凍融循環(huán)作用后水泥土及粉煤灰土的力學性能試驗研究

張淑玲， 倪 靜， 馬 蕾， 李 鑫， 李 梟

(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院，上海 200093)

1 研究背景

不同工程環(huán)境中地基土的力學性能受環(huán)境影響較大。我國季節(jié)性凍土分布廣泛，寒冬季節(jié)低溫導致土工構筑物中的土壤水凍結成冰，當氣溫回升至0℃以上時凍結的土壤開始融化，出現(xiàn)翻漿冒泥、土體弱化且強度降低等現(xiàn)象。周而復始的凍融交替作為強風化過程，極大地影響著土的結構性[1-4]，是導致土工構筑物破壞的主要原因。為了滿足工程要求，對季節(jié)性凍土地區(qū)的土體進行改良是十分必要的，研究土體及改良土的力學特性對工程具有重要的意義。

目前國內外對土體加固方法的研究主要集中在注漿加固[5]及微生物灌漿加固[6]等方面。近年來，國內外學者對凍融循環(huán)作用下土體的力學性能進行了一些研究。Bigl等[7]對大粒徑土和小粒徑土在凍融循環(huán)狀態(tài)下的回彈模量進行了探究，結果表明在溫度低于-2℃的條件下，土的回彈模量相比融土提高2～3個數(shù)量級，且含水量改變著凍土的回彈模量，其程度取決于土的類型。Bochove等[8]及Sveistrup等[9]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)改變了粉質黏土的原始內部結構。嚴晗等[10]通過試驗研究了反復凍融環(huán)境對粉砂土動力學特性參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)同一動應變水平下，動應力大小與凍融次數(shù)、含水率呈負相關，而與圍壓呈正相關。董曉宏等[11]進行了凍融下土體抗剪強度變化的研究，發(fā)現(xiàn)含水率一定時，黃土的黏聚力和抗剪強度大多在3～5次凍融循環(huán)之后降到最低值。

關于凍融循環(huán)對改良土體力學特性影響的研究相對較少。Arora等[12]發(fā)現(xiàn)在土體中同時摻加火山灰和粉煤灰可以提高基層土體的穩(wěn)定性。王天亮等[13]對凍融條件下水泥及石灰改良土的應力-應變關系展開了探討，結果表明水泥土的應力-應變曲線為加工軟化型，而石灰土的應力-應曲線為加工硬化型。

宋愛蘋等[14]通過試驗研究了凍融循環(huán)條件下水泥土及摻粉煤灰水泥土的強度特性。在改良土抗凍性能研究方面，土體所加摻合料種類多為水泥摻料、石灰摻料及水泥加粉煤灰混合摻料，目前對于粉煤灰改良土的抗凍性能研究較少。

針對上述情況，本文對水泥土及粉煤灰土進行了凍融循環(huán)后的單軸抗壓試驗研究，探討并對比了凍融循環(huán)次數(shù)、養(yǎng)護齡期、干濕凍融對兩種改良土力學性能的影響規(guī)律，并分析了凍融循環(huán)對改良土的破壞機理。試驗研究成果對季侯性凍土地區(qū)土體加固有一定的參考意義。

2 試件制備及試驗方法

2.1 試驗材料及試件制備

試驗中所用黃土取自湖北省偏寒地區(qū)，取土深度8～15 m，質地黏重，土體緊實，屬黃棕壤土，該類土的農業(yè)墾種歷史較長，結構表面常覆有鐵、錳膠膜或結核，其物理指標見表1。

表1 試驗用黃土(素土)的基本物理參數(shù)

試驗選用水泥及粉煤灰兩種摻合料分別對黃土進行改良。水泥為32.5級的礦渣硅酸鹽水泥，物理性質指標見表2；粉煤灰為一級低鈣粉煤灰，物理性質指標見表3。

表2 P.O.32.5普通硅酸鹽水泥的物理性質指標

表3 粉煤灰的物理性質指標

試樣制備時，先將黃土放入烘箱烘干，置于橡膠墊上用木錘碾碎，過2 mm篩備用[15]。對于水泥土，按天然含水率加入自來水攪拌均勻，靜置一夜。取濕土質量20%的水泥灰[16]，按0.5的水灰比制成水泥漿，向土中加入水泥漿拌均勻，制樣時間不應超過水泥的初凝時間。對于粉煤灰土，取干土質量20%的粉煤灰加入土中初拌，按25%的含水率加入自來水攪拌均勻，放于密封袋，置于干燥皿中靜置一晝夜，以備制樣。

稱取拌和土每份825 g，置于內表面涂抹薄層凡士林的模具內，模具尺寸高度H=200 mm，直徑D=70 mm。用錘重2 500 g、落距30 cm的擊實儀擊實50次，把拌和土壓制成高H=100 mm，直徑D=70 mm，干密度為2.14 g/cm3的試件。一天后脫模，室溫條件下養(yǎng)護至試驗要求的齡期。

2.2 試驗設備

采用上海建恒儀器有限公司生產(chǎn)的DR501凍融循環(huán)試驗箱(如圖1所示)對試塊進行凍融循環(huán)。試驗箱溫度范圍為-52～130℃，電源380V、50HZ，功率7 kW。凍融循環(huán)后，對試塊進行單軸抗壓試驗，采用上海皆準儀器設備有限公司生產(chǎn)的WDW-Y300D微機控制全自動壓力試驗機(如圖2所示)，技術指標：最大試驗力300 kN，試驗力測量范圍0～300 kN，試驗速度控制范圍0.01～50mm/min，主機尺寸(長×寬×高)830 mm×530 mm×1 450 mm。

圖1 凍融循環(huán)試驗箱

圖2 WDW-Y300D微機控制全自動壓力試驗機

2.3 試驗方案

對水泥土及粉煤灰土試塊進行不同凍融循環(huán)次數(shù)、養(yǎng)護齡期、干濕凍融后的單軸抗壓試驗，每個條件下制備3個試塊[18]。凍融循環(huán)次數(shù)為0、3、7、15及20次。養(yǎng)護齡期選擇30、60及90 d，待試塊養(yǎng)護完成之后進行室內凍融循環(huán)。根據(jù)季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化，選取冷凍溫度為-20℃，融化溫度為20℃，由于實際溫度變化是一個漸變的過程，設定1 h內均勻降溫至-20℃，冷凍恒定為4 h，設定1 h內均勻升溫至20℃，融化恒定為4 h，此過程為一個凍融循環(huán)周期，每次凍融循環(huán)在10 h內完成。

干凍情況下，為避免凍融循環(huán)過程中試塊水分的損失，在試塊外套上塑料袋后置于凍融循環(huán)試驗箱中；濕凍情況下，將養(yǎng)護完成后的試塊置于水中浸泡，浸泡時保持試塊高出水面30 mm[17]，試樣浸泡2 d，取出后輕輕擦去表面水分，套上塑料袋，置于凍融循環(huán)試驗箱中。

對凍融循環(huán)后的試塊進行單軸抗壓試驗，數(shù)據(jù)采集由與試驗相匹配的自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，所采集數(shù)據(jù)包括時間、荷載及位移。

3 試驗結果與分析

3.1 試塊破壞形態(tài)

圖3為在顯微鏡下觀察到的養(yǎng)護30 d后水泥土及粉煤灰土的顆粒膠結狀況。從圖3可以看出，無論是水泥土或是粉煤灰土，試塊中的土顆粒和水泥或粉煤灰混合均勻、膠結狀況良好。由此可知，按文中所述方法制備的試塊均可呈現(xiàn)良好的內部顆粒膠結狀況。

圖3 養(yǎng)護30 d后的試塊表面照片

圖4為30 d養(yǎng)護齡期且經(jīng)過7次凍融循環(huán)的水泥土試塊在單軸抗壓試驗破壞前后的照片。由圖4可以看出凍融后的水泥土試塊存在明顯的剪切面，大致呈60°角方向破壞。整個破壞過程為：隨著壓力的逐漸增大，試塊表面開始出現(xiàn)細小的裂紋，當壓力增大到一定值時，細小裂紋快速增多且均聚集在與水平方向約呈60°的方位，最終形成大貫通裂縫，導致試塊的破壞。

圖5為30 d養(yǎng)護齡期且經(jīng)過7次凍融循環(huán)的粉煤灰土試塊在單軸抗壓試驗破壞前后的照片。由圖5可以看出粉煤灰土試塊在施加壓力后表面會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

圖4 水泥土試塊的破壞形態(tài)

3.2 水泥土及粉煤灰土的應力-應變關系曲線

圖6是水泥土在30 d養(yǎng)護齡期下，進行3、15及20次干凍凍融循環(huán)后，對試塊進行單軸抗壓試驗得到的應力-應變關系曲線。由圖6可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土的抗壓強度有所降低，3次凍融循環(huán)后的抗壓強度為1.93 MPa，為20次凍融循環(huán)后抗壓強度0.55 MPa的3.5倍。

圖7是對60 d養(yǎng)護齡期的水泥土進行3、15及20次干凍凍融循環(huán)后，在單軸抗壓試驗中獲得的應力-應變關系曲線。與圖6類似，圖7中3次凍融循環(huán)后的抗壓強度為2.01 MPa，為20次凍融循環(huán)后抗壓強度0.41 MPa的4.9倍。

圖8和9是粉煤灰土分別在30 d及60 d養(yǎng)護齡期干凍條件下，進行不同凍融循環(huán)次數(shù)后，在單軸抗壓試驗中獲得的應力-應變曲線。由圖8和9可知，隨著養(yǎng)護齡期的增長，粉煤灰土抗壓強度有所提高，60 d養(yǎng)護齡期的粉煤灰土抗壓強度高于30 d養(yǎng)護齡期的粉煤灰土抗壓強度。其次，凍融循環(huán)次數(shù)對抗壓強度影響明顯，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強度顯著降低。30 d養(yǎng)護齡期下凍融0次粉煤灰土的抗壓強度為1.61 MPa，為凍融20次粉煤灰土抗壓強度0.89 MPa的1.81倍。60 d養(yǎng)護齡期下凍融0次粉煤灰土的抗壓強度為1.95 MPa，為凍融20次粉煤灰土抗壓強度1.01 MPa的1.93倍。

圖6 30 d齡期水泥土的應力-應變曲線 圖7 60 d齡期水泥土的應力-應變曲線

圖8 30 d齡期粉煤灰土的應力-應變曲線 圖9 60 d齡期粉煤灰土的應力-應變曲線

3.3 凍融循環(huán)次數(shù)及齡期對試塊抗壓強度的影響

圖10為不同齡期，不同凍融循環(huán)次數(shù)干凍條件下水泥土的抗壓強度變化曲線。從圖10中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，水泥土的單軸抗壓強度有明顯的下降趨勢，且下降幅度與凍融循環(huán)次數(shù)有關。在0到15次凍融循環(huán)過程中，抗壓強度下降速率較小，曲線斜率較緩和；在15次凍融循環(huán)后，水泥土抗壓強度降低幅度較大。說明較少的凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗壓強度影響相對較小，隨著凍融次數(shù)的增加，凍融循環(huán)作用對水泥土強度的影響越來越明顯。其次，由圖10中還可看出，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，60 d養(yǎng)護齡期的水泥土抗壓強度均高于30 d養(yǎng)護齡期的水泥土抗壓強度，說明隨著齡期的增長試塊的抗凍性能有所提高。

圖11為不同齡期，不同凍融循環(huán)次數(shù)干凍條件下粉煤灰土的抗壓強度變化曲線。與水泥土類似，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，粉煤灰土的單軸抗壓強度下降明顯，但下降幅度與水泥土并不相同。在0到7次凍融循環(huán)過程中，抗壓強度下降速率較大，在7次凍融循環(huán)后，粉煤灰土抗壓強度降低幅度較小，說明凍融循環(huán)作用對粉煤灰土的初期強度影響較大。此外隨著齡期由30 d增長為60 d，粉煤灰土抗壓強度在各個凍融循環(huán)次數(shù)下均有增長，說明齡期的增長有益于試塊抗凍性能的提高。

3.4 水泥土和粉煤灰土破壞機理分析

在凍融條件下，當溫度降低至試塊毛細孔內水份的結冰溫度時，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，其體積增大約9%。體積的增大會對毛細孔壁產(chǎn)生膨脹應力，當膨脹應力大于改良土之間的膠結強度時，就會在毛細孔隙周圍產(chǎn)生微小的不可逆的裂縫。當溫度升高固態(tài)水開始融化時，原毛細孔隙由于體積增大，附近區(qū)域的水份遷移填充。當溫度再次降低到結冰溫度時，原有的裂縫將進一步擴大。隨著凍融次數(shù)的增加，凍融反復進行，微小的裂縫損傷累積擴大、連通，最終導致了改良土凍融循環(huán)的破壞。

圖12為90 d齡期水泥土在干、濕兩種凍融條件下分別進行0和15次凍融循環(huán)后獲得的單軸抗壓試驗結果。由圖12可知，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，干凍水泥土試塊的強度均高于濕凍水泥土試塊的強度，說明濕凍條件下的高含水率降低了水泥土試塊的強度。

有研究表明[19]，水在毛細孔中的結冰溫度和毛細孔徑有關，如水在1 μm的孔隙中結冰溫度為-2～- 3℃，在0.1 μm的孔隙中為- 8～- 10℃，在小于0.1 μm的孔隙中為- 30～- 40℃，隨著孔隙孔徑的降低，凍結冰點下降。粉煤灰摻料的顆粒極細，在與土體攪拌制樣時容易進入到土體孔隙間，使大孔隙變?yōu)樾】紫?。水泥的顆粒直徑大于粉煤灰[18]，所以水泥填充土體小孔隙效果不及粉煤灰好，導致粉煤灰土的孔隙率小于水泥土的孔隙率，則粉煤灰土的冰點要低于水泥土的冰點，抗凍性能要優(yōu)于水泥土。

圖13為60 d養(yǎng)護齡期下水泥土和粉煤灰土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應力-應變曲線。

圖10 水泥土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化 圖11 粉煤灰土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖12 干、濕凍融水泥土的應力-應變關系曲線 圖13 水泥土與粉煤灰土的應力-應變關系曲線對比

由圖13可知，在3次凍融循環(huán)后水泥土的抗壓強度高于粉煤灰土的抗壓強度；15次凍融循環(huán)后水泥土的抗壓強度幾乎和粉煤灰土抗壓強度相等；在20次凍融循環(huán)后，粉煤灰土的抗壓強度反而高于水泥土的抗壓強度。圖13與圖11、12中的結果相一致，即水泥土抗壓強度降低幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而粉煤灰土抗壓強度降低幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，因而在一定凍融循環(huán)次數(shù)后，粉煤灰土抗壓強度會高于水泥土抗壓強度。

4 結 論

本文通過對凍融循環(huán)后的水泥土及粉煤灰土進行單軸抗壓試驗，分析研究了不同因素影響下改良土的力學性能，得到如下結論：

(1)改良土的單軸抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)不同程度的降低。凍融循環(huán)作用對水泥土強度的影響隨著凍融次數(shù)的增加越來越明顯，而凍融循環(huán)作用僅在初期對粉煤灰土的強度影響較大。

(2)改良土的抗凍性能隨著養(yǎng)護齡期的增長有不同程度的提高。干凍、濕凍對改良土單軸抗壓強度影響明顯，相同凍融次數(shù)下干凍改良土的抗壓強度高于濕凍條件下的抗壓強度。

(3)通過對水泥土和粉煤灰土破壞機理進行分析，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻料的顆粒粒徑小于水泥摻料的顆粒粒徑，因而填充土體細小孔隙效果更優(yōu)。水在毛細孔中的結冰溫度與毛細孔徑有關，結冰溫度隨著毛細孔徑的減小而降低，因而粉煤灰土的抗凍性能優(yōu)于水泥土的抗凍性能，表現(xiàn)在經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)較少時水泥土的單軸抗壓強度大于粉煤灰土的單軸抗壓強度，達到20次凍融循環(huán)次數(shù)后粉煤灰土的抗壓強度反而要高于水泥土的抗壓強度。