水泥改良砂土凍融循環(huán)特性試驗研究

馮 冬 冬

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 濱海新區(qū) 300000)

0 引 言

水泥改良土作為一種成熟的建筑材料被廣泛應(yīng)用于路基處理、基坑加固和邊坡防護等工程中，且取得了良好的使用效果[1].但是在實際工程中，水泥土的各項性能指標(biāo)往往受眾多因素影響且在不同地區(qū)也有差異.國內(nèi)外眾多學(xué)者對水泥土的研究發(fā)現(xiàn)，其力學(xué)性能受水泥配比、齡期、含水率、土質(zhì)等因素的影響較大，同時，水泥土在不同環(huán)境溫度下，其力學(xué)性能也易發(fā)生變化.因此有必要對水泥土的力學(xué)性能及凍融循環(huán)特性進行研究.宋愛蘋[2]等對水泥土及摻粉煤灰水泥土的凍融循環(huán)特性進行了研究，結(jié)果表明：水泥土及摻粉煤灰水泥土經(jīng)歷凍融循環(huán)后其強度均有所降低，但摻粉煤灰可以有效降低凍融循環(huán)對水泥土的強度損失；楊勝波[3]等對水泥改良粉土的耐久性能進行了實驗研究，結(jié)果表明：4%以上的水泥配比下，水泥土的水穩(wěn)定性、強度及凍脹融沉率基本滿足規(guī)范要求.王許諾[4]等通過無側(cè)限抗壓強度實驗，探究了凍結(jié)水泥土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：凍結(jié)溫度、水泥配比和養(yǎng)護齡期等因素中，凍結(jié)溫度對水泥土的抗壓強度影響顯著.寧寶寬[5]等對凍融循環(huán)條件下水泥土的強度進行研究，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對水泥土強度劣化明顯，但存在一個最優(yōu)水泥配比使水泥土的抗凍性最好.張經(jīng)雙[6]等通過對水泥土的凍融循環(huán)實驗，測得了不同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥土的強度、模量和應(yīng)變能密度，并建立了3個因素與凍融循環(huán)次數(shù)的衰減方程.侯淑鵬[7]等對凍融循環(huán)條件下水泥土的損傷劣化特征進行了研究，建立了抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的經(jīng)驗公式并通過掃描電鏡對經(jīng)歷了凍融循環(huán)后的水泥土微觀結(jié)構(gòu)進行分析.崔宏環(huán)[8]等通過不同齡期的凍融循環(huán)實驗，分析了循環(huán)次數(shù)對水泥土強度、質(zhì)量以及變形模量的損失規(guī)律.李清憲等[9]通過對水泥土凍融實驗及三軸實驗分析了水泥土經(jīng)凍融循環(huán)后的應(yīng)力應(yīng)變曲線為軟化型曲線，且其靜強度隨循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)函數(shù)遞減.陳四利[10]、王天亮[11]、趙振亞[12]研究了凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗壓強度及變形特征的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果建立了水泥土凍融循環(huán)強度損傷回歸方程.

眾多文獻表明，在北方季節(jié)性凍土地區(qū)，水泥土加固路基的凍脹、融沉現(xiàn)象十分嚴(yán)重，如何保證水泥土的力學(xué)性能與抗凍融耐久性能良好是推廣水泥土材料進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此本文以北方寒區(qū)常見的砂土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓強度實驗和凍融循環(huán)實驗，探究水泥配比、齡期以及凍融循環(huán)次數(shù)對水泥改良砂土強度與變形特性的影響，為水泥土加固路基在凍土區(qū)的使用提供理論參考.

1 實驗材料與方案

1.1 實驗材料

實驗材料取自張家口市某基坑場地，土樣呈黃色，土樣基本物理性質(zhì)及顆粒級配曲線如圖1表1所示.

表1 土樣基本物理性質(zhì)

圖1 砂土的顆粒集配曲線

由顆粒級配曲線可知：粒徑大于2 mm的顆粒含量占總土重的31%，粒徑大于0.5 mm的顆粒含量占總土重的51%，按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[13]分類法命名此砂土為粗砂土.

水泥采用金隅水泥廠生產(chǎn)的P.O.32.5級普通硅酸鹽水泥，初凝時間120 min，終凝時間240 min，水采用自來水.

1.2 試件制備

根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51-2009)[14]相關(guān)內(nèi)容，選取Φ100×100的圓柱形試件，試驗制備過程如下：

(1)將砂土過5 mm土壤篩，去除砂土中較大的石子顆粒，放入100 ℃的烘箱中烘干備用.

(2)通過擊實試驗，得到不同水泥配比的最大干密度和最優(yōu)含水率如表2所示，采用相應(yīng)的含水率制作水泥土試件.

表2 不同水泥配比的最優(yōu)含水率和最大干密度

(3)將烘干土樣分層噴水至最優(yōu)含水率并放入密封袋中密封，以保證含水率均勻，24 h之后將土樣與水泥混合并攪拌均勻，放入模具中，在壓力機下靜壓成型.

(4)將試件脫模并用保鮮膜包裹后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至相應(yīng)齡期，之后進行無側(cè)限抗壓強度和凍融循環(huán)實驗.

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 無側(cè)限抗壓強度實驗

在砂土中摻入體積比為11%、14%、17%、20%的水泥，以表2中不同水泥摻入比的最優(yōu)含水率制樣，壓實度參考《公路路面基層施工技術(shù)細則》[15](JTG/TF20-2015)的相關(guān)內(nèi)容選取壓實度為95%，齡期為7d、14d、28d.其中每個配比做3個平行試件，測試結(jié)果取其平均值.

無側(cè)限抗壓強度實驗采用微機控制萬能試驗機，加載方式為位移控制，速度為1 mm/min.實驗過程如圖2所示.

圖2 無側(cè)限抗壓強度實驗 圖3 凍融循環(huán)實驗

1.3.2 凍融循環(huán)實驗

選取水泥摻量為11%、14%、17%、20%，壓實度為95%，養(yǎng)護齡期為28 d.參考北方地區(qū)凍土的溫度變化，設(shè)定凍結(jié)溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃，凍融方式為氣凍水溶.將水泥土試件放入高低溫交變箱并設(shè)置循環(huán)周期為24 h，即凍結(jié)時間為12 h，融化時間為12 h，此為一次凍融循環(huán)，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0、3、6、9、15.到達循環(huán)次數(shù)后，將試件取出并稱量其質(zhì)量，之后用萬能實驗機測其抗壓強度.其中每個配比做3個平行試件，測試結(jié)果取其平均值.實驗過程如圖3所示.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水泥摻量及齡期對水泥土抗壓強度的影響

圖4為水泥摻量與抗壓強度的關(guān)系曲線圖及抗壓強度增長率，從圖中可以看出，在不同養(yǎng)護齡期下，水泥土的抗壓強度隨水泥摻量的變化趨勢基本相同，都是隨著水泥摻量的增加而增加，但其強度增長率有所不同.對于齡期為7 d的水泥土，其抗壓強度增長率隨水泥摻量的增加而減小，分別為70.2%、25.3%和2.2%.而對于齡期14 d的水泥土，其抗壓強度在水泥摻量11%到17%時的強度增長趨勢隨水泥摻量的增加而增加，在17%到20%時的抗壓強度增長率呈下降趨勢.對于齡期28 d的水泥土，其抗壓強度增長率在本次研究的水泥摻量范圍內(nèi)均隨水泥摻量的增加而增加.造成上述結(jié)果的原因是由于水泥土的強度主要來源于水泥的水化作用，當(dāng)水泥摻在11%～14%時，水泥的水化作用使土顆粒之間的粘聚力不斷增大，從而增加了水泥土的抗壓強度.當(dāng)水泥摻量在17%～20%時，水泥的水化作用還沒有完全發(fā)揮，水化產(chǎn)物多以絮狀和凝狀物存在，并沒有形成很堅硬的水泥石結(jié)構(gòu)，從而使其強度基本沒有增長[16]，這在齡期7 d時表現(xiàn)的十分明顯.而對于齡期28 d的水泥土，其水泥水化作用時間較長，從而使高水泥摻量下水泥土強度迅速增長.總的來說，水泥摻量對水泥土強度的影響在不同齡期下有所不同，水泥摻量越大，水泥土在高齡期下的強度增長率越高.

圖4 水泥摻量與抗壓強度關(guān)系及其強度增長率

圖5為水泥改良砂土齡期與抗壓強度的關(guān)系曲線及強度增長率，從圖中可以看出，不同水泥摻量的齡期-抗壓強度曲線趨勢基本一致，都是隨著齡期的增加，水泥土抗壓強度呈直線增加，同時也可以看出，水泥改良砂土在7 d～14 d的抗壓強度增長率略大于14 d～28 d的抗壓強度增長率，這說明水泥水化作用隨齡期的增加呈減小的趨勢，齡期對水泥土強度的影響在早期表現(xiàn)的更明顯.

圖5 養(yǎng)護齡期與抗壓強度關(guān)系及其強度增長率

2.2 凍融循環(huán)對水泥土強度特性的影響

2.2.1 凍融循環(huán)對水泥改良砂土質(zhì)量的影響

水泥改良砂土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率計算如式(1)：

(1)

其中：Δmi為水泥改良砂土試件經(jīng)歷i次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率，m0為水泥改良砂土試件未經(jīng)凍融循環(huán)時的質(zhì)量，mi為水泥改良砂土試件在經(jīng)歷i次凍融循環(huán)后的質(zhì)量.

圖6為不同水泥摻量及不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥改良砂土的質(zhì)量損失率，從圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良砂土的質(zhì)量損失率呈先增大減小的趨勢，各水泥配比均在循環(huán)次數(shù)9次時達到最大值.同時可以看出，隨著水泥摻量的增加，水泥改良砂土的質(zhì)量損失率呈減小的趨勢，例如在凍融循環(huán)次數(shù)為3次時，4種水泥配比下的強度損失分別為0.65%、0.45%、0.30%、0.04%.除此之外，當(dāng)水泥摻量在17%～20%時，循環(huán)次數(shù)15次時水泥土試件質(zhì)量損失率為負(即水泥土試件質(zhì)量增加).造成上述現(xiàn)象的原因是因為水泥土在凍融循環(huán)作用下會發(fā)生凍脹、融沉等現(xiàn)象，從而造成水泥土質(zhì)量的損失.但隨著水泥摻量的增加，土體內(nèi)部的粘結(jié)程度變大，水泥土試件的質(zhì)量損失也會顯著變小.總的來說，凍融循環(huán)會使水泥改良砂土的質(zhì)量發(fā)生一定損失，但損失程度較小，此外，水泥摻量也會顯著影響水泥改良砂土經(jīng)凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失.

圖6 水泥改良砂土質(zhì)量損失率

2.2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對水泥改良砂土強度特性影響

圖7為水泥改良砂土凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，水泥改良砂土在循環(huán)次數(shù)0到6次時，不同水泥摻量下的水泥土強度下降幅度明顯，而在循環(huán)次數(shù)6次到9次時下降幅度減緩，在循環(huán)次數(shù)9次到15次時其強度基本保持平緩.同時也可以看出，當(dāng)水泥摻量為11%到14%時，水泥土在不同循環(huán)次數(shù)下的強度損失較大，而在水泥摻量17%到20%時，不同循環(huán)次數(shù)下的水泥土強度損失較小，特別是循環(huán)次數(shù)9～15次時，高水泥摻量(17%～20%)下的水泥土強度反而有所上升.究其原因，這是因為水泥土試件在飽和狀態(tài)下凍結(jié)后，其內(nèi)部水分發(fā)生膨脹，進而擠壓水泥土內(nèi)部的毛細孔壁，當(dāng)膨脹應(yīng)力大于毛細孔壁的壓應(yīng)力時，就會使水泥土的孔隙增大，進而使水泥土內(nèi)部形成許多微裂縫隙，當(dāng)水泥土試件融化時，增大的孔隙又會使更多的水分子滲入，再次凍結(jié)時其內(nèi)部孔隙會進一步增大.在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，水泥土內(nèi)部微小裂紋彼此連通，使水泥土試件發(fā)生表面脫落，產(chǎn)生裂縫等現(xiàn)象，進而降低了水泥土的抗壓強度[17].

圖7 水泥改良砂土凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強度的關(guān)系曲線

2.2.3 強度損失率

水泥改良砂土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后的強度率可由式(2)計算：

(2)

其中：Δfi為水泥改良砂土試件經(jīng)歷i次凍融循環(huán)后的強度損失率，f0為水泥改良砂土未經(jīng)凍融循環(huán)時的無側(cè)限抗壓強度，fi為水泥改良砂土在經(jīng)歷i次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度.

圖8為不同水泥摻量以及不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土的強度損失率，從圖中可以看出，在相同循環(huán)次數(shù)下，水泥摻量越高，其強度損失率就越低，例如在循環(huán)次數(shù)3次的情況下，四種配比的水泥土強度損失率分別為22.9%、16.8%、12.8%和12.7%.同時可以看出，在水泥摻量17%和20%情況下，不同循環(huán)次數(shù)的水泥土強度損失基本相同，列如在循環(huán)次數(shù)15次時，水泥摻量17%和20%的抗壓強度損失率分別為16.2%和15.9%，強度損失率僅相差0.3%.此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土的強度損失率均有所增加，例如在水泥摻量14%時，循環(huán)次數(shù)從3次到15次，其強度損失分別為16.8%、23.8%、27.2%，29.3%.同時可以看出，水泥摻量11%到14%的水泥土強度損失較大，水泥摻量17%到20%水泥土強度損失較小，綜合考慮上述結(jié)論，可以得出水泥改良砂土在水泥摻量17%時抗凍效果較好且水泥摻量較經(jīng)濟，同時考慮到水泥摻量過大還會引起水泥土路面產(chǎn)生干縮和溫縮現(xiàn)象，使水泥土產(chǎn)生裂縫，因此在考慮水泥土凍融耐久性時應(yīng)選擇水泥摻量14%～17%比較合理.

圖8 不同循環(huán)次數(shù)下水泥改良砂土的強度損失率

2.2.4 凍融循環(huán)對水泥改良砂土應(yīng)力應(yīng)變的影響

為探究水泥改良砂土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，選取水泥配比17%時，不同凍融循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示，從圖9可以看出，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，水泥改良砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線為典型的應(yīng)變軟化型曲線，即應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加呈先增加后減小的趨勢，試件破壞模式為脆性破壞，同時可以看出，水泥改良砂土在不同循環(huán)次數(shù)下，都存在一個峰值應(yīng)力，使水泥改良砂土的強度最大.因此，可以把水泥改良砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線分為四個階段，即壓密階段、彈性階段、塑性階段及殘余階段.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土在彈性階段的斜率呈下降趨勢，在殘余階段的應(yīng)力越來越小.同時可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土到達峰值應(yīng)力時的應(yīng)變基本沒有變化，這說明凍融循環(huán)對水泥改良砂土的應(yīng)變影響不顯著.

圖9 不同循環(huán)次數(shù)下水泥改良砂土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié) 論

本文通過無側(cè)限抗壓強度實驗及凍融循環(huán)實驗，探究了不同水泥摻量和不同齡期下水泥改良砂土抗壓強度的變化規(guī)律以及凍融循環(huán)對水泥改良砂土力學(xué)特性的影響，得出如下結(jié)論：

(1)隨著水泥摻量的增加，水泥改良砂土的無側(cè)限抗壓強度均有所提高，此外水泥摻量越大，水泥土在高齡期下的強度增長率越高.

(2)隨著齡期的增加，水泥改良砂土的無側(cè)限抗壓強度基本呈線性增長，水泥改良砂土在7 d到14 d的強度增長率大于14 d到28 d的強度增長率，即齡期對水泥改良砂土抗壓強度的影響在早期表現(xiàn)的比較明顯.

(3)凍融循環(huán)會使水泥改良砂土試件的質(zhì)量發(fā)生一定損失，但損失程度較??；水泥摻量越高，其質(zhì)量損失率就越小.

(4)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同水泥摻量的水泥改良砂土抗壓強度呈曲線趨勢減小，并且在一定循環(huán)次數(shù)后其強度基本保持平緩.綜合考慮各水泥摻量的強度損失，得出水泥改良砂土在水泥摻量14%～17%時抗凍效果較好，且水泥摻量較經(jīng)濟.

(5)水泥改良砂土在不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型曲線.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥改良砂土的峰值應(yīng)力不斷減小，但其到達峰值應(yīng)力時的應(yīng)變基本沒有變化.