州、云南和广西等地；在四川盆地的南部和东部、广东北部、安徽南部和浙江西部、湘西、湘南、和浙西等地也是红黏土的分布地域。由于风化程度和侧向化程度的差别，红黏土的物理、力学性质和工程特性在不同的地区会有不同的性质表现。桂林作为我国最为典型的红黏土分布地区之一，其红黏土相比其他地区，具有高含水率、高塑性、高孔隙比的特点，并且其含有较多有机物等。
红黏土由于其特殊的工程性质（高含水率、高孔隙比等），在工程建设中经常会造成诸多工程危害，比如路基塌陷、边坡胀裂、水库渗漏等工程问题。为了减轻红黏土对工程建设的危害程度，对红黏土的处置方法大概分为物理改良、化学改造和弃土换填等。许多研究学者通过对红黏土的改良进行了卓有成效的研究。罗斌和赵雄等人[2]在嘉宁公路等试验段采用土中掺碎石，从而改良了红黏土的密实度和抗压强度，实证了其在公路建设方面的可行性；杨俊和黎新春等人[3]将风化砂加入高液限红黏土，
研究得出了用风化砂改良红黏土的最佳掺配率的方法；刘宝臣和李晓全等人[4]通过在红黏土中掺入水泥的过程来提高红黏土的抗压强度，分析和研讨了提升红黏土强度的规律。陈学军和胡舒伟等人[5]通过不固结不排水三轴压缩试验，研究了在不同的干密度下超细碳酸钙不同掺和比对桂林红黏土的力学性质的影响，得出了桂林红黏土随着超细碳酸钙百分比的增加，其力学性质先降低后增加的结论。
在实际的工程建设中，液限与塑限是两个决定工程特性的极其重要的基本参数。液塑限可以反映黏性土中由离散状态到塑性状态结束，并开始转变成流动状态的过程。对于红
黏土而言，土中可动层的大小决定着颗粒间的距离，影响着粒间连接的强弱状态，而粒间连接力的大小又与土的抗剪强度紧密相连；颗粒间的距离大小决定着红黏土的密实度，其主要体现在天然密度、孔隙比和比重等几个物理指标[5]。可以看出液塑限反映了黏性土的物理力学性质。塑性指数是黏性土中有着重要意义的参数，一方面可以较合理地说明黏性土的构成，另一方面也能反映出土的类型和评估。对于液限、塑限及塑性指数这3项基本的物理性质指标，其中，液限和塑性指数对于判断土的物理、力学等性质更为准确，两者间的关联也有着非常的紧密的联系。因此，国内外的专业研究人员及学者在研究土的类别和土的性质时，经常采用塑性指数或液限作为土类型的评判指标。
红黏土在我国的分布十分广泛，在现代建筑工程、公路工程及水利工程等工程中都会不可避免的遇到这类特殊土。因此，要研究纳米碳酸钙掺量对桂林红黏土界限含水量及塑性指数的影响，对红黏土试
样进行液塑限联合测定试验，并通过试验数据的全面分析，建立在掺入不同百分比的纳米碳酸钙后红黏土试样的液塑限及塑性指数变化趋势的关系，获取其相应的变化规律。通过研究外掺剂对红黏土的影响规律，一方面可以对于红黏土改性进行更深入的研究；另一方面对于解决红黏土地区存在的地基强度不够、路基下陷、边坡开裂等工程问题具有一定的参考和指导意义。
1试验过程
1.1材料选取
试验用土取自广西桂林电子科技大学花江校区附近的红黏土，泽呈棕红，天然含水率高，含较多杂质，需进行翻晒粉碎过筛。本次试验红黏土基本物理性质见表1。由表1可以看出，该红黏土的液限与塑限及塑性指数都不符合规范所规定的值，不能直接用作路基填料，也无法直接作为建筑地基的持力层。
纳米碳酸钙影响下
红黏土界限含水量及塑性指数的试验研究
林丽君
（桂林市建筑设计研究院，广西桂林541002）
【作者简介】林丽君，女，广西荔浦人，桂林市建筑设计研究院助理工程师，研究方向：土木工程项目管理。
【摘要】文章通过掺入不同百分比的纳米碳酸钙对红黏土试样进行液塑限联合测定试验，分
析了纳米碳酸钙掺量对红黏土界限含水量及塑性指数的影响。结果表明：掺入不同比例的纳米碳酸钙后，红黏土的液限、塑限及塑性指数呈现了不同的变化趋势。其中，随着纳米碳酸钙掺和比的增加，红黏土试样的液限和塑性指数有明显的下降，而塑限并未有显著变化。【关键词】红黏土；纳米碳酸钙；界限含水量；液塑限；塑性指数【中图分类号】TU446；TU411【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）07-0107-03
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纳米碳酸钙是指经人工加工后的碳酸钙颗粒，其粒径范围为100nm 以下，团聚粒度在0.10μm 。
1.2试样制备
先进行取土，翻晒土样，通过粉碎机进行粉碎过筛，将红黏土试样中的杂质筛分出来，然后测出其风干含水率w 0。加入纳米碳酸钙后，人工小心搅拌［若有m 重的风干红黏土，则其中土颗粒重为m +＝m /（w 0＋1），若纳米碳酸钙掺量为2%，则加入纳米碳酸钙的质量为m 纳米＝m +/（1/2%－1）］。用喷水壶均匀喷水，同时进行搅拌，搅拌至少30min 至均匀后，用保鲜袋或者塑料袋进行密封闷料12h 备用。
1.3试验方法
通过液塑限联合测定试验可得出土样的液限和塑限，用
来划分土类、计算液塑性指数等。本次试验选用GYS-2型数显式土壤液塑限联合测定仪，选取76g 质量的锥体。试验步骤如下：用橡胶锤将红黏土试样碾碎并过0.5mm 筛，取600g 红黏土试样按四分法分成大致均匀的3份。加入不同比例的水，让土样的含水率依次接近液限（a 点）、塑限（c 点）和a 、c 间的状态（b 点）。用调土刀搅拌均匀，用保鲜袋或塑料袋密封并放置一个晚上。
试验时，将仪器置于平整的实验台上，旋转水平旋钮，使水泡位于中心，装入76g 锥体，在锥尖涂抹适量的凡士林，试验前将锤体托起至待测处。将制备好的土样用调土刀进行搅拌，使其水分均匀，然后规范性地填入杯中，填入时应尽量使土样内的空气排出，并确保试杯内不留有空隙，然后用调土刀刮去杯口处多出的土样。将装有土样的试样杯放到仪器起落座上，缓慢地将待测处的锥体降下，当指
示灯亮起时说明土样已经刚好接触锥尖，应立即停止旋动，按“测量”按钮，使锥体落下，此时，仪器会发出“嘟嘟嘟”的声响，当测定时间结束，数字显示器上出现的数值即为5s 所测量的锥入深度。再次测量时，需将锥体再次向上托至待测处，顺时针方向旋转升降旋钮并移动试杯改变锤体跟试样碰触的位置，擦拭锤尖后，重新涂抹适量的凡士林，再按照以上步骤操作。两次平行实验锥落深度不得大于0.5mm [6-7]。
测量完入土深度后，将试杯中试样取出，对两处不同位置的土样进行含水率测量，当两个平行含水率差值大于2%时应重做或补点，并记录数据。剩余两个不同含水率的红黏土试样按照上述步骤进行试验。其他含有不同纳米碳酸钙掺量的土样依照上述步骤进行实验。由于液塑限联合测定试验具有一定的随机性（包括搬土均匀性、烘干的透彻性、搅拌均匀性等），对试验结果有着较多的影响，故相对于其他室内土
工试验而言，补点率或重做率较大。
本次液塑限联合测定试验应做组数为11组，一组所需平行试验4个。应得出数据44个。实际试验数据为52个，重
做试验8个。
2试验结果及分析
2.1液限结果分析
通过试验数据处理结果可以看出，红黏土试样的液限在55%～67%之间，属于高液限黏性土。伴随纳米碳酸钙掺和比的上升，该红黏土试样的液限呈现出显著下降的趋势，如图1所示，即随着纳米碳酸钙的掺量增加，红黏土试样达到液限所需要的含水量减少了，说明加入纳米碳酸钙后，在相同含水量下红黏土试样的流动性增大了。当纳米碳酸钙掺量由0增加至20%时，红黏土试样的液限下降幅度大致为12%。其中，掺量由0曾至10%时，曲线下降较缓，当掺量由10%增至20%时，曲线下降更为明显。
产生上述结果的原因：液限状态下，红黏土试样中的含水量较大，在掺入纳米碳酸钙后，纳米碳酸钙颗粒与红黏土颗粒充分结合在一起，而纳米碳酸钙颗粒具有细腻光滑的特点，并具有一定的流平性，会使试样颗粒表面细腻平滑，流动性增大。故在达到液限的相同锥入深度（17mm ）时，伴随纳米碳酸钙掺和比的上升，红黏土试样所需的含水量减小了。
2.2塑限结果分析
由液塑限试验数据处理结果可知，红黏土试样的塑限在29%～33%之间，属于高塑限土，即使纳米碳酸钙掺和比上升，也并未发生明显的变化趋势，如图2所示。
产生上述结果的原因是达到塑限时试样中的含水量并不多，纳米碳酸钙颗粒与红黏土试样颗粒并不能
很好地结合在一起，随着纳米碳酸钙掺和比的增加，大部分纳米碳酸钙颗粒依然是以单体形式存在，故对红黏土颗粒的原有结构不能产生足够大的影响。因此在塑限状态下相同锥入深度（2mm ）时，即使纳米碳酸钙掺和比的上升增加了，试样的塑限也并没有较大的变化情况。
风干含水率（%）最优含水率（%）最大干密度（g/cm ）
液限
（%）塑限（%）塑性指数（%）8.5
30.9
1.43
63.4
34.1
20.4
表1
红黏土的基本物理性质指标
图1纳米碳酸钙掺量对红黏土液限的影响（单位：%）
红
黏土液限
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2.3塑性指数结果分析
桂林建筑
塑性指数在性质指标上可以反映影响红黏土特点的各类主要因素。其中，塑性指数与黏土的颗粒、比表面积、黏粒亲水矿物含量及土处在可塑性状的含水量可变化范围有着紧
密联系。通过试验数据处理结果可以知道，该红黏土试样的塑性指数为16%～24%，塑性指数较大，伴随纳米碳酸钙掺和比的上升出现了明显的下降趋势，如图3所示，说明红黏土试样的颗粒越来越大，
可塑范围越来越小，越具有高塑性，纳米碳酸钙掺和比由0增至20%时，红黏土试样的塑性指数的下降幅度为8%左右。其中，掺量由0增至12%时，曲线波动较大，但总体为下降趋势，当掺量由12%增至20%时，塑性指数曲线有明显的下降趋势。
这是由于掺入纳米碳酸钙后，纳米碳酸钙会迅速充满红黏土的颗粒间，附着在矿物颗粒上，破坏了红黏土试样原有的有序排列，即红黏土颗粒与纳米碳酸钙颗粒之间形成微弱的结构连接，共同作为骨架结构。试样间的缝隙得以更加充实，其土颗粒之间的分布越发严密，使得颗粒与颗粒间的作用加强。加之随着红黏土试样的含水量升高，水土间作用较强。随着纳米碳酸钙掺和比的增大，试样中的钙离子渐渐增加，致使团粒表面附着的纳米碳酸钙团粒增多，颗粒间的钙质胶结得到加强，这使得红黏土试样中团粒与团粒间的联结力逐渐变大，团粒间的相互作用增大。因此，红黏土试样伴随纳米碳酸钙掺和比的上升，其颗粒逐渐变大，塑性也越来越高。
3结语
（1）在未加入纳米碳酸钙掺量时，由液塑限试验测得红黏土试样的液限大于50%，塑限大于26%，都比较高，属于高液限黏性土。
（2）在相同初始含水量、干密度和试验环境下，掺入不同配合比的外加剂红黏土的液限呈现出不同的数值。由液塑
限联合测定试验可得出，随着纳米碳酸钙掺量的增加，红黏土试样流动性变大，达到液限所需的含水量逐渐减小，当纳
米碳酸钙掺和比由0增长至20%时，红黏土试样的液限减小幅度为12%。
（3）在相同初始含水量、干密度和试验环境下，当纳米碳酸钙掺和比由0增长至20%时，红黏土试样的塑限并没有明显的变化趋势，幅度在30%～33%。
（4）在相同初始含水量、干密度和试验环境下，红黏土试样的塑性指数随着纳米碳酸钙掺量的增加，其曲线呈现出明显下降趋势，塑性增强，下降幅度为8%。
（5）在一样的含水量、干密度和试验环境下，若纳米碳酸钙掺和比的增大，则红黏土试样的液限和塑性指数有明显变化趋势，但塑限并未随着外掺剂的增加产生明显的变化趋势。说明纳米碳酸钙掺量对红黏土试样的影响前提是土样中的含水量，当土样中的含水量达到一定值时，纳米碳酸钙掺量的改变才会对红黏土试样的性质产生不同的影响。
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［责任编辑：陈泽琦］图2纳米碳酸钙掺量对红黏土塑限的影响（单位：%）红黏土塑限
图3纳米碳酸钙掺量对红黏土塑性指数的影响（单位：%）
塑性指数
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