凍融循環(huán)下水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性研究

許 雷，魯 洋，薛 洋，宋迎俊，楊 齊

(1.國家能源局 大壩安全監(jiān)察中心，杭州 310014；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

凍融循環(huán)下水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性研究

許 雷1，2，魯 洋2，薛 洋1，宋迎俊2，楊 齊2

(1.國家能源局 大壩安全監(jiān)察中心，杭州 310014；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

為探究凍融循環(huán)作用對水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性的影響，以南陽膨脹土為試驗對象，進行不同摻灰比的水泥改性，然后對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣進行變形測量和無側(cè)限壓縮試驗。試驗結(jié)果表明：在凍融循環(huán)過程中，水泥改性膨脹土試樣的含水率損失量較小，不同摻灰比試樣的體積變化規(guī)律均呈現(xiàn)為“凍縮融脹”，摻灰比越大，試樣體積的變化幅度越小，最大凍縮量和最大融脹量也越小，但會存在一個最優(yōu)水泥摻灰比。凍融循環(huán)作用對水泥改性膨脹土力學(xué)特性的影響較大，尤其是初次凍融。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同摻灰比試樣的強度與彈性模量逐漸降低并趨于穩(wěn)定，摻灰比越大，強度和彈性模量的衰減量越小。水泥改性膨脹土經(jīng)歷凍融后韌性變好。

膨脹土；水泥改性；凍融循環(huán)；體積變化；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；無側(cè)限抗壓強度；彈性模量

1 研究背景

膨脹土是一種由強親水性礦物蒙脫石和伊利石等組成并具有多裂隙性和顯著脹縮性的典型非飽和土，在我國20多個省份中廣泛分布，其中以河南、云南、四川等地表現(xiàn)得最為突出[1]。在自然條件下，膨脹土極易發(fā)生反復(fù)的脹縮變形，增大了土體的變形并降低其強度，這對公路、鐵路、水利工程等建筑物產(chǎn)生嚴重的破壞作用。南水北調(diào)中線工程是遭遇膨脹土問題的典型水利工程，該工程由南向北穿過了5個省市地區(qū)，約有180 km的挖方渠段要經(jīng)過膨脹土地區(qū)，因此，在工程建設(shè)過程中針對膨脹土問題采取了積極有效的措施，其中以水泥改性最為經(jīng)濟有效。但考慮到該工程處在長江以北地區(qū)，大部分膨脹土渠道工程處在我國季節(jié)性凍土區(qū)，這些渠道邊坡易受到凍融循環(huán)的作用，在季節(jié)和晝夜交替過程中，土體內(nèi)部的水分會發(fā)生凍結(jié)與融化，進而產(chǎn)生脹縮變形和凍融變形，嚴重威脅著工程的安全與穩(wěn)定。

目前，針對水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性的研究已經(jīng)取得了不少成果。胡波等[2]進行水泥改性膨脹土控制吸力條件下的直剪試驗，試驗結(jié)果表明，3%的水泥摻量能使得膨脹土的自由膨脹率由51%下降到30%，在不同的基質(zhì)吸力和豎向壓力下，水泥改性膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性，水泥改性不僅提高了膨脹土的飽和抗剪強度參數(shù)c′和φ′，還提高了非飽和抗剪強度參數(shù)φb。黃斌等[3]通過膨脹土水泥改性試驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，其脹縮特性降低，但存在一個最優(yōu)摻量；水泥改性能很好地抑制膨脹土的強度軟化和模量降低。劉志彬等[4]利用自動吸附儀對水泥改性膨脹土進行液氮吸附試驗，結(jié)果表明水泥的摻入使得膨脹土內(nèi)的微孔體積減小，中孔以上孔隙體積增加。上述研究成果表明水泥改性可以有效地降低膨脹土的自由膨脹率和脹縮性并提高其強度，有利于膨脹土工程的安全穩(wěn)定。但是處于季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土工程極易受到凍融循環(huán)作用，影響其物理力學(xué)特性，而現(xiàn)有的研究成果較少考慮凍融循環(huán)這一因素，故進行凍融循環(huán)下水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性研究具有重大的實際意義和工程價值。

本文主要以南陽膨脹土為試驗對象，對其進行水泥改性，研究凍融循環(huán)和摻灰比對水泥改性膨脹土物理力學(xué)特性的影響，并與素膨脹土的試驗結(jié)果作對比，為南水北調(diào)中線工程水泥改性膨脹土渠道邊坡在凍融循環(huán)條件下的安全運行提供參考，并為處于季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹土工程防凍融破壞設(shè)計提供一種思路。

2 試驗概況

2.1 試驗土料及試樣制備

本次試驗所用土料取自南水北調(diào)中線工程輸水總干渠南陽段建設(shè)工地，根據(jù)規(guī)范[5]測得其基本物理性質(zhì)指標和顆粒組成如表1所示。土料呈棕黃色，屬于中膨脹土。試驗所用水泥為海螺牌P.O 32.5普通硅酸鹽水泥。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical properties of expansive soil

本試驗采用圓柱形重塑土試樣，首先將試驗土料從工地現(xiàn)場取回，自然風干后過2 mm篩，再根據(jù)預(yù)設(shè)的摻灰比(水泥質(zhì)量與膨脹土質(zhì)量比)向風干土中添加水泥并混合均勻，然后根據(jù)試樣的含水率向土中噴灑一定量的水，攪拌均勻后立即制樣，確保在初凝時間前完成制樣。試樣采用分5層的擊樣法制得，由于水泥土的最大干密度一般比素土高0.01～0.03 g/cm3，但隨摻灰比的增減變化不明顯，其最優(yōu)含水率接近素土，隨摻灰比的增加而緩慢增加[6]，故控制干密度均為1.60 g/cm3(壓實度90%)，含水率均為20%，試樣高度125 mm，直徑61.8 mm。最后將制備好的試樣按照摻灰比的不同進行分組，放入恒溫恒濕箱中養(yǎng)護28 d。每組共包含13個試樣，其中4個用于每次凍結(jié)或融化后試樣的變形測量，8個用于經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后試樣的無側(cè)限壓縮試驗，1個備用，共計42個試樣。

2.2 試驗設(shè)計

選取摻灰比分別為2%，5%，8%的水泥改性膨脹土和素膨脹土(摻灰比為0%)試樣進行不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的變形測量與無側(cè)限壓縮試驗。

待試樣養(yǎng)護完成后，在自主研發(fā)的凍融循環(huán)模型試驗裝置[7]中進行室內(nèi)凍融循環(huán)試驗。該裝置的溫度控制裝置具有自整定功能，控制精度為±1 ℃，通過外接馬氏瓶還可以進行凍融循環(huán)過程中試樣的補水控制，由于本次試驗所用試樣體積較小，補水控制困難，故進行不補水條件下的凍融循環(huán)試驗。在一次凍融循環(huán)過程中，先在-10 ℃的低溫環(huán)境中凍結(jié)12 h，凍結(jié)完成后，在室溫條件下融化12 h。研究表明，8～12次可以滿足研究凍融循環(huán)作用對土體力學(xué)性質(zhì)影響的要求[8]，故本次試驗共進行了12次凍融循環(huán)。

為了探究凍融循環(huán)作用對試樣體積的影響，每組均有4個試樣用來測量其直徑和高度，即在每次凍結(jié)或融化后，將這4個試樣從試驗裝置中小心取出，然后用數(shù)顯游標卡尺對其直徑與高度進行測量?？紤]到試樣在凍融過程中變形的不均勻性，對每個試樣進行沿高度方向5個斷面的直徑測量與沿頂面2個垂直方向的高度測量，然后各取平均值。為了解在凍融過程中試樣的含水率變化情況，在尺寸測量后對其進行稱重，反算出含水率。

為了研究凍融循環(huán)作用對試樣力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，對分別經(jīng)過0(初始狀態(tài))，1，2，3，5，7，9，12次凍融循環(huán)作用后的膨脹土試樣進行無側(cè)限壓縮試驗，在微機控制電子萬能試驗機上進行，均采用控制應(yīng)變法進行加載，加載速率為1.25 mm/min。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)過程中試樣含水率變化

凍融循環(huán)是高低溫交替變化的具體表現(xiàn)形式，會使土體內(nèi)部水分發(fā)生相變，并進行遷移。若將試樣與大氣直接接觸，土體在凍融過程中就會發(fā)生水分損失，進而會引起膨脹土的脹縮變形與強度變化。而本次試驗重點考察凍融循環(huán)作用對膨脹土物理力學(xué)特性的影響，故將每個試樣用密封袋進行包裹[9]，封閉在一個狹小的空間中，防止試樣水分的損失。圖1為凍融循環(huán)過程中不同摻灰比條件下膨脹土試樣水分損失情況(橫坐標的0代表初始狀態(tài)，0.5代表第一次凍結(jié)完，1代表第一次融化完，以此類推，下同)。

從圖1中可以看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的水分損失率逐漸增大，即含水率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，損失率均<5%，其中凍結(jié)的時候，水分損失較為厲害。這主要是因為試樣在凍結(jié)過程中，內(nèi)部水分向外遷移，表面附著許多冰晶，有部分冰晶粘到密封袋上，與試樣分離，融化時密封袋上的水分又被試樣吸回。不同摻灰比的試樣水分損失情況不同，水泥改性膨脹土試樣水分損失較少，且摻灰比越大，水分損失越少。

圖1 凍融循環(huán)過程中試樣水分損失情況Fig.1 Water loss of samples during the freeze-thaw cycles

3.2 凍融循環(huán)對試樣體積的影響

圖2為不同摻灰比試樣體積隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。由圖2可知，在凍融循環(huán)過程中，試樣體積總體呈現(xiàn)的規(guī)律為“凍縮融脹”，即凍結(jié)時體積變小，融化時體積增大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化幅度漸趨穩(wěn)定。這是因為在低溫條件下，土體內(nèi)部水分凍結(jié)，雖然冰的體積比水大，但是水凍結(jié)成冰的過程也是膨脹土失水收縮的過程，試樣內(nèi)部存在較多的孔隙，土顆粒有充足的空間向內(nèi)收縮，故在這一過程中試樣的體積發(fā)生了較大程度的減??；融化則為凍結(jié)的逆過程，對于素膨脹土而言，每次凍融后試樣的體積隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大并趨于穩(wěn)定，水泥改性膨脹土試樣的體積則基本穩(wěn)定，即其干密度基本不變。

圖2 試樣體積隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.2 Volume change of samples vs. number of freeze-thaw cycles

3.3 水泥摻量對試樣體積的影響

將水泥摻入膨脹土中后會與土中水分發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物與土顆粒進一步反應(yīng)，從而將土從離散狀態(tài)變成一種均勻的膠結(jié)結(jié)構(gòu)[10]，提高了膨脹土的強度，降低了其脹縮特性。由圖2可知，水泥的摻入極大地影響了膨脹土在凍融循環(huán)過程中的體積變化，水泥改性膨脹土試樣的體積受凍融循環(huán)作用的影響較小。水泥摻量的不同也改變著試樣體積受凍融循環(huán)作用的影響程度，摻灰比越大，試樣在凍融循環(huán)過程中體積的變化幅度越小，最大凍縮量和最大融脹量也越小，由此可以說明增大水泥摻量可以減小凍融循環(huán)過程中試樣的體積變化。但是摻灰比為7%的試樣的體積受凍融循環(huán)的影響程度略小于摻灰比5%的試樣，說明在減小凍融循環(huán)對土體變形的影響程度上，并不是水泥摻量越多越好，考慮到經(jīng)濟性和施工的可操作性，會存在一個最優(yōu)水泥摻量。

3.4 凍融循環(huán)對試樣力學(xué)特性的影響

凍融循環(huán)作為自然界常見的強風化作用，極大地影響著土石材料的結(jié)構(gòu)性，進而改變了其力學(xué)性質(zhì)[11]。經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后試樣的力學(xué)參數(shù)主要通過無側(cè)限壓縮試驗測得，主要包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線、無側(cè)限抗壓強度、彈性模量和破壞應(yīng)變。

3.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下不同摻灰比試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖3中可以看出，不同摻灰比試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)為“軟化型”。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of samples under different freeze-thaw cycles

由圖3(a)可知，素膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體呈現(xiàn)為“胖矮”，即土體可在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持較高的強度;由圖3(b)—圖3(d)可知，水泥改性膨脹土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體呈現(xiàn)為“瘦高”，即土體只能在較小的應(yīng)變范圍內(nèi)保持較高強度。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線受凍融循環(huán)作用的影響較大，對于素膨脹土來說，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線越來越變得“瘦矮”，而水泥改性膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線則越來越變得“胖矮”，即凍融循環(huán)作用在降低水泥改性膨脹土強度的同時，提升了其韌性。

3.4.2 無側(cè)限抗壓強度

對于應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)“軟化型”的試樣來說，可取其軸應(yīng)力的峰值點作為試樣的無側(cè)限抗壓強度。由于初始狀態(tài)下不同摻灰比試樣的無側(cè)限抗壓強度不同，為了方便比較凍融循環(huán)作用對不同摻灰比試樣無側(cè)限抗壓強度的影響，引入一個無量綱參數(shù)F(無側(cè)限抗壓強度比)，即不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后試樣的無側(cè)限抗壓強度與初始狀態(tài)下強度的比值。圖4為不同摻灰比試樣的F隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。

圖4 F隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.4 Curves of F vs. number of freeze-thaw cycles

由圖4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同摻灰比試樣的強度逐漸降低，尤其是第一次凍融。這主要是因為在初次凍融過程中，土體內(nèi)部的水分分別經(jīng)歷了一次凍結(jié)與一次融化，在凍結(jié)過程中，水轉(zhuǎn)化為冰，體積增大9%，將土顆粒撐開，但是液態(tài)水的減少導(dǎo)致膨脹土的收縮變形，土顆粒向內(nèi)擠壓孔隙，融化過程是凍結(jié)的逆過程，在復(fù)雜的冰水相態(tài)轉(zhuǎn)變和膨脹土脹縮變形的影響下，土體的結(jié)構(gòu)性遭到嚴重的破壞，孔隙分布發(fā)生變化[12-13]，試樣在宏觀上顯得更加疏松。初次凍融后，試樣強度的衰減量逐漸降低，經(jīng)過7次凍融循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定。

摻灰比的不同影響著試樣強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，由圖4可知，摻灰比越大，試樣強度在凍融循環(huán)過程中衰減得越慢、越少。摻灰比越大，試樣內(nèi)部所含的水泥量越大，水化產(chǎn)物越多，土顆粒也就被膠結(jié)得越牢固，受到凍融循環(huán)的破壞作用也就越小。由此可以說明，摻灰比的增加有助于減小膨脹土強度受凍融循環(huán)的影響。

3.4.3 彈性模量

土體的彈性模量是一個重要的力學(xué)參數(shù)，本文取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)變?yōu)?.0%所對應(yīng)的割線模量作為凍融土的彈性模量[14]。不同摻灰比試樣在初始狀態(tài)下彈性模量相差較大，故為方便比較凍融循環(huán)作用對不同摻灰比試樣彈性模量的影響，引入一個無量綱參數(shù)Q(彈性模量比)，即不同凍融循環(huán)次數(shù)作用后試樣的彈性模量與初始狀態(tài)下彈性模量的比值。圖5為不同摻灰比試樣的Q隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。

圖5 Q隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5 Curves of Q vs. number of freeze-thaw cycles

由圖5可知，試樣的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，其中試樣經(jīng)歷第一次凍融作用后彈性模量衰減量較大。水泥的摻入影響了膨脹土彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化，水泥改性膨脹土在經(jīng)歷第一次彈性模量衰減后，緩慢減小并趨于穩(wěn)定，且摻灰比的不同對Q的影響微小。

圖6 破壞應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Curves of failure strain vs. number of freeze-thaw cycles

3.4.4 破壞應(yīng)變

破壞應(yīng)變是衡量土體變形特征的重要指標。破壞應(yīng)變越大，說明土體的韌性越好；破壞應(yīng)變越小，土體的韌性越差，具有一定的脆性[15]。在“軟化型”的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，破壞應(yīng)變即為軸應(yīng)力峰值點對應(yīng)的軸應(yīng)變。圖6為不同摻灰比試樣的破壞應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化。

從圖6中可以看出，素膨脹土試樣的破壞應(yīng)變在凍融循環(huán)過程中呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，水泥改性膨脹土試樣的破壞應(yīng)變主要受初次凍融的影響，幾乎不受后續(xù)凍融循環(huán)的影響。由此說明，水泥改性膨脹土經(jīng)歷初次凍融后韌性變好，隨后基本趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 在凍融循環(huán)過程中，水泥改性膨脹土試樣的含水率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，摻灰比越大，含水率的損失量越小。

(2) 在凍融循環(huán)過程中，不同摻灰比的膨脹土試樣的體積變化規(guī)律均呈現(xiàn)為“凍縮融脹”，對于素膨脹土而言，每次凍融后試樣的體積隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大并趨于穩(wěn)定，而水泥改性膨脹土試樣的體積則基本穩(wěn)定，即其干密度基本不變。

(3) 水泥摻量的不同改變著試樣體積受凍融循環(huán)作用的影響程度，摻灰比越大，試樣在凍融循環(huán)過程中體積的變化幅度越小，最大凍縮量和最大融脹量也越小，但并不是水泥摻量越多，效果越好，考慮到經(jīng)濟性和施工的可操作性，會存在一個最優(yōu)水泥摻量。

(4) 凍融循環(huán)作用對水泥改性膨脹土力學(xué)特性的影響較大，尤其是初次凍融。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，不同摻灰比試樣的強度與彈性模量逐漸降低并趨于穩(wěn)定，摻灰比越大，強度和彈性模量的衰減量越小。水泥改性膨脹土經(jīng)歷初次凍融后韌性變好，隨后基本趨于穩(wěn)定。

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(編輯：羅 娟)

Physico-mechanical Properties of Cement-modifiedExpansive Soil under Freeze-thaw Cycles

XU Lei1，2, LU Yang2, XUE Yang1, SONG Ying-jun2, YANG Qi2

(1.Dam Safety Supervision Center, National Energy Administration, Hangzhou 310014, China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In the aim of exploring the effect of freeze-thaw cycles on the physico-mechanical properties of cement-modified expansive soil, Nanyang expansive soil which was modified with cement in different mixed ratios was selected as test objective, and then deformation measurements and unconfined compressive test were carried out after different freeze-thaw cycles. Results showed that the water loss of cement-modified expansive soil samples was little in the process of freeze-thaw cycles. The pattern of volume change of samples with different cement dosages could beall described as “shrinking in frost and expanding in thaw”. The bigger the cement ratio was, the less the variation of volume change was, and the smaller the maximum frozen shrinkage and maximum thaw expansion were. Yet there was an optimum cement ratio. Freeze-thaw cycles had a great effect on the mechanical properties of cement-modified expansive soil, especially for the initial freeze-thaw cycle. With the increasing of freeze-thaw cycles, strength and elastic modulus of samples with different cement ratios decreased gradually and then tended to be stable. The larger the cement ratio was, the smaller the attenuation of strength and elastic modulus were. The toughness of cement-modified expansive soil improved after freeze-thaw cycles.

expansive soil; cement modification; freeze-thaw cycles; volume change; stress-strain curve; unconfined compressive strength; elastic modulus

2016-01-21；

2016-02-23

江蘇省普通高校研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(SJZZ15_0058)

許 雷(1991-)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，碩士研究生，主要從事特殊土工程特性方面的研究，(電話)15850603755(電子信箱)xulei_hhu@163.com。

魯 洋(1991-)，男，江蘇南京人，博士研究生，主要從事水工巖土方面的研究，(電話)15161461318(電子信箱)luyhhu@163.com。

10.11988/ckyyb.20160070

2017,34(4):87-91,103

TU43

A

1001-5485(2017)04-0087-05