寒區(qū)路基新型含赤泥固化劑改良土強(qiáng)度特性的研究

崔宏環(huán) 朱超杰 楊尚禮 胡淑旗

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)實驗室，張家口 075000；2.河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000)

0 引 言

赤泥亦稱紅泥，鋁土礦提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物，是一種堿性物質(zhì)，它會隨著雨水的沖淋溶解出堿從而污染地表水和地下水[1].目前大量的赤泥不能有效的利用，只能依靠大面積的堆場堆放，占用了大量土地，赤泥的產(chǎn)生已經(jīng)對人類的生產(chǎn)、生活造成多方面的影響[2]，在這種環(huán)境下，汪雙清、朱建華[3]基于地質(zhì)成巖作用原理和地球化學(xué)工程學(xué)方法，通過加入赤泥、煤矸石等多種工業(yè)廢料改變土壤的化學(xué)性質(zhì)促進(jìn)物理結(jié)構(gòu)的改善和力學(xué)性能的提高，設(shè)計加工而成的一種新型固化劑，最初稱為土壤巖凝劑，后由公司生產(chǎn)改稱土凝巖(后均稱為土凝巖)，它是一種環(huán)保清潔固化劑，主要環(huán)保指標(biāo)體現(xiàn)在使用DHT土凝巖每代替1萬噸水泥的用量，將減少5200噸CO2氣體的排放量；每代替1萬噸石灰使用量，可減少8000噸CO2氣體的排放量；每減少1萬立方米的碎石用量，能夠使約700平方米的植被得到保護(hù).已有相關(guān)學(xué)者對土凝巖做了部分研究，其中裴國陸[4]對土凝巖力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出土凝巖摻量在8%和10%時可以滿足A、B級基層抗壓強(qiáng)度要求.在季凍區(qū)的適用性方面，崔宏環(huán)等[5，6]將土凝巖改良土與水泥改良土進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)土凝巖改良土在季節(jié)性凍土區(qū)的干縮溫縮性能性高于水泥改良土，在季凍區(qū)具有較好的適用性.

季凍區(qū)關(guān)于強(qiáng)度損失機(jī)理方面，鄭鄖等[7]所做的研究表明，凍融循環(huán)造成土體試件內(nèi)部發(fā)生水分遷移，使土體的孔隙形態(tài)、顆粒排列等結(jié)構(gòu)性要素發(fā)生顯著改變.肖東輝，張澤等[8-9]通過對不同黃土的凍融循環(huán)發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生弱化，改變了黃土的原有骨架和結(jié)構(gòu)，從而使強(qiáng)度和耐久性削弱.土凝巖的固土機(jī)理為：凝聚成型——化學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整——巖化三個階段[2]，與巖石性質(zhì)頗為相似.巖化作用是利用土凝巖中的凝巖成分與土體中的礦物形成聚合物，土壤與土凝巖混合接觸后，在水和外力的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與物理作用，使土凝巖中的膠聯(lián)劑與土壤中的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成以化學(xué)鍵鏈接的一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，化學(xué)鍵的調(diào)整使土壤凝聚體中的化學(xué)結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)固，最終達(dá)到巖化作用.

周創(chuàng)兵、賈海梁[10-12]等，在分析多孔巖石凍融疲勞損傷模型時發(fā)現(xiàn)孔隙率增加是凍融循環(huán)對巖石造成的最直接損傷，并以孔隙率的變化為損傷指標(biāo)建立了砂巖凍融循環(huán)損傷演化方程.張慧梅等[13]對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微觀的分析，她利用CT掃描技術(shù)分析了紅砂巖的凍融損傷，得出了損傷變量和名義承載體積與有效承載體積之間的關(guān)系.而經(jīng)過凍融循環(huán)后，試件質(zhì)量的增加量是對孔隙率變化的間接反應(yīng)，本文對試件質(zhì)量的變化規(guī)律展開分析.

眾多研究表明，在季凍區(qū)路基強(qiáng)度損失的主要原因是凍融循環(huán)改變了土體的結(jié)構(gòu).因此本篇文章在前人的基礎(chǔ)上，對新型固化劑土凝巖改良土試件凍融損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，總結(jié)土凝巖改良土受凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化規(guī)律，分析其凍融耐久性，為新型路基固化劑土凝巖在寒區(qū)的普及運(yùn)用提供理論依據(jù)與指導(dǎo).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用原土取自張小線K5+750-K7+520延邊路基土，通過基礎(chǔ)試驗得出土壤的基本參數(shù)見表1，試驗用水為張家口市自來水.

表1 試驗土體基本物理指標(biāo)

表2 不同摻量固化劑物理指標(biāo)

1.2 試驗方法

本文按照J(rèn)TGE51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的試驗方法進(jìn)行實施，試件大小φ50mm×50mm的圓柱體抗壓試件，保持與實際路基施工中壓實度一致，本文控制試樣壓實度為95%，土凝巖和水泥摻量分別為4%、6%、8%、10%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為28d、90d，養(yǎng)護(hù)最后一天進(jìn)行浸水養(yǎng)護(hù)，為模擬季凍區(qū)凍融循環(huán)最不利的影響，本試驗凍融循環(huán)采用氣凍水融的方法，這樣做的目的是模擬最不利凍融循環(huán)所造成的損害，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、1、3、5、7、10、16次，凍結(jié)溫度根據(jù)張家口當(dāng)?shù)貧夂驐l件選取-18℃，凍結(jié)12h后放入20±2℃的水中融化，融化12h止，達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗.每組試件設(shè)5個平行試件，當(dāng)試件達(dá)到試驗條件后進(jìn)行加載，試驗數(shù)據(jù)處理時運(yùn)用了數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行偏差分析，剔除異點(diǎn)后取平均值.

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 土凝巖改良土與水泥改良土的對比

由于土凝巖是一種新型固化劑，因此選擇了相同配比的水泥改良土進(jìn)行對比，對7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析.其中4%土凝巖摻量的改良土不能很好的滿足實際使用要求，因此只用于下文預(yù)測驗證，試驗分析不再涉及.

通過圖1可以看出，土凝巖改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均高于水泥改良土，10%固化劑摻量的土凝巖改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了3.75MPa，要高于水泥改良土將近0.4MPa；7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差最小的為6%固化劑摻量的土凝巖改良土，強(qiáng)度仍高于水泥改良土0.13MPa，說明土凝巖改良土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體要優(yōu)于水泥改良土，且二者均滿足公路路基設(shè)計規(guī)范(JTGD30-2015)路基的填筑要求.

圖1 水泥改良土與土凝巖改良土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比

通過圖2可以看出，土凝巖改良土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后的強(qiáng)度變化與水泥改良土具有相同變化趨勢，其中90d齡期10%固化劑摻量的土凝巖改良土與水泥改良土，在經(jīng)歷凍融循環(huán)前后強(qiáng)度相差較大達(dá)到1.68MPa.凍融循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度變化最小的為90d齡期固化劑摻量6%的改良土為0.95MPa.因此隨著兩種改良土固化劑摻量的增多，經(jīng)歷凍融循環(huán)后強(qiáng)度差值也隨著增大.

(a)28天標(biāo)養(yǎng)試件水泥改良土與土凝巖改良土經(jīng)歷凍融循環(huán)后強(qiáng)度對比

兩種改良土在經(jīng)歷0-3次凍融循環(huán)時，土凝巖改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于水泥改良土，而當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)到達(dá)5次以后，土凝巖改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要低于水泥改良土，說明新型土凝巖固化劑在前期凍融循環(huán)時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于水泥改良土.

2.2 凍融循環(huán)對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

通過上文的分析發(fā)現(xiàn)，新型固化劑土凝巖改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度優(yōu)于水泥改良土，雖然長期凍融性能低于水泥改良土，但依然能達(dá)到水泥改良土經(jīng)歷相同凍融后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的90%，因此有必要對土凝巖改良土展開分析.試驗結(jié)果如表3所示：

表3 土凝巖改良土28d與90d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

根據(jù)前人的研究中得到啟發(fā)[14]，筆者根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失速率的快慢，將凍融循環(huán)造成的強(qiáng)度損失分為快速損失階段及緩慢損失階段，其中0～5次凍融循環(huán)為強(qiáng)度的快速損失階段；5～15次凍融循環(huán)為緩慢損失階段.

通過圖3(a)可以看出，28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件經(jīng)過凍融循環(huán)后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢，其中經(jīng)歷第1次凍融循環(huán)后，試件抗壓強(qiáng)度下降的尤為明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到第5次時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略有上升，但是總體趨勢仍處于下降狀態(tài).原因分析：土凝巖的固化作用不是將土體顆粒膠結(jié)在一起，而是將土體顆粒固化成巖，屬于巖化的一個過程.28d養(yǎng)護(hù)期間是巖化作用與凍融損傷對試件強(qiáng)度影響的博弈過程，前5次凍融造成的強(qiáng)度損傷要大于巖化的強(qiáng)度增強(qiáng)，因此，強(qiáng)度呈降低趨勢，隨著時間的增長巖化繼續(xù)發(fā)生，對強(qiáng)度貢獻(xiàn)值逐漸大于凍融損傷，所以強(qiáng)度開始有微上升現(xiàn)象.然而這個增長并不是持續(xù)的，如圖3(b)養(yǎng)生90d巖化作用已經(jīng)完成，不再隨時間增加繼續(xù)進(jìn)行，因此沒有出現(xiàn)強(qiáng)度增長的趨勢.

(a)28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系圖 (b)90天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系圖

2.3 凍融循環(huán)對質(zhì)量增加量的影響

如圖所示，6%土凝巖摻量的改良土經(jīng)16次凍融循環(huán)后，試件表面產(chǎn)生輕微的脫落現(xiàn)象，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)小于16次時，試樣表面無脫落現(xiàn)象，與8%、10%土凝巖摻量的改良土試件現(xiàn)象一致，均屬于裂紋破壞模式，說明土凝巖改良土的水穩(wěn)定性能較好，這是由于土凝巖改良土進(jìn)行了巖化反應(yīng)，性質(zhì)與巖石有很大的相似性，出現(xiàn)了裂紋破壞.試件融化階段在20℃溫水中進(jìn)行，試件內(nèi)部經(jīng)凍融循環(huán)產(chǎn)生的裂隙被水填充，試件內(nèi)部質(zhì)量將會增加，試件質(zhì)量的增加量可以間接的反映試件內(nèi)部孔隙變化的狀況，因此本文采用試件質(zhì)量的增加量這一指標(biāo)表示試件內(nèi)部經(jīng)凍融循環(huán)的影響程度：

m增=m后-m前

(1)

式(1)中：m增為試件質(zhì)量增加量，g；m后為試件凍融循環(huán)后的質(zhì)量，g；m前為試件凍融循環(huán)前的質(zhì)量，g.

通過圖4可以看出，齡期28d的土凝巖摻量為8%和10%的土凝巖改良土試件，質(zhì)量的增加量一直隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增長，根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)過程中試樣的完整性并未遭到破壞說明質(zhì)量變化是由于土凝巖改良土的凍融損傷引起的.6%、8%與10%土凝巖摻量的改良試件中，28d養(yǎng)護(hù)齡期的試件在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到13次時，質(zhì)量的增加量繼續(xù)增大，而90d養(yǎng)護(hù)齡期試件的質(zhì)量的增加量開始下降，這是因為齡期90d時土凝巖達(dá)到完全的巖化，隨著時間的增加，巖化作用不再發(fā)生，凍融循環(huán)次數(shù)在13次時，土體結(jié)構(gòu)達(dá)到了新的平衡，因此質(zhì)量的增加量不再隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大；齡期28d的土凝巖改良試件，隨著凍融循環(huán)次數(shù)(時間)的增加巖化反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，質(zhì)量的增加量依然隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大.

(a)28天標(biāo)養(yǎng)齡期關(guān)系曲線 (b)90天標(biāo)養(yǎng)齡期關(guān)系曲線

(a)6%土凝巖摻量改良土試件經(jīng)過3、7、15次凍融循環(huán)后的圖像

3 兩種固化劑改良土經(jīng)歷凍融循環(huán)后的強(qiáng)度預(yù)測

根據(jù)表3試驗結(jié)果，對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度p進(jìn)行對數(shù)處理分析,并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合公式為式2，結(jié)果見圖6.

(a)齡期28d土凝巖改良土logρ擬合曲線 (b)齡期90d土凝巖改良土logρ擬合曲線

logρ=A+BN+CN2

(2)

式(2)中p為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù)，N；A、B、C為凍融循環(huán)相關(guān)擬合參數(shù).

由圖6(a)可以看出，土凝巖改良土試件在養(yǎng)護(hù)齡期為28d時，多項式擬合曲線效果較差，這是由于隨著時間的增長，凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土凝巖改良土內(nèi)部巖化作用繼續(xù)發(fā)生，導(dǎo)致土凝巖改良土強(qiáng)度出現(xiàn)增長的現(xiàn)象.因此本預(yù)測關(guān)系不適用于未完全巖化的改良土試件，28d養(yǎng)護(hù)齡期試件不再進(jìn)行預(yù)測.圖6(b)可以看出，logp與凍融循環(huán)次數(shù)之間有很好的擬合度，究其原因，土凝巖改良試件已經(jīng)完全巖化，規(guī)律性較強(qiáng)，因此建議進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測時采用完全巖化的土凝巖改良土.

(3)

式(3)中F為各個參數(shù)在摻量為C時的值；C′為參考摻量，本文取C′=10%土凝巖摻量，試驗摻量的最大值，由表4可知3個參數(shù)的值，通過計算可得到模型參數(shù)與無量綱摻量比對應(yīng)的模型參數(shù)比，如表5所示.

表4 90d養(yǎng)護(hù)齡期土凝巖改良土logρ擬合參數(shù)

表5 90d土凝巖養(yǎng)生齡期的模型參數(shù)無量綱比

基于表5中三種不同參數(shù)的關(guān)系，按照式(7)進(jìn)行計算得出冪級數(shù)系數(shù)的計算結(jié)果見表5.

表6 90d養(yǎng)生齡期冪級數(shù)系數(shù)計算結(jié)果

可以根據(jù)上表中6%、8%、10%摻量土凝巖改良土各系數(shù)的計算結(jié)果，預(yù)測4%摻量改良土的各項指標(biāo)對比如下圖所示.

圖7(a)可以看出，4%土凝巖摻量的強(qiáng)度指標(biāo)的預(yù)測值與實際值較為接近，且(b)圖通過觀察預(yù)測值與實際值均勻分布在四十五度線附近，說明該預(yù)測公式有很好的適用性，為了說明預(yù)測方法的合理性，對水泥改良土也采用相同的方法預(yù)測凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷作為對比.

(a)4%土凝巖摻量強(qiáng)度對比 (b)4%土凝巖摻量壓強(qiáng)度對比

logρ=A+BN+CN2

(2)

圖8 水泥改良土logρ與凍融循環(huán)次數(shù)擬合曲線

表7 90d養(yǎng)護(hù)齡期水泥改良土logρ擬合參數(shù)

表8 90d水泥改良土養(yǎng)生齡期的模型參數(shù)無量綱比

通過圖9水泥改良土的預(yù)測對比發(fā)現(xiàn)，該方法有很好的的適用性，對土凝巖的預(yù)測較合理，可以實現(xiàn)有限的數(shù)據(jù)發(fā)揮最大的效應(yīng).特別說明的是，本文得出的預(yù)測公式對于28d養(yǎng)護(hù)齡期的土凝巖改良土適用性較差，可以很好的預(yù)測齡期90d的土凝巖各個摻量的改良土.

(a)4%水泥摻量強(qiáng)度對比 (b)4%水泥摻量強(qiáng)度對比

4 結(jié) 論

本文對新型固化劑土凝巖固化后的改良土進(jìn)行凍融循環(huán)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，建立了可以預(yù)測經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后強(qiáng)度及質(zhì)量變化狀況的預(yù)測方法，并對造成改良土強(qiáng)度損失的原因進(jìn)行了分析，通過6%、8%和10%摻量的土凝巖改良土的數(shù)據(jù)得到計算參數(shù)，以4%土凝巖摻量改良土實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，又以水泥改良土強(qiáng)度預(yù)測作為對比，說明了該方法有較好的適用性，結(jié)合本文內(nèi)容得出以下幾點(diǎn)結(jié)論.

(1)土凝巖改良土的強(qiáng)度損失規(guī)律，可按照強(qiáng)度快速損失階段和緩慢損失階段分段進(jìn)行分析，這樣比較符合土凝巖的性質(zhì).

(2)經(jīng)過和水泥改良土的對比發(fā)現(xiàn)，土凝巖改良土的7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要明顯優(yōu)于水泥改良土.經(jīng)歷3次凍融之前的土凝巖改良土抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于水泥改良土，而經(jīng)歷長期的凍融循環(huán)后的土凝巖改良土抗壓強(qiáng)度要低于水泥改良土.因此建議在非季凍區(qū)或季凍區(qū)的臨時性交通道路使用土凝巖改良路基較為經(jīng)濟(jì).

(3)完全巖化的改良土，經(jīng)凍融循環(huán)后，改良土的強(qiáng)度特征規(guī)律比較明顯，因此當(dāng)改良土中改良劑達(dá)到完全巖化或凝結(jié)硬化后，可以進(jìn)行有效的強(qiáng)度預(yù)測.