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摘要：通過添加多元改性材料的物理、化学效应，处理红粘土中自由水的问题，通过改善颗粒间界面相等方法来改变红粘土微观结构，解决红粘土具有易开裂和水稳定性差等特点。本文从土体微观结构方面系统的对改性红粘土的水稳性提高机理进行分析。
关键词：多元改性材料；自由水；强度；机理
1 普通红粘土的物理力学性质
红粘土具有高孔隙比、高含水量、高塑性、无湿陷性等特点，同时具有较高的力学强度和较低的压缩性。红粘土中小于2μm的颗粒在50%左右，粘土矿物团粒间有较大孔隙，土体内存在大量游离氧化铁胶体，红粘土内形成很多深渊状结构。
由于红粘土的颗粒微小、空隙比大，造成了土体内部不密实的深渊状结构。游离氧化铁胶体为红粘土提供结构强度，但其对土体内部含水量作用敏感，在土体得失水的过程中，使得颗粒间连结力在一定条件下大幅降低。
2 红粘土性质改良的方法
结合红粘土作为工程材料的特点及其深渊状结构，利用中心质原理改良粘性土的不良的性质可以从两个方面着手：（1）改变粘性土的界限含水量，即从粘性土的微观内部结构进行分析，通过解决红粘土颗粒与颗粒表面之间自由水和红粘土内部空气的问题来加以改善，使得粘性土的界限含水量整体向右移动；（2）解决红粘土遇水不稳定性的问题，即解决颗粒与颗粒、颗粒与矿物、矿物与矿物的界面相问题和界面间自由水的问题。
3 红粘土改性的原理及应用
3.1微集料效应
在改性红粘土的微集料中水泥颗粒（1-10μm）、粒化矿渣（5-7μm）、粉煤灰（0.2-2μm）、硅灰（<1μm）的粒径从大到小各不相同，这些材料经过适当比例的混合，形成了改性红粘土粉体材料良好的微级配。
这些连续的级配可以增加中心质层次，有效填充红粘土颗粒间孔隙，限制改性红粘土的收缩空间，增强改性红粘土的的抗渗性、抗压强度和结构稳定性性。从而达到从红粘土的微观结构的改善来提高改性红粘土宏观力学的性能。
3.2形态与界面效应
图5为添加多元材料后的改性红粘土孔隙被填充的电镜图。改性掺料中的水泥颗粒、磨细矿渣、硅灰由于颗粒大小和颗粒外表形态的不同，不仅会产生良好集料颗粒间的界面效应，增强界面间摩擦力，还会抑制Ca（OH）2晶体在界面区的生长，从而改善界面过渡区的结构，使的胶体—集料界面间的黏结力增强
3.3界面相的改善
3.3.1降低界面过度层厚度
由于改性材料之间存在界面效应，在颗粒间界面上形成了强度薄弱面，这种效应包括改性红粘土在拌合及压实过程中，粘土颗粒周围形成的水膜，使贴近骨料处比远离骨料出水灰比高，造成了界面过渡区域微孔隙体积的增大，土体中Ca（OH）2富集并择优取向，存在大量微裂缝。这样可以通过改性掺料降低水的表面张力，增加水分子的分散性以及置换出孔隙水，以达到改善颗粒间过渡区变化的不均匀性，降低界面过渡层厚度，增强掺料颗粒活性的目的。
3.3.2填充界面过度层
粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化铝与水化后生成的[Ca（OH）2]发生反应，生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙，称为CSH胶凝，将红粘土内部的自由水转化为稳定的结合水。
3Ca（OH）2+SiO2+（n-3）H2O→3CaO·SiO2·n H2O
3Ca（OH）2+Al2O3+（n-3）H2O→3CaO·Al2O3·nH2O
在生成膠结物的同时，产生一定数量的NaOH强碱以分子扩散形式进入到土体和矿渣粉煤灰硅铝玻璃体或活性硅质材料内部，溶解颗粒表面，进一步提高土体内部大中心质界面间摩擦力。
CSH凝胶具有良好的水稳性，这些反应产物中主要产物水化硅酸钙（3CaO·SiO2·nH2O）呈现三种凝胶形态，三种形态最终都会转化为同一种凝胶。这些生成物形成了改性红粘土的早期强度。
3.3.3界面中水的处理
水化产物铝酸钙（3CaO·Al2O3·nH2O）继续与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）进一步反应，生成三硫型水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）即钙矾石。
3CaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O+（26-n）H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
钙矾石处于亚稳态，在水化铝酸钙存在下会继续与水化铝酸钙反应，生成柱状单硫型水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O），最终达到稳定状态。钙矾石的形成过程中会结合和吸附32个水分子使得土体中自由水固化加入到土体结构内，形成结晶水，使得最佳含水量比普通红粘土下降16.3%。
3.3.4界面处强度的激发
钙矾石是六边形截面的针（柱）状晶体，可以填充土体内孔隙，随着反应深入，钙矾石晶体不断生长与CSH凝胶交织在一起形成具有三维结晶网架的空间结构，将土体内颗粒连接在一起。随着养护时间的增加，钙凡石晶体发育生长茂盛，生长完全，在颗粒间以针（柱）状结构插入土团粒的缝隙中，起着一种“撤型加筋”的增强作用，具有较好的密实度、强度和水稳性。
4.红粘土改性后的水稳性试验验证
将不同掺量改性红粘土和普通红粘土做成标准试块完全浸入水中，根据随时间推移其破坏的程度判断水稳性。
养护28天后的改性红粘土几乎不会发生破坏 ，证明了示改性红粘土内部具有密实的结构和强大连结力。
通过试验及计算，得出改性后红粘土复合材料经稳定固化后，红粘土固体状态向含水量增加方向前移5～10个百分点；塑性区间值减小4～7个百分点；液性状态区间缩小2～3个百分点；压缩系数区间缩小4～6个百分百点；无侧限抗压强度提高了100KPa左右。和传统的红粘土相比，整体的物理力学性能都有很好的改善。
5.结论
各类粘性土浸水后都会发生结构破坏，因此改善材料的水稳性需要从根本上改善土体的内部结构，从而阻止外界水的进入，降低土体渗透性，并增加土体内结构的连结力。
矿渣、粉煤灰、硅灰等表面粗糙，粒径也较小，使改性红粘土渗透性降低，而它们的微集料效应填充了改性红粘土中颗粒间的孔隙，阻止了外界水进入土体内部；改性材料中多种物质如粉煤灰、硅灰等进行水化反应生成了大量CSH凝胶，而钙矾石的生成消耗了原有的结合水和孔隙水，使空隙中不稳定的自由水变成钙矾石晶体中的结合水，进一步活性填充了孔隙，也形成新的连结力，并且这部分连结不同于红粘土本身的游离氧化胶结，它的连结力强度基本不受含水量影响。故这两种改性方式相结合大大提高了红粘土的水稳性。
参考文献：
[1] 田管凤，张小萍，于国友等. 土工教学试验在教学中的应用与探索[J]. 东莞理工学院学报，2009（5）：15-16.
[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M]. 北京：中国铁道出版社，1999。
[3] 胡瑞林，王思敬.21世纪工程地质学特点——土体微结构力学.水文地质工程地质.1999 （4）：5-8.
[4] 石云兴，王泽云.钙矾石的形成条件与稳定性[J].混凝土.2000 （8）：52-53.
作者简介：
王馨语（1988-），女，河南信阳人，硕士，主要从事地基处理与边坡工程、喀斯特地区红粘土等方面的研究， 。赵硕（1987-），男，贵州省贵阳人，硕士，主要从事岩土工程治理、地基处理的研究 。郭明，男，贵州省贵阳人，工程应用研究员，主要从事岩土及地质工程方面的研究
关键词：多元改性材料；自由水；强度；机理
1 普通红粘土的物理力学性质
红粘土具有高孔隙比、高含水量、高塑性、无湿陷性等特点，同时具有较高的力学强度和较低的压缩性。红粘土中小于2μm的颗粒在50%左右，粘土矿物团粒间有较大孔隙，土体内存在大量游离氧化铁胶体，红粘土内形成很多深渊状结构。
由于红粘土的颗粒微小、空隙比大，造成了土体内部不密实的深渊状结构。游离氧化铁胶体为红粘土提供结构强度，但其对土体内部含水量作用敏感，在土体得失水的过程中，使得颗粒间连结力在一定条件下大幅降低。
2 红粘土性质改良的方法
结合红粘土作为工程材料的特点及其深渊状结构，利用中心质原理改良粘性土的不良的性质可以从两个方面着手：（1）改变粘性土的界限含水量，即从粘性土的微观内部结构进行分析，通过解决红粘土颗粒与颗粒表面之间自由水和红粘土内部空气的问题来加以改善，使得粘性土的界限含水量整体向右移动；（2）解决红粘土遇水不稳定性的问题，即解决颗粒与颗粒、颗粒与矿物、矿物与矿物的界面相问题和界面间自由水的问题。
3 红粘土改性的原理及应用
3.1微集料效应
在改性红粘土的微集料中水泥颗粒（1-10μm）、粒化矿渣（5-7μm）、粉煤灰（0.2-2μm）、硅灰（<1μm）的粒径从大到小各不相同，这些材料经过适当比例的混合，形成了改性红粘土粉体材料良好的微级配。
这些连续的级配可以增加中心质层次，有效填充红粘土颗粒间孔隙，限制改性红粘土的收缩空间，增强改性红粘土的的抗渗性、抗压强度和结构稳定性性。从而达到从红粘土的微观结构的改善来提高改性红粘土宏观力学的性能。
3.2形态与界面效应
图5为添加多元材料后的改性红粘土孔隙被填充的电镜图。改性掺料中的水泥颗粒、磨细矿渣、硅灰由于颗粒大小和颗粒外表形态的不同，不仅会产生良好集料颗粒间的界面效应，增强界面间摩擦力，还会抑制Ca（OH）2晶体在界面区的生长，从而改善界面过渡区的结构，使的胶体—集料界面间的黏结力增强
3.3界面相的改善
3.3.1降低界面过度层厚度
由于改性材料之间存在界面效应，在颗粒间界面上形成了强度薄弱面，这种效应包括改性红粘土在拌合及压实过程中，粘土颗粒周围形成的水膜，使贴近骨料处比远离骨料出水灰比高，造成了界面过渡区域微孔隙体积的增大，土体中Ca（OH）2富集并择优取向，存在大量微裂缝。这样可以通过改性掺料降低水的表面张力，增加水分子的分散性以及置换出孔隙水，以达到改善颗粒间过渡区变化的不均匀性，降低界面过渡层厚度，增强掺料颗粒活性的目的。
3.3.2填充界面过度层
粉煤灰中的活性氧化硅和活性氧化铝与水化后生成的[Ca（OH）2]发生反应，生成具有胶凝性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙，称为CSH胶凝，将红粘土内部的自由水转化为稳定的结合水。
3Ca（OH）2+SiO2+（n-3）H2O→3CaO·SiO2·n H2O
3Ca（OH）2+Al2O3+（n-3）H2O→3CaO·Al2O3·nH2O
在生成膠结物的同时，产生一定数量的NaOH强碱以分子扩散形式进入到土体和矿渣粉煤灰硅铝玻璃体或活性硅质材料内部，溶解颗粒表面，进一步提高土体内部大中心质界面间摩擦力。
CSH凝胶具有良好的水稳性，这些反应产物中主要产物水化硅酸钙（3CaO·SiO2·nH2O）呈现三种凝胶形态，三种形态最终都会转化为同一种凝胶。这些生成物形成了改性红粘土的早期强度。
3.3.3界面中水的处理
水化产物铝酸钙（3CaO·Al2O3·nH2O）继续与磷石膏中的主要成分二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）进一步反应，生成三硫型水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）即钙矾石。
3CaO·Al2O3·nH2O+3CaSO4·2H2O+（26-n）H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
钙矾石处于亚稳态，在水化铝酸钙存在下会继续与水化铝酸钙反应，生成柱状单硫型水化铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O），最终达到稳定状态。钙矾石的形成过程中会结合和吸附32个水分子使得土体中自由水固化加入到土体结构内，形成结晶水，使得最佳含水量比普通红粘土下降16.3%。
3.3.4界面处强度的激发
钙矾石是六边形截面的针（柱）状晶体，可以填充土体内孔隙，随着反应深入，钙矾石晶体不断生长与CSH凝胶交织在一起形成具有三维结晶网架的空间结构，将土体内颗粒连接在一起。随着养护时间的增加，钙凡石晶体发育生长茂盛，生长完全，在颗粒间以针（柱）状结构插入土团粒的缝隙中，起着一种“撤型加筋”的增强作用，具有较好的密实度、强度和水稳性。
4.红粘土改性后的水稳性试验验证
将不同掺量改性红粘土和普通红粘土做成标准试块完全浸入水中，根据随时间推移其破坏的程度判断水稳性。
养护28天后的改性红粘土几乎不会发生破坏 ，证明了示改性红粘土内部具有密实的结构和强大连结力。
通过试验及计算，得出改性后红粘土复合材料经稳定固化后，红粘土固体状态向含水量增加方向前移5～10个百分点；塑性区间值减小4～7个百分点；液性状态区间缩小2～3个百分点；压缩系数区间缩小4～6个百分百点；无侧限抗压强度提高了100KPa左右。和传统的红粘土相比，整体的物理力学性能都有很好的改善。
5.结论
各类粘性土浸水后都会发生结构破坏，因此改善材料的水稳性需要从根本上改善土体的内部结构，从而阻止外界水的进入，降低土体渗透性，并增加土体内结构的连结力。
矿渣、粉煤灰、硅灰等表面粗糙，粒径也较小，使改性红粘土渗透性降低，而它们的微集料效应填充了改性红粘土中颗粒间的孔隙，阻止了外界水进入土体内部；改性材料中多种物质如粉煤灰、硅灰等进行水化反应生成了大量CSH凝胶，而钙矾石的生成消耗了原有的结合水和孔隙水，使空隙中不稳定的自由水变成钙矾石晶体中的结合水，进一步活性填充了孔隙，也形成新的连结力，并且这部分连结不同于红粘土本身的游离氧化胶结，它的连结力强度基本不受含水量影响。故这两种改性方式相结合大大提高了红粘土的水稳性。
参考文献：
[1] 田管凤，张小萍，于国友等. 土工教学试验在教学中的应用与探索[J]. 东莞理工学院学报，2009（5）：15-16.
[2] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M]. 北京：中国铁道出版社，1999。
[3] 胡瑞林，王思敬.21世纪工程地质学特点——土体微结构力学.水文地质工程地质.1999 （4）：5-8.
[4] 石云兴，王泽云.钙矾石的形成条件与稳定性[J].混凝土.2000 （8）：52-53.
作者简介：
王馨语（1988-），女，河南信阳人，硕士，主要从事地基处理与边坡工程、喀斯特地区红粘土等方面的研究， 。赵硕（1987-），男，贵州省贵阳人，硕士，主要从事岩土工程治理、地基处理的研究 。郭明，男，贵州省贵阳人，工程应用研究员，主要从事岩土及地质工程方面的研究