水泥固化土抗凍性能影響因素分析

李學(xué)德，林慶梅，彭旭華，蘇葉平，趙泱軍

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇省科佳工程設(shè)計(jì)有限公司揚(yáng)州分公司，江蘇 揚(yáng)州 225101；3.重慶市水利局，重慶 401147)

水泥固化土是將含有一定含水率的土體與水泥混合，經(jīng)水化反應(yīng)后形成堅(jiān)硬的水泥固化體，從而使加固土體的土工特性得到改善。水泥土的強(qiáng)度指標(biāo)，通常由水泥土試樣(一般為直徑5 cm、高10 cm的圓柱體)的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)來檢驗(yàn)[1-2]。國內(nèi)多位學(xué)者以水泥作為外摻劑，針對不同地基土進(jìn)行了力學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)分析，分別提出了不同的最佳水泥摻入比[3-4]。綜合前人研究的成果，分析了水泥摻量、含水率等因素對水泥固化土的強(qiáng)度、變形和滲透等特性的影響，結(jié)果表明，水泥固化土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥用量，其次是原料土的含水率[5-9]。由于固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度容易測定，所以過去對該內(nèi)容研究較多，但對于固化土的耐久性能特別是固化土抗凍性能研究得較少[10-11]?？箖鲂允窃u價(jià)固化土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)，分析影響水泥固化土抗凍性能的因素，對研究其結(jié)構(gòu)耐久性有著重要意義。影響水泥固化土抗凍性能的因素較多，本文主要研究土壤含水率及水泥摻量對其抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于水泥固化土抗凍性能的研究成果較少，本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水泥固化土抗凍性能與影響因素的關(guān)系，根據(jù)不同的使用環(huán)境，確定不同的土壤含水率及水泥摻量[12]，具體試驗(yàn)配比見表1。

表1 試驗(yàn)方案 單位：%

1.2 試驗(yàn)方法

目前，對于水泥固化土的抗凍性試驗(yàn)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本次參照混凝土抗凍性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料[13-15]，按照無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件(φ50 mm)成型方法制作試件，試件脫模后，立即放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期。養(yǎng)護(hù)完成后，將固化土試件放入水中浸泡24 h ，測定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)與未浸泡試件的強(qiáng)度進(jìn)行比較，研究固化土的水穩(wěn)定性。進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)前，先將固化土試件放入水中浸泡24 h，使其吸水飽和，將試件的表面水擦干后稱取重量，然后放入低溫試驗(yàn)箱中，在-17～-20℃條件下凍結(jié) 4 h，凍結(jié)完成后把試件取出，放入(20±3)℃的水中融解4 h，將這一過程作為一次凍融循環(huán)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水穩(wěn)定試驗(yàn)

固化土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d，浸水飽和后及未做浸水處理的試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值見表2。

表2 水泥固化土抗壓強(qiáng)度值 單位：MPa

2.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

固化土試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d，經(jīng)過n次凍融循環(huán)后，各組試件質(zhì)量見表3。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 水穩(wěn)定性能分析

材料的水穩(wěn)定性能用軟化系數(shù)來表示，其取值在0～1之間。若軟化系數(shù)越大，則說明材料的水穩(wěn)定性能越好。固化土軟化系數(shù)γ，可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中γ——軟化系數(shù)；f——試件在浸水飽和狀態(tài)下的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；F——試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa。

本次試驗(yàn)固化土試件浸水后計(jì)算的軟化系數(shù)見表4。

表3 水泥固化土經(jīng)過n次凍融循環(huán)后質(zhì)量 單位：g

表4 水泥固化土水穩(wěn)定性能

對于長期處于潮濕環(huán)境下特別是處在水中的重要建筑物，要求選用材料的軟化系數(shù)需大于0.85。而對于處在潮濕較輕環(huán)境下或次要建筑物，其材料的軟化系數(shù)不宜低于0.70。本次試驗(yàn)試件其軟化系數(shù)均大于0.70，且除水泥摻量4%試件外，其余試件軟化系數(shù)均在0.80以上，說明水穩(wěn)定性能良好。

3.2 抗凍性能分析

雖然水泥加入土體后與水發(fā)生水解水化反應(yīng)，生成CaSiO4、CaAl2O3等凝膠狀的水化產(chǎn)物，膠結(jié)土壤顆粒，并改善了土壤中的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了土體強(qiáng)度。但是由于水泥固化土內(nèi)部不密實(shí)并且含有原始細(xì)微損傷，當(dāng)承受凍融作用后，試件內(nèi)部在原始細(xì)微損傷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生大量的細(xì)微裂紋，并且會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷發(fā)展，到一定程度時(shí)會導(dǎo)致水泥固化土性能的劣化，抗凍性能降低。

參照混凝土抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范，以質(zhì)量損失率衡量固化土的抗凍性能。質(zhì)量損失率可按式(2)計(jì)算，以3個試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為測定值：

(2)

式中Wn——n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，%；G0——凍融前的試件質(zhì)量，g；Gn——n次凍融后的試件質(zhì)量，g。

當(dāng)試件的質(zhì)量損失率超過5%時(shí)，表明試件已被凍融破壞，凍融循環(huán)結(jié)束。經(jīng)過n次凍融循環(huán)后，固化土試件質(zhì)量損失率見表5。

表5 水泥固化土經(jīng)過n次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率 %

3.2.1土壤含水率對抗凍性能的影響分析

試驗(yàn)中部分試件經(jīng)15次凍融循環(huán)后，達(dá)到破壞狀態(tài)，本次以經(jīng)10次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率為研究對象。由表5可知，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率隨著土壤含水率的增加先減小后增大。當(dāng)土壤含水率為16%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為1.32%；當(dāng)含水率為20%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為1.22%；當(dāng)含水率為22%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為1.32%；當(dāng)含水率為18%，接近土壤的最優(yōu)含水率時(shí)，平均質(zhì)量損失率最小為1.09%。土壤含水率與質(zhì)量損失率關(guān)系見圖1。

(3)

R2=0.92

圖1 土壤含水率與質(zhì)量損失率關(guān)系

3.2.2水泥摻量對抗凍性能的影響分析

由表5可知，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率隨著水泥摻量的增大而減小。當(dāng)摻量為4%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為3.30%；當(dāng)摻量為8%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為0.86%；當(dāng)摻量為12%時(shí)，平均質(zhì)量損失率為0.36%；當(dāng)摻量為16%時(shí)，平均質(zhì)量損失率最小為0.32%。水泥摻量與質(zhì)量損失率關(guān)系見圖2。

圖2 水泥摻量與質(zhì)量損失率關(guān)系

通過圖2，水泥摻量與質(zhì)量損失率符合函數(shù)(y=axb+c)關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，計(jì)算相關(guān)參數(shù)值。設(shè)水泥摻量對10次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率的影響函數(shù)為Q(c)。利用回歸分析得到Q(c)的擬合函數(shù)為：

Q(c)=62.2580c-2.1448+0.1181，R2=0.98

(4)

3.2.3綜合影響分析

由于土壤含水率及水泥摻量2個因素單位不同，不能直接比較其對水泥固化土抗凍性能的影響，因此采用相對數(shù)值法分析，將兩因素進(jìn)行同一歸化[16]。由表5中數(shù)據(jù)，兩因素對質(zhì)量損失率的影響見圖3(橫坐標(biāo)為各因素取值與各自最大取值的比值)。

圖3 水泥固化土質(zhì)量損失率影響因素分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥摻量對水泥固化土抗凍性能影響較大，質(zhì)量損失率隨著水泥摻量的增大而減小，但并不是摻量越大越好，當(dāng)水泥摻量超過一定值時(shí)，抗凍性能隨摻量增加，提高幅度變得不明顯；土壤含水率對水泥固化土抗凍性能影響較小，當(dāng)接近土壤最優(yōu)含水率時(shí)，內(nèi)部水分能與水泥發(fā)生充分水化反應(yīng)，水泥固化土抗凍性能最優(yōu)，當(dāng)含水率繼續(xù)增大時(shí)，多余的水分結(jié)冰膨脹會增大對固化土結(jié)構(gòu)內(nèi)部凍害的影響，降低固化土的抗凍性能。

4 結(jié)論

a)通過試驗(yàn)結(jié)果可知，除4%水泥摻量的水泥固化土試件浸水軟化系數(shù)小于0.80，但均大于0.70以外，其余摻量均大于0.80，說明水泥固化土水穩(wěn)定性能較好。

b)通過結(jié)果分析可知：水泥摻量對水泥固化土抗凍性能影響顯著，隨摻量增大，抗凍性能變好，但并不是摻量越大越好，當(dāng)水泥摻量超過一定值時(shí)，抗凍性能變化不明顯；土壤含水率對水泥固化土抗凍性能影響較小，當(dāng)接近土壤最優(yōu)含水率時(shí)，水泥固化土抗凍性能最優(yōu)。