凍融作用下水泥改良鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)研究

曾平江

(郴州市公路橋梁有限責(zé)任公司，湖南 郴州 423000)

鹽漬土屬于特殊土，其工程性質(zhì)不穩(wěn)定，易受周圍水、溫度、鹽等環(huán)境條件的影響，難以滿足路基填筑要求；同時(shí)在反復(fù)凍融作用下，其密度、強(qiáng)度、滲透性等物理力學(xué)性質(zhì)降低，致使路基出現(xiàn)凍脹翻漿、裂縫、沉陷及不均勻沉降等病害。為保證路基施工質(zhì)量，提高路基穩(wěn)定耐久性，需對(duì)天然鹽漬土進(jìn)行改良處治。Anca Hotineanu等研究了凍融作用下石灰改良土300 d凍脹率和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律；楊西鋒等對(duì)改良鹽漬土的方法及機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，提出了綜合固化方法；李作恒對(duì)石灰改良鹽漬土填料的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究；陳雪峰認(rèn)為濱海地區(qū)鹽漬土摻水泥后，其力學(xué)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性滿足路基填料技術(shù)要求；余云燕、張登武等研究了固化劑對(duì)鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明水泥改良土強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著；劉靖分析了電石灰對(duì)鹽漬土力學(xué)性能和耐久性的影響；張彧分析了不同溫度條件下含水率對(duì)鹽漬土抗剪強(qiáng)度的影響；張明俊的研究表明石灰摻量大于5%時(shí)，鹽漬土的抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)定性良好。當(dāng)前研究主要集中于改良鹽漬土力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)凍融作用下改良鹽漬土物理性質(zhì)變化規(guī)律及含鹽量對(duì)改良土力學(xué)強(qiáng)度影響的研究較少。該文以吉林某路基工程為依托，分析凍融作用下水泥改良鹽漬土物理力學(xué)性質(zhì)的改變。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

鹽漬土土樣取自松嫩平原西部，取土深度為1.6 m，其物理性質(zhì)和易溶鹽含量見(jiàn)表1、表2。水泥采用32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

表1 土樣的物理性質(zhì)

表2 土樣易溶鹽含量

表3 水泥技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JTG E51-2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》重型擊實(shí)試驗(yàn)甲法確定的最佳含水率，按96%壓實(shí)度采用擊實(shí)法成型φ39.1 mm×80 mm改良土試件。將成型試件用保鮮膜包裹，放入溫度(20±2) ℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)生。養(yǎng)生后，參照工程所在地區(qū)冬季氣溫變化范圍，選用凍融箱對(duì)試樣進(jìn)行凍結(jié)，溫度設(shè)為-20 ℃，凍結(jié)12 h；選用恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱對(duì)試樣進(jìn)行融化，溫度設(shè)為12 ℃、濕度為60%，融化12 h。此為一次凍融循環(huán)。試驗(yàn)中，若試樣質(zhì)量損失超過(guò)5%，則停止試驗(yàn)。試件達(dá)到凍融次數(shù)后，依次進(jìn)行凍脹率試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和顆粒組成試驗(yàn)，分析水泥劑量、含鹽量、養(yǎng)生方式對(duì)凍融作用下改良鹽漬土凍脹率、顆粒組成和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。

結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境、土樣易溶鹽總量和化學(xué)成分，水泥劑量取0、3%、4%、5%、6%和8%，含鹽量取0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，凍融次數(shù)為0、1、3、5、7、9、12、15、20次，養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生和室外風(fēng)干養(yǎng)生，室外風(fēng)干養(yǎng)生試件不用保鮮膜包裹。不同含鹽量的土樣通過(guò)向洗過(guò)鹽的天然鹽漬土中添加NaHCO3的方式制得。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍脹率

凍融作用下水泥改良鹽漬土凍脹率試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。試驗(yàn)土樣為天然鹽漬土。

圖1 水泥改良鹽漬土凍脹率試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知：同一水泥劑量下，水泥改良鹽漬土的凍脹率隨凍融次數(shù)增加逐漸增大，且凍融9次后凍脹率逐漸趨于穩(wěn)定，3%、4%、5%、6%、8%水泥劑量改良土凍融9次后凍脹率比凍融1次后凍脹率分別增加0.33%、0.28%、0.27%、0.17%、0.14%、0.09%；隨水泥劑量增加，改良土的凍脹率逐漸減小，與天然鹽漬土相比，3%、4%、5%、6%、8%水泥劑量改良土凍融9次后凍脹率分別減小31%、54%、71%、87%、91%。說(shuō)明凍融作用下素鹽漬土受凍脹作用明顯，隨水泥劑量增加，改良土經(jīng)歷相同凍融次數(shù)后凍脹率增長(zhǎng)幅度逐漸減小，可有效改善土體穩(wěn)定性。這是因?yàn)樗嗨a(chǎn)物與土粒發(fā)生膠結(jié)作用，形成土體骨架；同時(shí)水化產(chǎn)物填充土粒間孔隙，使孔隙直徑減小，阻礙水分的遷移和冰晶體的發(fā)展，隨水泥劑量增加，改良土凍脹率減小。

2.2 粒度成分

凍融作用下水泥改良鹽漬土粒度分布見(jiàn)圖2、圖3。試驗(yàn)土樣為天然鹽漬土。

圖2 凍融次數(shù)與改良鹽漬土粒度成分的關(guān)系

圖3 水泥劑量與凍融作用下改良鹽漬土粒度成分的關(guān)系

由圖2～3可知：1) 對(duì)于同一種水泥改良鹽漬土，凍融作用下不同水泥劑量改良土顆粒含量變化規(guī)律相近，隨凍融次數(shù)增加，砂粒與黏粒含量逐漸減小，粉粒含量逐漸增大，且改良土凍融9次后顆粒含量逐漸趨于穩(wěn)定。水泥劑量≥3%時(shí)，與未凍融改良土相比，改良土凍融9次后，砂粒和黏粒含量分別減小13.9%、3.4%，粉粒含量增加7.7%；改良土凍融20次后，砂粒和黏粒含量分別減小16.3%、3.6%，粉粒含量增加9.2%。表明凍融作用對(duì)改良土不同顆粒含量影響效果不同，其中砂粒含量受凍融循環(huán)作用的影響較大。2) 同一凍融次數(shù)下，鹽漬土摻入水泥后，砂粒含量大幅增加，粉粒含量大幅降低。這是由于水泥水化產(chǎn)物與黏土顆粒發(fā)生膠聚作用，使顆粒粒徑增大，黏粒含量顯著降低。另外，不同凍融次數(shù)的改良土顆粒含量隨水泥劑量增加變化趨勢(shì)基本一致，水泥劑量≥3%時(shí)，隨水泥劑量增加，改良土砂粒含量逐漸增大，粉粒和黏粒含量逐漸減?。凰鄤┝坑?%增加到8%時(shí)，改良土凍融1、9、15、20次后砂粒含量分別增大26.9%、40.7%、38.5%、38.4%左右，粉粒含量分別減小4.2%、8.7%、8.0%、8.0%左右，黏粒含量分別增大34.3%、20.6%、15.4%、13.1%左右。水泥劑量對(duì)改良土砂粒含量的影響最大，對(duì)粉粒含量的影響不顯著。

2.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3.1 水泥劑量的影響

不同凍融次數(shù)下水泥劑量對(duì)改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。試驗(yàn)土樣為天然鹽漬土。

圖4 凍融作用下水泥改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度

由圖4可知：1) 隨凍融次數(shù)增加，水泥改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度減速先快后慢，凍融9次后抗壓強(qiáng)度逐步趨于穩(wěn)定。與未凍融改良土相比，凍融20次后各水泥劑量改良土的抗壓強(qiáng)度分別降低65.4%、67.2%、50.8%、31.1%、26.6%、34.3%，說(shuō)明多次凍融作用使素鹽漬土及3%、4%水泥劑量改良土的抗壓強(qiáng)度顯著降低。2) 同一凍融次數(shù)下，隨水泥劑量增加，改良土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，水泥劑量<6%時(shí)，改良土的抗壓強(qiáng)度增速明顯，水泥劑量每增加1%，抗壓強(qiáng)度至少提高104%；水泥劑量≥6%時(shí)，改良土的抗壓強(qiáng)度增速逐漸減小，水泥劑量由6%增加至8%，抗壓強(qiáng)度平均提高17.7%。

2.3.2 含鹽量的影響

凍融作用下含鹽量對(duì)改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5。水泥改良土凍融作用次數(shù)為9次。

圖5 凍融作用9次下含鹽量與水泥改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖5可知：凍融作用下，水泥改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度隨含鹽量增加呈線性減小，線性相關(guān)系數(shù)大于0.96。含鹽量由0增加至2.0%時(shí)，4%、5%水泥劑量改良土的抗壓強(qiáng)度分別減小62.5%、54.6%。含鹽量為0.5%時(shí)，4%、5%水泥劑量改良土凍融9次后的抗壓強(qiáng)度分別為308.89、727.61 kPa，比含鹽量2.0%的同水泥劑量改良土分別提高100%、98%，說(shuō)明含鹽量對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的降低幅度顯著高于凍融作用的影響。另外，水泥劑量由4%增加至5%，改良土抗壓強(qiáng)度平均提高134%，說(shuō)明水泥對(duì)鹽漬土抗壓強(qiáng)度有明顯改良效果。

2.3.3 養(yǎng)生方式的影響

養(yǎng)生方式對(duì)凍融作用下水泥改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖6。試驗(yàn)土樣為天然鹽漬土。

圖6 養(yǎng)生方式與凍融作用下水泥改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

由圖6可知：同一水泥劑量下，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生和室外風(fēng)干改良鹽漬土試件的抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增加變化規(guī)律一致，凍融9次后抗壓強(qiáng)度逐漸減小至穩(wěn)定值，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的4%、5%水泥劑量改良土的抗壓強(qiáng)度分別為室外風(fēng)干同劑量改良土抗壓強(qiáng)度的1.17、1.12倍。這是因?yàn)楦牧纪猎陲L(fēng)干條件下養(yǎng)生，水分較易散失，使孔隙增大，強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

(1) 凍融作用下水泥改良鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)劣化。隨凍融次數(shù)增加，改良土凍脹率和粉粒含量增大、砂粒含量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，凍融9次后物理力學(xué)性質(zhì)趨于穩(wěn)定。

(2) 同一凍融次數(shù)下，隨水泥劑量增加，改良鹽漬土的凍脹率逐漸減小，比天然鹽漬土減小31%～91%；天然鹽漬土摻入水泥后，砂粒含量大幅增加，粉粒含量大幅降低，且水泥劑量對(duì)砂粒含量的影響明顯，水泥劑量由3%增加至8%，凍融作用下砂粒含量至少增大26.9%。

(3) 凍融作用對(duì)3%、4%水泥劑量改良鹽漬土抗壓強(qiáng)度的降低效果明顯，相比未凍融改良土，凍融20次改良土的抗壓強(qiáng)度平均降低66.3%；水泥劑量<6%時(shí)，水泥對(duì)鹽漬土抗壓強(qiáng)度的提升效果顯著，水泥劑量每增加1%，抗壓強(qiáng)度至少提高104%。

(4) 同一水泥劑量下，凍融作用下水泥改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度隨含鹽量增加呈線性減小，且含鹽量對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的降低幅度顯著高于凍融作用的影響，抗壓強(qiáng)度約降低49.6%；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生改良土的抗壓強(qiáng)度高于室外風(fēng)干改良土，約為1.15倍。