摘 要：为研究干湿循环下改良红黏土的开裂特性，制备掺入不同比例黄麻纤维及粉煤灰的多组试样，进行抗剪强度和干湿循环裂隙发展试验。研究发现：黄麻纤维与粉煤灰复合添加能显著提升红黏土抗裂性能和力学强度，适量加入黄麻纤维能有效提高红黏土干湿循环后的抗剪强度。复配改良对于抗裂能力的提高优于单一黄麻纤维改良，黄麻纤维+粉煤灰改良可提高红干湿循环时的抗裂性能。黄麻纤维+粉煤灰的加入可提高红黏土内摩擦角及黏聚力，使改良土经多次干湿循环后仍保持良好力学性能。
关键词：红黏土；黄麻+粉煤灰；改良；干湿循环；微观结构；黏聚力；适当配比；力学性能
近年来，随着道路工程建设地不断加快，工程质量要求也在逐步提高。然而，在施工过程中常常遇到红黏土的问题[1]。红黏土是一种广泛分布在中国南方地区的常见土，在干湿循环过程中容易发生体积变化，干燥时，红黏土会失水收缩；遇水时，又会吸水膨胀。这种反复的体积变化会导致土体开裂，影响路基稳定性[2-4]。另一方面红黏土的抗剪强度较低，承载能力有限。在重载交通的作用下，容易发生变形和沉降，影响路面的平整度和使用寿命。这些问题导致道路施工时，需要对红黏土进行特殊处理，才能使其满足工程需求[5-6]。
对红黏土进行化学及物理改良，使其满足工程需要。化学改良是加入类似石灰、水泥、粉煤灰等材料，使其与红黏土中的物质发生反应，石灰与红黏土中的硅酸盐和铝酸盐发生化学反应，生成具有胶凝性质的化合物，增加土体的强度和稳定性。水泥与红黏土中的水分反应，形成水化产物，这些产物填充土体孔隙，增强土体的密实度和强度[7]。粉煤灰的火山灰效应可与红黏土中活性成分生成水化硅酸钙凝胶，显著改善土体微观结构[8-9]。物理改良，常见有级配改良、纤维改良。级配改良通过在红黏土中掺入一定比例的砂，改善其颗粒级配，减少膨胀性和收缩性，提高土体的稳定性。纤维改良红黏土通过纤维材料在土体中形成一个三维网络结构，增加了土体的抗拉强度和抗剪强度[8]。
在以往研究中单一改良方法对力学性能的影响关注较多，然而单一改良方法对于红黏土的物理力学性能提高具有一定局限性，因此有必要开展多种材料相结合的改良方法。目前对于干湿循环作用下，黄麻纤维-粉煤灰改良红黏土的开裂特性研究较少。而红黏土又容易在干湿循环作用下产生工程问题，因此本文对黄麻纤维+粉煤灰复合改良红黏土在干湿循环作用下的抗裂特性进行试验研究。
1 干湿循环下黄麻纤维+粉煤灰复合改良红黏土抗裂性能和抗剪强度试验
1.1 试验原材料
1.1.1 红黏土土料
试验所使用的红黏土取自贵州某高速路段，该路段地处喀斯特地貌区，地表覆盖层为残坡积成因红黏土，厚3～5m，下伏三叠系石灰岩（岩溶发育中等）。区域属亚热带湿润季风气候，年均降水量1400mm，地下水位埋深2～4m，年波动幅度达1～2m。为对工程红黏土进行基本物理力学参数测量，将采集的红黏土置于通风处进行风干晾晒处理，并进行碾压过筛，剔除原有草根石子等杂质使其满足试验要求，再按照《土工试验标准》（GB/T50123—2019）相关参数进行试验，测试结果见表1。
表1 红黏土的基本物理性质指标
1.1.2 黄麻纤维
试验加筋使用的黄麻纤维材料，黄麻长度为15mm、直径约为50μm，抗拉强度大于500MPa。
1.1.3 粉煤灰
采用Ⅱ级粉煤灰，符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[10]标准，密度2.45g/cm3、细度为12%、烧失量为1.51%。
1.2 试验项目
本研究通过干湿循环、直剪强度和裂隙发育三类试验系统评价改良效果。干湿循环试验模拟环境作用，分析试样劣化规律；直剪试验依据土工标准测定100～400kPa垂直压力下的峰值强度，并分析黏聚力和内摩擦角变化；裂隙试验采用图像分析技术量化裂隙率，揭示复配体系抗裂机制。
1.3 试验方案
将经晾晒、碾压、筛分处理后的红黏土进行不同掺配制成Φ61.8mm×20.0mm圆柱体。设置黄麻纤维掺量0.2%、0.4%、0.6%、0.8%开展干湿循环（0～6次）直剪试验，在400kPa垂直压力下获取抗剪强度数据确定最优纤维掺量；在此基础上增设4%、8%、12%、16%粉煤灰复配试验，并分析黏聚力与内摩擦角随循环次数的演变规律。试验方案设计见表2。
表2 试验方案
1.4 试件制备
将红黏土风干碾碎过2mm筛，并称取相应重量比的黄麻纤维、粉煤灰材料，按最优含水率17.8%进行拌合。单掺纤维试样（0.2%～0.8%）干湿拌合8min；复配组先加粉煤灰干拌2min，再加0.4%黄麻纤维二次拌合3min。用Φ61.8mm×20.0mm环刀分5层击实。试样成型后置于（20±2）℃、湿度95%的恒温恒湿箱中养护48h。试样制作流程，见图1。
图1 试样制作流程
1.5 试验方法
抗剪强度试验按《土工试验标准》（GB/T50123—2019）开展，采用应变控制式直剪仪（剪切速率0.8mm/min，垂直压力100～400kPa）测定峰值强度。干湿循环试验通过真空饱和12h与60℃恒温烘干24h交替进行，单次循环总时长36h。试验流程见图2。
图2 试验流程
裂隙发育特性试验采用高分辨率成像系统采集每次结束后的试样表面裂隙，通过对土样开裂进行图像采集，对原始图像进行灰度处理得到灰度图片。此时图像裂缝呈现黑色，未开裂部位为灰色。使用数字图像滤波工具，得到清晰地裂缝图片，最后对图像进行二值化处理，并使用MATLAB软件统计裂缝的像素数量与总像素数量的比值。以此计算为裂隙率。分析改良红黏土在干湿循环作用后的开裂变化。图像处理过程，见图3，裂隙率计算公式见式（1）。
图3 试样开裂图像处理过程
式中：L为裂隙率，%；SL为裂缝像素数量，个；S是总像素数量，个。
2 试验结果及分析
2.1 改良红黏土抗剪强度与干湿循环关系
通过将粉煤灰以及黄麻纤维对红黏土进行改良，并制作成试样，在经过不同次数后的干湿循环之后进行直剪试验，得到单掺纤维组（0.2%～0.8%）与复掺纤维+粉煤灰组（0.4%+4%～16%）在400kPa垂直压力下的剪切强度与干湿循环次数的关系，见图4。
图4 改良红黏土在干湿循环后的抗剪强度变化
在经过干湿循环作用之后，所有试样的抗剪强度都出现明显下降，其中素土下降更为明显。黄麻纤维的加入有效的提高了红黏土的抗剪切强度。由于纤维加筋是利用了纤维与土颗粒之间的表面摩擦来实现纤维与土颗粒的嵌锁，从而实现增强土体的稳定性。因此当黄麻纤维加入过多时就会出现分布不均，无法形成有效的联结。这就导致抗剪强度不会随黄麻纤维的持续加入而提高。本试验中最佳黄麻纤维掺量为0.4%。
再对最佳纤维掺量为0.4%的试样加入粉煤灰进行复配，从数据可以看出，粉煤灰的加入提高试样的抗剪强度，这是由于粉煤灰可以与红黏土发生胶凝反应，使得土体中松散的土颗粒可形成团聚体，从而提高土体的强度。当粉煤灰掺量超过12%时，由于黄麻纤维的强吸水性导致体系有效水分不足，粉煤灰的胶凝反应需水量无法满足，未反应的粉煤灰颗粒在土体中形成弱界面，反而降低土颗粒间黏结强度。根据试验结果宜选择的粉煤灰掺量为12%。
在所有试样中，都可以发现。试样在进行到第三次干湿循环时，抗剪强度降低最为明显，这是由于裂隙发展需要一定的过程，早期形成的裂隙可以为后期水分的进入提供通道，从而在第三次干湿循环后出现抗剪强度骤降现象。但是复配改良红黏土的下降最小，这说明纤维+粉煤灰复配改良（黄麻纤维掺量为0.4%，粉煤灰掺量为12%）可有效抵抗干湿循环对于土体的抗剪强度劣化。
2.2 改良红黏土经干湿循环后的开裂分析
根据裂隙发育试验结果，绘制了干湿循环次数与裂隙率之间的关系，见图5。裂隙率随干湿循环次数的增加而增加。与抗剪强度衰减类似，在第3次干湿循环后裂隙率增加明显。无论是纤维的加入，还是粉煤灰的加入都明显的降低裂隙率。这说明纤维与土颗粒之间的联结对于抑制土体开裂具有一定作用。而粉煤灰通过胶结作用也有效减少干湿循环造成的开裂。这两种材料对于改善红黏土的开裂都可起到积极作用。
图5 干湿循环次数与裂隙率关系
根据直接剪切试验的数据，处理后得到了在经历干湿循环后的试样，内摩擦角及黏聚力，见图6。黄麻纤维与粉煤灰两种材料的加入同时提高内摩擦角及黏聚力。其中粉煤灰是通过与红黏土进行离子交换及胶凝作用，降低红黏土的胀缩作用并提高强度。黄麻纤维则是通过纤维与土颗粒之间的嵌锁作用，形成网状结构抑制土体开裂。在这两者协同作用下，提高内摩擦角及黏聚力的同时，土体强度及抗开裂性能随之加强。
图6 内摩擦角与黏聚力随干湿循环次数的变化
在试验中无论是内摩擦角还是黏聚力都随干湿循环次数的增加而不断降低，只是相对于前期的降低速度，后面几次的干湿循环对于土体的内摩擦角还是黏聚力的降低影响相对较小，这主要是裂隙在前几次的干湿循环后已得到充分发展，因此在后期的干湿循环中土体裂隙发展减缓。通过对比素土、0.4%纤维改良土及0.4%纤维+12%粉煤灰复配组的力学性能发现：初始状态下，复配组黏聚力（51kPa）较素土提升51.3%，远高于单掺纤维组的18.7%；经6次干湿循环后，复配组黏聚力保留54.9%（28.0kPa），为素土的8倍（3.5kPa）；内摩擦角保留67.4%（18.2°),较单掺组（14.5°)高25.5%。表明纤维-粉煤灰复配通过胶凝反应持续填充裂隙与纤维加筋协同作用，复配体系可有效延缓干湿循环导致的强度劣化维持红黏土长期力学稳定性。
3 结语
通过加入不同比例的黄麻纤维及粉煤灰制备多组试样，并进行直剪试验和干湿循环裂隙发展试验。研究发现，黄麻纤维及粉煤灰的加入对于提高红黏土的力学强度及抗裂性能，具体结论如下：
1）在红黏土中适量的加入黄麻纤维，可以有效地提高红黏土的在经历干湿循环后的抗剪强度，适当配比的黄麻纤维-粉煤灰可适用于红黏土改良。
2）复配改良对于抗裂能力的提高优于单一的黄麻纤维改良，黄麻纤维-粉煤灰改良可以提高红黏土在经过干湿循环时的抗裂性能。
3）黄麻纤维-粉煤灰的加入可以提高红黏土的内摩擦角以及黏聚力，使其相对素土在多次干湿循环后仍然具有良好的力学性能。
参考文献
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文章摘自：范平.干湿循环下黄麻纤维+粉煤灰复合改良红黏土抗裂特性研究[J/OL].路基工程,1-5[2026-08-15].
