凍融循環(huán)影響下水泥、煤矸石改良粉土的力學特性研究

黃道軍，李東華，張鎮(zhèn)山，王景輝，黃克峰，李永靖，張淑坤

(1.中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司,北京 100053；2.中建國際投資(安徽)有限公司,合肥 230051； 3.遼寧工程技術(shù)大學土木工程學院,阜新 123000)

0 引 言

在負溫地區(qū)，大氣溫度的周期性變化會對路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴重的危害，低溫會導致路基收縮裂縫，尤其在地下水活動強烈的路段，低溫易使路基造成凍脹，甚至導致路面結(jié)構(gòu)破壞。在春季融化時，交通荷載較大的路段，伴隨著升溫融化又會形成路基翻漿病害[1-2]。粉土屬于路基填筑的不良填料，干時有粘性，易于破碎，毛細作用強烈，浸水時易成為流動狀態(tài)。存在負溫地區(qū)使用該填料修筑路基時，易引發(fā)凍脹、翻漿等災(zāi)害[3-4]。因此，在水作用強烈的負溫地區(qū)，路基填筑工程中若要使用粉土進行路基填筑，就需要對其土質(zhì)進行改良。

現(xiàn)如今，有很多學者對粉土以及改良粉土作為路基填筑土的工程性質(zhì)做出了大量研究。張德等[5]在圍壓0.3～15 MPa、溫度-6 ℃對凍結(jié)粉土的工程性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均分為線彈性、彈塑性以及應(yīng)變軟化三個階段，且圍壓越大，強度是由增大后逐漸轉(zhuǎn)為減小。宋金華等[6]以對凍融循環(huán)影響的素土以及摻不同石灰量的改性粉土為研究對象，通過室內(nèi)試驗得出，改性粉土抗凍性改良后要明顯大于素土。朱福[7]在-15～15 ℃，以壓實度和摻灰量為變量，對改良粉土進行性了壓縮試驗，結(jié)果表明，壓實度、摻灰量越大，其強度越大，凍融循環(huán)在5～7次時強度下降較快，7次后逐漸變緩，石灰摻量過多，抗凍性能減弱顯著。談云志等[8]對分別摻加5%水泥和石灰的改性粉土，在不同的壓實度和含水率的情況下進行了冷凍溫度-16 ℃、常溫25 ℃的凍融循環(huán)試驗，結(jié)果表明，改良粉土的壓實度越大，其強度越大，凍融循環(huán)后，其強度的衰減幅度是石灰改良粉土大于水泥改良粉土，抗凍穩(wěn)定性石灰改良粉土的較差。楊晶[9]以初始含水率和壓實度為變量，通過粉土的CBR試驗，結(jié)果表明，CBR峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率的對應(yīng)點。由于土體的力學性能最好是在最佳含水率時，因此本文研究處于最佳含水率土體的力學性能。

目前，粉土的改良多數(shù)是摻加石灰或者水泥進行改良，鑒于前人的研究，石灰改良粉土的抗凍性較弱，且改良粉土在低溫穩(wěn)定性研究方面并未大量展開[10-11]。因此，以水泥和煤矸石對粉土進行改良，開展凍融循環(huán)作用下水泥和煤矸石的改良粉土的力學特性研究，以期為類似粉土路基填筑工程施工提供相關(guān)借鑒。

1 實 驗

1.1 材 料

粉土：京哈高速公路哈爾濱區(qū)間某土場，土樣嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)測定顆粒級配、液塑限、最優(yōu)含水率，得出大于0.075 mm粒徑的顆粒占總質(zhì)量的45.22%，塑性指數(shù)IP=8.4，最大干密度1.70 g/cm3，最優(yōu)含水率14.4%，不均勻系數(shù)Cu=1.6，曲率系數(shù)Cc=0.9，屬于顆粒級配不良土。水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，源于阜新大鷹水泥。煤矸石：阜新清河門礦自燃煤矸石，在破碎處理后，經(jīng)篩分后得：粒徑在5～25 mm，連續(xù)級配良好；小于5 mm的粒徑為中砂，細度模數(shù)Mx=2.76。水：阜新自來水。

1.2 試樣制備

根據(jù)課題組前期試驗成果，確定對于該粉質(zhì)土改良劑比例，水泥摻入量為粉土質(zhì)量的5%，煤矸石摻入量為粉土質(zhì)量的20%。將取回的粉土曬干至均勻，過2 mm細篩網(wǎng)，向土樣中摻入水泥和煤矸石，攪拌均勻后，分四層進行重擊型擊實，獲得改良土的最優(yōu)含水率為10.2%，最大干密度為1.95 g/cm3。因此，制作試件壓實前，向經(jīng)均勻攪拌后的改良粉土中加水至含水率為10.2%，之后按照《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)壓實度96%進行重力型靜力法制作圓柱形試件，分四層進行擊實成型，直徑39.1 mm、高80 mm，壓實時間不能超過水泥的初凝時間4 h。試件制作完成后，保鮮膜密封保存，并對制成的試件進行標準養(yǎng)護7 d。

1.3 方 案

對養(yǎng)護后的試件恒溫恒濕進行脫干或增濕至所需含水率10.2%，包好保鮮膜，放入凍融箱，綜合考慮當?shù)孛磕旰涑潭炔煌?，調(diào)節(jié)凍結(jié)溫度T分別等于-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃，冷凍24 h，取出放在20 ℃下融化24 h為完成一次凍融，即-25～20 ℃、-30～20 ℃、-35～20 ℃共三類凍融循環(huán)，循環(huán)次數(shù)n=0、1、4、8、12、16。

依據(jù)規(guī)程[12]，試驗是在MTS815.02巖石力學試驗系統(tǒng)上進行的，采取不固結(jié)不排水的方法，加載速率0.012 mm/s，由現(xiàn)場勘測得出當?shù)胤弁练秶鷥?nèi)的圍壓為70～150 MPa。試驗研究圍壓σ3分別為0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，在軸向應(yīng)變?yōu)?5%或試件徹底破壞時終止試驗。凍融循環(huán)試件共240個，按照凍融溫度分為三大組，每組75個，每大組分為25個小組進行三軸壓縮試驗，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1描述的是負溫度T=-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)n=0、1、4、8、12、16時的改良粉土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。T=-25 ℃時，圍壓0 kPa、50 kPa，凍融循環(huán)并未改變改良粉土的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均屬于應(yīng)變軟化型；圍壓100 kPa，凍融循環(huán)16次，改良粉土的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變，呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型；圍壓200 kPa，凍融循環(huán)8次、12次、16次，結(jié)構(gòu)均發(fā)生損傷，屬于應(yīng)變硬化型；圍壓300 kPa，凍融循環(huán)4次、8次、12次、16次，均屬于應(yīng)變硬化型。T=-30 ℃時，圍壓0 kPa，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均屬于應(yīng)變軟化；圍壓50 kPa，凍融循環(huán)16次，就開始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，呈應(yīng)變硬化型，比-25 ℃凍融循環(huán)發(fā)生的早；圍壓100 kPa、200 kPa，凍融循環(huán)8次、12次、16次，均屬于應(yīng)變硬化型，比-25 ℃提前出現(xiàn)；圍壓300 kPa，應(yīng)變硬化現(xiàn)象的發(fā)生與-25 ℃時凍融次數(shù)相同。T=-35 ℃時，圍壓為0 kPa，經(jīng)過凍融16次改良粉土就呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；圍壓50 kPa，在n=12次時開始發(fā)生應(yīng)變硬化；圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa各在凍融循環(huán)8次、4次、4次呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型。對圖1(a)～1(c)縱向和橫向比較可見，溫度的降低、凍融循環(huán)次數(shù)的增多、圍壓的增大，可加重改良粉土結(jié)構(gòu)的損傷。

圖1 改良粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.1 Stress-strain curves of improved silt

2.2 極限強度

圖2描述的是不同凍融循環(huán)次數(shù)、圍壓、溫度條件下，改良粉土極限強度變化規(guī)律。當凍融次數(shù)和圍壓不變時，隨著溫度的降低，改良粉土極限強度逐漸衰減；當凍融次數(shù)和溫度不變時，增大圍壓可提高改良粉土極限強度；當圍壓和溫度不變時，凍融次數(shù)的增加可促使改良粉土極限強度降低，且在n=1時，極限強度減小的速度最快，凍融1～8次時，極限強度下降較為緩慢，凍融8～16次時，下降較為平緩。因此，可將改良粉土極限強度衰減分為三個階段：快速階段、緩慢階段、穩(wěn)定階段。

凍融循環(huán)16次后，即改良粉土極限強度達到相對穩(wěn)定。劣化為所研究力學指標在同一溫度、圍壓下，凍融16次相對于未凍融時指標減小的百分數(shù)。溫度相同時，隨著圍壓的增大，強度劣化現(xiàn)象逐漸減小，且-25 ℃和-30 ℃劣化規(guī)律較為一致；圍壓在0～50 kPa和100～300 kPa區(qū)間，劣化減小速度較為緩慢；圍壓50～100 kPa區(qū)間，則劣化速度較快，-35 ℃時，0～100 kPa較100～300 kPa劣化減小的速度快；圍壓相同時，隨著溫度的降低，強度劣化越嚴重，且-30 ℃、-35 ℃較-25 ℃劣化較快，-30 ℃和-35 ℃劣化差距較小。原因在于溫度越低，改良粉土的極限強度劣化越多，且在溫度不斷降低的過程中，劣化有趨于穩(wěn)定的趨勢；劣化隨圍壓的增大逐漸減小，劣化程度逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 彈性模量

圖3描述了圍壓、凍融和溫度共同影響下，改良粉土彈性模量的變化規(guī)律。溫度和圍壓不變，彈性模量隨凍融次數(shù)的增加是減小的，且在n=1時較未凍融前減小量最大。凍融循環(huán)8次以后，彈性模量逐漸趨于穩(wěn)定，變化過程與極限強度相同，都經(jīng)歷了快速、緩慢、穩(wěn)定三個過程；溫度和凍融次數(shù)不變，增大圍壓可提升彈性模量；圍壓和凍融次數(shù)一定時，溫度越低，彈性模量越小。從3條曲線的間距來看，-25 ℃與-30 ℃彈性模量差值較大，而-30 ℃與-35 ℃的差值較小。

圖2 改良粉土的極限強度及劣化
Fig.2 Ultimate strength and deterioration of improved silt

圖3 改良粉土彈性模量及劣化
Fig.3 Elastic modulus and deterioration of improved silt

不同圍壓作用下的試件，彈性模量在凍融循環(huán)16次后，整體上增大圍壓可抑制彈性模量劣化，降低溫度可促進彈性模量劣化。-30 ℃、-35 ℃時，劣化曲線較為一致，可分為三段。0～50 kPa劣化減小的速度較快；50～100 kPa緩慢，100～300 kPa平緩，且0～200 kPa劣化較為接近；圍壓大于100 kPa、-35 ℃時，劣化趨于穩(wěn)定，說明過低的溫度不會導致彈性模量無限制減小。-25 ℃彈性模量的劣化在0～50 kPa、100～300 kPa明顯低于-30 ℃、-35 ℃的劣化速度。

2.4 粘聚力

圖4描述了改良粉土在負溫度變化的情況下，粘聚力隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，以及n=16時粘聚力的劣化情況。溫度不變，凍融次數(shù)的增加促使粘聚力下降，但下降的斜率是減小的，且-25 ℃和-30 ℃在凍融循環(huán)12次時出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，之后降速變慢。-35 ℃是在凍融8次出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的，可見溫度越低，粘聚力降速變緩來得越早；凍融次數(shù)一定時，隨溫度的降低，表現(xiàn)出的粘聚力越弱；曲線間隔來看，-30 ℃和-35 ℃的粘聚力較為接近，而與-25 ℃的距離較遠，可見降低溫度，粘聚力劣化程度逐漸平穩(wěn)。綜上所述，溫度越低，粘聚力的劣化越嚴重。從斜率上看，粘聚力劣化速度是變緩的。

2.5 內(nèi)摩擦角

圖5描述了改良粉土在負溫度變化的情況下，內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，以及在n=16時內(nèi)摩擦角的劣化情況。溫度一定時，增加凍融次數(shù)可促使內(nèi)摩擦角降低，但減小的速率是逐漸變慢的，且-30 ℃和-35 ℃在n=8以后逐漸趨于平緩，并趨于定值，并高于-25 ℃的內(nèi)摩擦角，可見溫度的降低對改良粉土的內(nèi)摩擦角影響較小，在前8次是隨著溫度的降低而減小的。內(nèi)摩擦角的劣化程度總體上較小，低于20%，且隨著溫度降低，內(nèi)摩擦角的劣化程度趨于穩(wěn)定。

圖4 改良粉土粘聚力及劣化
Fig.4 Cohesion and deterioration of improved silt

圖5 改良粉土內(nèi)摩擦角及劣化
Fig.5 Internal friction angle and deterioration of improved silt

3 討 論

水泥和煤矸石的加入，降低了不良粉土的最優(yōu)含水率，提升了最大干密度，改善了不良粉土的性能。首次凍融改良粉土的力學指標減弱的幅度較大，原因在于最初的水泥、煤矸石改良粉土試樣處于平衡狀態(tài)，壓實度為96%，含水率為最優(yōu)含水率，此時試樣的各項力學指標都是最優(yōu)的。經(jīng)凍結(jié)，水泥未填充到的煤矸石自身微裂縫得到發(fā)展，平衡狀態(tài)被打破，由外到內(nèi)將產(chǎn)生溫度差，水滲入煤矸石微裂縫，結(jié)冰后體積膨脹產(chǎn)生凍脹力，而試樣內(nèi)部的孔隙分布也隨之發(fā)生改變，在負溫度作用下，固體顆粒體積收縮但不均勻，溫度越低，體積收縮的越嚴重，因此，在首次凍融循環(huán)后，試樣力學指標減弱幅度較大，降低凍結(jié)溫度可使力學性能減弱的幅度增大。多次凍融循環(huán)后，改良粉土試樣為抵抗損傷的擾動而達到新的平衡狀態(tài)，所以力學指標逐漸趨于平穩(wěn)，則劣化的程度也趨于穩(wěn)定，從溫度上看，溫度的降低是加重劣化的，但摻入水泥和煤矸石可降低劣化速度。路基工程應(yīng)用中，當溫度低于零度時，溫度會沿著路基結(jié)構(gòu)內(nèi)的垂直方向從上到下漸漸過渡到零度以下，由此而產(chǎn)生負溫度坡降。此時，路基土中的水分將會以液或氣的狀態(tài)，由熱的地方向冷的地方移動，與摻入的水泥反復發(fā)生化學反應(yīng)，水化產(chǎn)物可致密改良粉土結(jié)構(gòu)，填充煤矸石孔隙，使得質(zhì)量損失降低，煤矸石又可以起到很好的承載作用。所以，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，改良粉土力學性能將逐漸穩(wěn)定，且衰減程度也逐漸平緩。

4 結(jié) 論

(1)反復凍融、過低的溫度、過高的圍壓，可促使改良粉土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變軟化型向硬化型轉(zhuǎn)變。其中，土樣的破壞形式是從脆性破壞過渡到塑性破壞。

(2)凍融會導致改良粉土力學性能減弱。宏觀上表現(xiàn)為：極限強度、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角減小，且凍結(jié)溫度越低，其性能越差，當凍融循環(huán)8次后其力學性能逐漸穩(wěn)定。其中，首次凍融循環(huán)后，各力學指標降低的幅度顯著，且凍結(jié)的溫度越低，降低的幅度越大，凍融循環(huán)中期，降低的幅度越來越小，后期逐漸穩(wěn)定。

(3)凍結(jié)的溫度越低，改良粉土的極限強度、彈性模量、粘聚力的劣化程度越嚴重，內(nèi)摩擦的劣化程度卻是減輕的。隨著溫度的降低，各力學指標劣化曲線斜率的絕對值是逐漸減小的，即隨著溫度的降低，凍融循環(huán)后各力學指標不會無限度的劣化，而是趨于穩(wěn)定的。