干濕—凍融環(huán)境耦合作用下路基水穩(wěn)層的安全性能分析

劉 彬

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，四川成都610000）

我國(guó)分布著廣泛的季節(jié)性?xún)鐾僚c鹽漬土，地下礦化的水鹽通過(guò)毛細(xì)作用上升至路基水穩(wěn)層，加之晝夜溫差大和干燥氣候的影響，對(duì)路基水穩(wěn)層產(chǎn)生強(qiáng)烈的干濕循環(huán)作用。目前，對(duì)于干濕循環(huán)作用和凍融循環(huán)作用下材料耐久性已經(jīng)有了大量的研究成果，但同時(shí)考慮鹽漬土環(huán)境下凍融—水鹽循環(huán)耦合環(huán)境作用下的研究相對(duì)較少，因此，本文擬通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)水——鹽——溫復(fù)雜環(huán)境作用下路基水穩(wěn)層的物理力學(xué)行為影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,以期能為我國(guó)鹽漬凍土區(qū)水穩(wěn)層的安全性和實(shí)用性的綜合評(píng)價(jià)工作提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

選用PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間≥3 h，終凝時(shí)間≤8 h，粗集料的粒徑范圍為32.5～4.75mm，針片狀含量低于10%；細(xì)集料的粒徑范圍為0～4.75mm。水泥混合料質(zhì)量分別為4%、5%、6%，水灰比取經(jīng)驗(yàn)值 1：1.25，顆粒根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)選擇尺寸18mm以下的顆粒。將攪拌好的水泥漿填入模具內(nèi)，通過(guò)振蕩排除水泥漿內(nèi)的氣泡。靜置24h后進(jìn)行脫模，脫模稱(chēng)重后立即放入濕氣箱中進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為30d，溫度保持（20±1）℃，在養(yǎng)護(hù)期間試件質(zhì)量損耗若超過(guò)10g應(yīng)當(dāng)作廢。硫酸鹽干循環(huán)過(guò)程中，浸漬溶液為5%濃度的硫酸鈉溶液，干濕循環(huán)程序是：注水→浸漬→排水→烘干→冷卻。凍融循環(huán)步驟為：將溫度降至-25℃并保持-25℃恒溫，持續(xù)時(shí)間為4 h；然后將溫度升高至10℃并保持10℃恒溫，持續(xù)時(shí)間也為4 h，按照上述過(guò)程循環(huán)30次。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 對(duì)質(zhì)量的影響

水鹽干濕—凍融循環(huán)過(guò)程中水穩(wěn)層試件的質(zhì)量變化情況見(jiàn)圖1。

圖1 質(zhì)量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖1中可以看出：水穩(wěn)層的質(zhì)量損失隨循環(huán)次數(shù)增加呈逐漸增大趨勢(shì)，且降低幅度逐漸增大，即質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)呈加速減小趨勢(shì)；干濕—循環(huán)10次、20次、30次后的試件質(zhì)量分別較原始試件下降40g、92g和296g；通過(guò)擬合，得到了水穩(wěn)質(zhì)量損失與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系符合y=0.4401x1.88的冪函數(shù)關(guān)系，擬合度R^2達(dá)到0.9995。在水鹽的浸泡腐蝕作用下，水穩(wěn)層本身會(huì)產(chǎn)生一定的力學(xué)性能的降低，再加之凍融循環(huán)作用，使得其力學(xué)性質(zhì)劣化更快，故而質(zhì)量損失逐漸加快。

2.2 對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)得到的水穩(wěn)層抗壓和抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

從圖2中可以對(duì)比看到：隨著干濕—凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水穩(wěn)層內(nèi)部的損傷越來(lái)越大，經(jīng)水鹽侵蝕過(guò)后，部分物質(zhì)溶解和腐蝕劣化，導(dǎo)致水穩(wěn)層的膠結(jié)力和物質(zhì)本身的強(qiáng)度降低，即混凝土受到內(nèi)部鈣釩石、石膏等礦物遇水膨脹作用產(chǎn)生損傷，干燥后由于蒸發(fā)作用引起鹽結(jié)晶壓力的損傷，故而從宏觀(guān)上表現(xiàn)為強(qiáng)度的逐漸降低；經(jīng)30次干濕—凍融循環(huán)過(guò)后，水穩(wěn)層的抗壓強(qiáng)度值僅為原始試件的31.5%，抗拉強(qiáng)度值僅為原始試件的65.2%，可見(jiàn)，水鹽干濕循環(huán)對(duì)于水穩(wěn)層抗壓強(qiáng)度的影響大于抗拉強(qiáng)度的影響程度。

2.3 對(duì)彈性模量的影響

水穩(wěn)層試樣在經(jīng)過(guò)干濕—凍融循環(huán)過(guò)程中的彈模變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出：干濕循環(huán)10次后，動(dòng)彈性模量和靜彈性模量均有增加趨勢(shì)，而在經(jīng)歷20次和30次干濕—凍融循環(huán)后，其彈模又呈逐漸減小特征，發(fā)生上述情況的原因可能在于試樣在低循環(huán)次數(shù)下腐蝕作用不明顯，而水穩(wěn)層吸收部分水分和鹽分，導(dǎo)致力學(xué)行為出現(xiàn)變異；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增大后，水穩(wěn)層試樣的表層逐漸脫落，質(zhì)量顯著降低，且試件內(nèi)部的水鹽含量逐漸趨于飽和，不再吸收，因此，彈模將逐漸降低；也有可能是因?yàn)樵嚰碾x散性造成，這在下一步的研究中做重點(diǎn)探討。

圖3 彈性模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

⑴水鹽干濕—凍融循環(huán)下水穩(wěn)層的質(zhì)量損失呈冪函數(shù)型增加，質(zhì)量損失率逐漸增大；⑵水鹽干濕—凍融循環(huán)過(guò)后，水穩(wěn)層的強(qiáng)度呈明顯降低趨勢(shì)，30次循環(huán)過(guò)后，抗壓和抗拉強(qiáng)度分別下降約68.5%和34.8%；⑶動(dòng)彈性模量和彈性模量在水鹽干濕—循環(huán)作用下的變化規(guī)律基本保持一致變化，均隨凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加呈先增后減小趨勢(shì)。