凍融循環(huán)對新型高分子材料SH固化黃土力學(xué)特性的影響試驗研究

徐鵬飛，李澤瑩，王銀梅，董 巖

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

1 研究背景

長期以來，有很多學(xué)者研究了不同固化劑對不同土的固化效果，如易耀林等［2］、柯睿等［3］、王銀梅等［4］、劉文白等［5］分別利用堿激發(fā)礦粉、水泥、SH固化劑、木質(zhì)素對軟土、淤泥、黃土、疏浚土進(jìn)行了固化研究。針對凍融循環(huán)對黃土物理化學(xué)性質(zhì)的影響，目前的研究主要集中在滲透性、強度和模量等方面。董曉宏等［6］研究了長期凍融循環(huán)對不同含水率和不同干密度下黃土抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，黃土的黏聚力先增大后減少，內(nèi)摩擦角幾乎沒有改變；肖東輝等［7］研究了凍融循環(huán)下黃土的孔隙率變化，發(fā)現(xiàn)10次凍融之后黃土的孔隙率保持穩(wěn)定；Zhou等［8］對冷凍黃土開展研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對凍結(jié)黃土的力學(xué)性能有顯著的影響，剛度特性和黏度特性與凍融循環(huán)過程聯(lián)系緊密；周志軍等［9］對高速公路沿線黃土開展試驗，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對飽和黃土試樣壓縮性的影響大于對天然黃土的影響；魏堯等［10］研究了不同凍結(jié)溫度對黃土力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度越低，黃土的抗壓強度下降越快；許健等［11］對西安原狀黃土和重塑黃土進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)凍融作用對原狀黃土表觀結(jié)構(gòu)影響更顯著。在凍融作用對固化黃土的影響方面，王建良［12］、胡再強等［13］分別就水泥加固黃土和石灰加固黃土開展凍融循環(huán)特性研究；呂擎峰等［14］、李宏波等［15］分別用水玻璃、水泥硅微粉等材料對蘭州黃土、寧夏黃土進(jìn)行改良，研究凍融循環(huán)下固化黃土結(jié)構(gòu)和強度的變化；金鑫等［16］通過堿液對黃土加固進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，NaOH摻量和養(yǎng)護(hù)溫度對黃土強度增長的影響最為顯著；侯鑫等［17］研究了硅酸鈉固化黃土經(jīng)歷凍融循環(huán)后力學(xué)性質(zhì)的變化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)受20次凍融循環(huán)后，固化黃土的消振性與剛度大幅劣化。

室內(nèi)試驗與工程實踐表明，在凍融循環(huán)中，固化劑的加固效果受固化劑的種類與摻量、土體的性質(zhì)、凍融循環(huán)次數(shù)等因素的影響。本文通過在黃土中摻入不同摻量的新型高分子固化劑SH，對黃土進(jìn)行固化，研究其固化效果隨凍融循環(huán)次數(shù)（達(dá)15次凍融循環(huán)）的變化。試驗結(jié)果可為固化劑SH在黃土凍融區(qū)的推廣及應(yīng)用提供參考，并為黃土凍融區(qū)治理提供一些理論依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 材料制備

試驗用土為取自山西省太原市的黃土，根據(jù)土工試驗規(guī)范，測出其基本物理指標(biāo)如表1所示。計算干密度為1.60 g/cm3、含水率為18%、SH不同摻量下所需各材料的質(zhì)量，然后，將其與水拌和均勻；在Φ40 mm×80 mm模具中制樣，以手工靜壓方法制作擬用于抗壓強度測試的試樣；在Φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀內(nèi)制作成型，以用于剪切測試。所有試件脫模后，放于室內(nèi)自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)28 d待測。

2.2 固化劑的固化機(jī)理

新型高分子固化劑SH是蘭州大學(xué)運用溶液聚合法制成的，乳白色的液體，無毒性，遇水可無限稀釋，而失水后容易聚結(jié)成膜，膠凝時間易控制。當(dāng)SH作用于黃土后，把相鄰的土顆粒以高分子鏈相互搭接，同時，高分子鏈之間又互相交叉纏繞、聯(lián)結(jié)，增加土顆粒的結(jié)構(gòu)性，增大顆粒之間的摩擦力，使整個土體成為牢固的整體性空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而起到固化土的作用。

2.3 試驗方法

凍融循環(huán)過程示意圖如圖1所示，具體循環(huán)過程說明如下。

永康市有效灌溉面積為26.2萬畝，大小渠道3 000多km，其中，規(guī)模以上灌區(qū)渠道136km，27個灌區(qū)的支渠460km，全市田間支毛渠1 740km，渠道總防滲襯砌率達(dá)到78%；目前，已建成管道灌溉2.3萬畝，噴灌8 850畝，微灌10 400畝，其中“唐先葡萄節(jié)水灌溉基地”示范項目5 000多畝；農(nóng)技部門每年推廣水稻節(jié)水灌溉技術(shù)13.5萬畝。經(jīng)測算，永康市的農(nóng)田節(jié)水灌溉率已達(dá)到67%。

（1）1次凍融過程：將所制備好的試件放進(jìn)-20℃冰箱里12 h→充分融化階段放置在20℃室內(nèi)12 h。

（2）多次凍融循環(huán)：1次凍融循環(huán)試件→繼續(xù)放置在-20℃冰箱里12 h→放置在20℃室內(nèi)12 h，按照此流程達(dá)到對應(yīng)的次數(shù)，對試樣進(jìn)行測定。

表1 試驗黃土的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of test loess

圖1 凍融循環(huán)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of freeze-thawcycles

進(jìn)行抗壓強度測定時，設(shè)計凍融循環(huán)次數(shù) N＝0、5、10、15，每當(dāng)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)，立刻將試件稱重、觀察并描述試件外觀的變化，測其質(zhì)量和抗壓強度，抗壓強度用 STWCY-1型無側(cè)限壓力儀進(jìn)行測定；當(dāng)進(jìn)行抗剪強度測定時，設(shè)計循環(huán)次數(shù) N＝0、1、2、3、4、5、10、15，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)，采用EDJ-1型等應(yīng)變直剪儀測定抗剪強度參數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)對抗壓強度的影響

根據(jù)上述方法測出 SH不同摻量下固化黃土經(jīng)凍融后的抗壓強度，按式（1）計算抗壓強度變化率，即

式中：An為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的抗壓強度變化率；Pn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的抗壓強度；P0為未固化黃土（純黃土）凍融前的抗壓強度。

計算得到的固化黃土抗壓強度變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖 2所示。

圖2 不同SH摻量的固化黃土抗壓強度變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 2 Relationship between compressive strength ofsolidified loess and number of freeze-thaw cyclesvarying with SH content

黃土凍融前的抗壓強度 P0＝1.78kPa。由圖 2可見，在凍融前，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH摻量的固化黃土的抗壓強度較純黃土（不摻任何固化劑 ）分 別 提 升 了 65.60%、107.75%、135.34%、161.40%、168.48%。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，SH摻量越大，固化黃土的抗壓強度越大，表明較大摻量對提高黃土抗凍效果會更好。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固化黃土抗壓強度逐漸降低，經(jīng)過 15次凍融循環(huán)后，8%SH摻量的固化黃土試件抗壓強度較純黃土減少了 54.47%，而 10%、12%、14%、16%SH摻量的固化黃土試件抗壓強度較純黃土分別提高了34.43%、99.26%、130.61%、141.29%，表 明 當(dāng) SH摻量達(dá)到 10%時，歷經(jīng) 15次凍融循環(huán)，仍然可以提高黃土的抗壓強度。

3.2 凍融循環(huán)對固化黃土試樣質(zhì)量的影響

試驗測出不同摻量下固化黃土經(jīng)凍融后的質(zhì)量，按式（2）計算質(zhì)量變化率，即

式中：Bn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量變化率；Mn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量；M0為純黃土凍融前的質(zhì)量。

計算得到的固化黃土質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖 3所示。

圖3 不同 SH摻量的固化黃土質(zhì)量變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between the mass loss rate of solidifiedloess and the number of freeze-thaw cycles varyingwith SH content

從圖3可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，固化黃土試件質(zhì)量損失率越來越大；高摻量的固化黃土試件質(zhì)量損失趨勢明顯低于低摻量的相應(yīng)值；加入8%、10%、12%、14%、16%SH摻量的固化黃土試件歷經(jīng)15次凍融后，質(zhì)量較純黃土分別減少了2.88%、1.94%、1.40%、1.18%、0.93%，表明當(dāng)固化劑摻量增大時，可以有效減少黃土試件質(zhì)量損失。

固化黃土試件中自由水的凍結(jié)與融化，是影響其質(zhì)量變化的主要因素。自由水狀態(tài)的變化，使試樣出現(xiàn)孔隙、微裂隙，反復(fù)凍融后，微裂隙數(shù)目增多，范圍擴(kuò)大，試件出現(xiàn)掉皮掉渣現(xiàn)象，質(zhì)量損失持續(xù)增加。SH固土劑摻入，增強了土顆粒的膠結(jié)力量，同時失水后形成膠膜包裹了土顆粒，增加了固化黃土試件的完整性。

3.3 凍融循環(huán)對固化黃土抗剪強度的影響

試驗測定了凍融循環(huán)條件下含不同摻量 SH的固化黃土的抗剪強度參數(shù)。黃土的黏聚力為82.18kPa，內(nèi)摩擦角為 9.52°。加入固化劑 SH后，固化黃土的黏聚力與內(nèi)摩擦角都有了顯著提高，表明固化劑 SH對黃土有明顯的固化效果。在季節(jié)性凍融區(qū)進(jìn)行施工時，為抵御凍融循環(huán)對黃土構(gòu)筑物的破壞，保證工程的安全運行，建議用于固化黃土的SH摻量≥14%。

3.3.1 凍融循環(huán)對固化黃土黏聚力的影響

試驗得出不同 SH摻量下固化黃土經(jīng)凍融循環(huán)后的黏聚力，按式（3）計算黏聚力變化率，即

式中：C′n為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的黏聚力變化率；Cn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的黏聚力；C0為純黃土凍融前的黏聚力。

計算得到的固化黃土黏聚力變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖 4所示。

圖4 不同 SH摻量的固化黃土黏聚力變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 4 Relationship between cohesive force of solidifiedloess and number of freeze-thaw cycles varying withSH content

從圖4可知，經(jīng) SH固化劑加固后黃土試件的黏聚力明顯提高，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH摻量的固化黃土黏聚力分別比純黃土提高了 116.41%、140.89%、178.30%、215.71%、253.45%。對于不同SH摻量的固化黃土，第 1次凍融后黏聚力下降幅度最大，經(jīng)過 4～5次凍融循環(huán)后，黏聚力下降速率變低并趨于平緩。歷經(jīng) 15次凍融后，8%、10%、12%SH摻量的固化黃土試件黏聚力較純黃土分別減少 了77.75%、55.51%、33.45%，而14%、16%SH摻量的固化黃土試件黏聚力較純黃土分別提高了 37.28%、58.03%。表明當(dāng) SH摻量達(dá)到 14%后，雖歷經(jīng) 15次凍融循環(huán)，仍然可以提高黃土的黏聚力。

3.3.2 凍融循環(huán)對固化黃土內(nèi)摩擦角的影響

試驗得到不同 SH摻量下固化黃土經(jīng)凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角，按式（4）計算內(nèi)摩擦角變化率，即

式中：Dn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角變化率；φn為固化黃土經(jīng) n次凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角；φ0為黃土凍融前的內(nèi)摩擦角。

計算得到的固化黃土內(nèi)摩擦角變化率如圖 5所示。

圖5 不同 SH摻量的固化黃土內(nèi)摩擦角變化率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Relationship between internal friction angle ofsolidified loess and number of freeze-thaw cyclesvarying with SH content

由圖5可以看出，不同摻量的 SH固化劑均可以明顯提高黃土的內(nèi)摩擦角，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH摻量固化黃土的內(nèi)摩擦角比純黃土的內(nèi)摩擦角分別提升 了 105.51%、156.19%、174.10%、192.01%、198.94%。固化黃土在 3～4次凍融循環(huán)中內(nèi)摩擦角降低程度較大，在 5次凍融循環(huán)后下降幅度變低并趨于穩(wěn)定。經(jīng)過 15次凍融循環(huán)后，8%SH摻量的固化黃土試件較純黃土減少了28.20%，而10%、12%、14%、16%的 SH摻量的固化黃土試件較純黃土分別提升 了 43.59%、59.55%、98.12%、103.67%。表明當(dāng)摻量達(dá)到 10%后，雖歷經(jīng) 15次凍融循環(huán)，仍然可以提升黃土的內(nèi)摩擦角。

SH固化黃土抗剪強度指標(biāo)衰減的原因應(yīng)是凍融循環(huán)過程中黃土產(chǎn)生大量冰晶，進(jìn)而土體發(fā)生膨脹，而融化過程中冰晶開始消融，土體發(fā)生收縮變形；反復(fù)性凍融作用下和膨脹收縮過程中，固化黃土的粒間聯(lián)結(jié)產(chǎn)生了不可逆的損傷，破壞顆粒間的膠結(jié)力和咬合力，導(dǎo)致黏聚力與內(nèi)摩擦角均降低。但5次循環(huán)后固化黃土的結(jié)構(gòu)可能趨于穩(wěn)定，黏聚力和內(nèi)摩擦角也漸趨于穩(wěn)定。

3.4 與其它固化劑結(jié)果比較

查對張麗萍［18］的研究，發(fā)現(xiàn)由多種無機(jī)和有機(jī)材料組成、對生態(tài)環(huán)境無破壞、對環(huán)境無影響的復(fù)合材料EN-1以及CONAID、LUKANG和SSA固化黃土的效果與SH大致相同，EN-1和LUKANG固化劑對黑麥草生長脅迫較小，CONAID和SSA固化劑顯著抑制黑麥草生長。

經(jīng)與文獻(xiàn)［19］研究結(jié)果做對比，歷經(jīng)15次凍融循環(huán)后，10%水泥摻量可以提升黃土強度28.03%，而10%SH相應(yīng)提升黃土強度34.43%，表明黃土經(jīng)SH固化后較水泥更能抵抗凍融循環(huán)的破壞。當(dāng)水泥摻量高于8%時，黑麥草種子的萌發(fā)受到顯著抑制［20］，而SH固化劑不會抑制黑麥草的生長［21］，較水泥更具有環(huán)保性。目前SH和水泥的價格分別為650元/t和400元/t。SH價格稍貴的原因是SH是一種新型材料，目前處于試驗研究階段，沒有規(guī)?；a(chǎn)，所以價格仍偏高，待其大規(guī)模生產(chǎn)后價格會再降低一些；水泥已被大量使用所以價格較低。

4 結(jié) 論

（1）固化劑SH可以顯著提高黃土的抗壓強度。SH摻量越高，固化黃土的抗壓強度越大，經(jīng)凍融循環(huán)后抗壓強度損失率越小，質(zhì)量損失率越低，試樣完整性越好。

（2）固化劑SH可以明顯增強黃土的抗剪強度。固化黃土的抗剪強度在3～4次凍融循環(huán)后減少最大，其中黏聚力比內(nèi)摩擦角降幅稍大，5次凍融循環(huán)后黏聚力和內(nèi)摩擦角下降幅度減小并漸趨于穩(wěn)定。

（3）當(dāng)SH固化劑摻量達(dá)到14%時，歷經(jīng)15次凍融循環(huán)，依然可以提高黃土的抗壓強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角。實際工程建設(shè)中，為抵抗凍融循環(huán)對黃土結(jié)構(gòu)物的破壞，建議SH摻量選擇14%。

（4）從SH與水泥固化黃土結(jié)果看，經(jīng)15次凍融循環(huán)后，SH提升黃土強度更大，不會抑制植物的生長，具有一定的優(yōu)勢。