凍融循環(huán)下引江濟(jì)淮河道水泥改性膨脹土性能試驗(yàn)研究

趙永永

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

膨脹土因其強(qiáng)度低、含水率和壓縮性高等原因，容易造成安全隱患，甚至引發(fā)工程事故[1-2]。通過物理或化學(xué)手段對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，是提高其力學(xué)性質(zhì)的有效手段[3-5]。

黃英豪等[6]采用相變材料改良膨脹土，對(duì)改良后膨脹土的凍融特性進(jìn)行了研究。安愛軍等[7]基于蒙內(nèi)鐵路工程存在的膨脹土進(jìn)行改良，通過核磁共振和電鏡掃描等手段對(duì)改良后膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。鞏齊齊等[8]通過崩解性砂巖對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，研究了改良后膨脹土的裂縫發(fā)展規(guī)律。莊心善等[9]對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土的動(dòng)力特性做了研究。張雁等[10]利用煤矸石對(duì)膨脹土進(jìn)行改良，確定了最佳摻量，并對(duì)最佳摻量下的改良膨脹土的空隙特征值進(jìn)行了測(cè)定。李國(guó)維等[11]對(duì)崩解性軟巖改良膨脹土的可行性進(jìn)行了研究，研究表明改良膨脹土的強(qiáng)度穩(wěn)定性得到了提升。商擁輝等[12]通過數(shù)值手段研究了改良膨脹土路基的動(dòng)力特性。董柏林等[13]利用大型固結(jié)儀研究了碎石改良膨脹土的力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)，摻入25%以上的碎石改良效果較好。

本文基于引江濟(jì)淮工程實(shí)際，利用水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，對(duì)素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)試樣的含水率和體積的變化。在凍融循環(huán)過程中，通過無側(cè)向壓縮試驗(yàn)，對(duì)素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

引江濟(jì)淮工程(安徽段)在引江濟(jì)巢段、江淮溝通段有超過100 km的河段分布有弱、中等膨脹潛勢(shì)的膨脹土(巖)及少量崩解巖。水泥改性土換填是提高河道邊坡穩(wěn)定性最經(jīng)濟(jì)有效的方式之一。本文的試驗(yàn)對(duì)象為引江濟(jì)淮工程安徽段膨脹土，通過水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，對(duì)在凍融循環(huán)下水泥改性膨脹土的力學(xué)特性做了研究。

2.1 試樣制備

試驗(yàn)所用的膨脹土來自引江濟(jì)淮工程(安徽段)的引江濟(jì)巢段施工工地，為中膨脹土，外觀呈現(xiàn)棕黃色。表1為該膨脹土的基本物理指標(biāo)。表2為該膨脹土的顆粒組成含量。水泥為普通硅酸鹽水泥。

表1 膨脹土基本物理指標(biāo)

表2 膨脹土顆粒組成含量 %

試驗(yàn)試樣為圓柱形，具體制作步驟如下:(1)將土料取回經(jīng)風(fēng)干后進(jìn)行篩分；(2)添加水泥，水泥與膨脹土質(zhì)量的比值即為摻灰比，依據(jù)設(shè)定的摻灰比進(jìn)行配置；(3)根據(jù)含水率的不同往試樣中均勻加水，加水完成后在初凝開始前立即進(jìn)行制樣。試樣分5層擊實(shí)，壓實(shí)度控制為90%。試樣尺寸設(shè)置為高度120 mm，直徑60 mm，制樣完成后分組養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)所用的試樣數(shù)量為42個(gè)。

2.2 研究方案

依據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，水泥改性膨脹土的摻灰比設(shè)置3種，分別為4%、6%和8%，同摻灰比0%的素膨脹土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，以對(duì)比不同摻灰比水泥改性土與素膨脹土的力學(xué)性質(zhì)差異，以及不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣的影響情況。

試樣養(yǎng)護(hù)完成后即可開始進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融循環(huán)模型試驗(yàn)裝置的溫度控制精度為±1℃，且在試驗(yàn)過程中可通過補(bǔ)水進(jìn)行溫度控制。對(duì)試樣進(jìn)行12次的凍融循環(huán)，一次循環(huán)過程為試驗(yàn)開始后先將試樣放置在-10℃的環(huán)境中凍結(jié)12 h，之后再在常溫條件下將試樣融化12 h。

為了在變形測(cè)量過程中考慮到試樣發(fā)生不均勻變形，沿試樣高度設(shè)置5個(gè)斷面進(jìn)行試樣的直徑測(cè)量，設(shè)置2個(gè)垂直斷面以測(cè)量試樣高度，最后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均。含水率的測(cè)定通過試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行稱重來計(jì)算。

凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣力學(xué)特性的影響規(guī)律也是本研究的目的之一，通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)分別為 0、1、2、3、5、7、9 和 12 次的試樣應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行確定。無側(cè)限壓縮試驗(yàn)的控制方式選用應(yīng)變控制，加載速率為1.5 mm/min。

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)過程中的試樣含水率變化

圖1展示了在凍融循環(huán)過程中試樣水分的損失情況。從圖中可以看出，水分損失與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的水分損失逐漸增大，最大值不超過5%。在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，水分損失率最大的為素膨脹土試樣。在試驗(yàn)初期，三種水泥改性膨脹土的水分損失率較為接近，在試驗(yàn)?zāi)┢冢謸p失率從大到小的摻灰比依次為4%、6%和8%，這說明水泥能降低在凍融循環(huán)條件下膨脹土的水分損失，摻灰比越高，水分損失越小。

圖1 凍融循環(huán)過程中試樣的水分損失

3.2 凍融循環(huán)和對(duì)試樣體積的影響

圖2展示了凍融循環(huán)過程中各試樣的體積變化情況。從圖中可以看出，在凍融循環(huán)過程中，水泥對(duì)膨脹土的變形有抑制作用。未摻入水泥的膨脹土即素膨脹土試樣的體積變化較大，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，達(dá)到了2.5%左右，變化幅值在試驗(yàn)初期較大，后面趨于穩(wěn)定，約為1.5%。相較于素膨脹土試樣，摻入水泥的改性膨脹土的體積變化率較小，約為-1.5%～0.5%之間，水泥在凍融循環(huán)過程中對(duì)膨脹土的變形抑制效果顯著，亦呈現(xiàn)出摻灰比越高體積變化率越小的一般性規(guī)律。這是由于，通過往膨脹土中摻入水泥后，土中含的水會(huì)與摻入的水泥兩者之間會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，使得土體由之前的離散狀態(tài)逐漸演變?yōu)槟z結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致了土體性質(zhì)的變化，降低了土體的脹縮特性，提高了強(qiáng)度。

圖2 凍融循環(huán)過程中試樣的體積變化

3.3 凍融循環(huán)條件下的水泥改性土力學(xué)特性

凍融循環(huán)在自然界中是一種常見的強(qiáng)風(fēng)化作用，對(duì)土石結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)有著極大的影響。本文通過無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下試樣的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。

3.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3展示了在凍融循環(huán)條件下素膨脹土和3種不同摻灰比的水泥改性土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，土體應(yīng)力應(yīng)變曲線形式為“軟化型”，通過不同摻量的水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，均可以顯著提高土體強(qiáng)度，但是與素膨脹土試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，改性土的塑性表現(xiàn)較差，這說明水泥在提高土體強(qiáng)度的同時(shí)，亦降低了其塑性。

圖3 膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

就同一試樣而言，呈現(xiàn)出凍融循環(huán)次數(shù)增加而峰值應(yīng)力減小的一般特征，且降低幅度在第一次循環(huán)之后最為明顯，之后隨著循環(huán)次數(shù)增加，峰值應(yīng)力的降低幅度較小。就水泥改性膨脹土而言，如圖3b、3c、3d所示，強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加的同時(shí)，其試樣變形能力也逐漸提高，即曲線由“瘦高”向“矮胖”轉(zhuǎn)變，雖然強(qiáng)度減少，但是隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力降低沒有凍融循環(huán)前來得那么快，這說明，凍融循環(huán)作用不僅降低了水泥改性膨脹土的強(qiáng)度，亦提升了其韌性。

3.3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

將凍融循環(huán)作用后的試樣無側(cè)向抗壓強(qiáng)度與其未受到凍融循環(huán)作用的初始強(qiáng)度比值定義為F，圖4展示了在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各試樣的F變化情況。從圖中可以看出，表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而F值減小的一般性規(guī)律，且F的減小幅度在第一次凍融循環(huán)之后表現(xiàn)得最為明顯，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)降低的幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。對(duì)比不同試樣發(fā)現(xiàn)，摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用越來越明顯。這是由于摻灰比越大，即改性土試樣中存在的水泥成分越多，土顆粒之間的膠結(jié)作用則會(huì)越明顯，土體越牢固，受凍融循環(huán)的影響則越小。

圖4 F隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

3.3.3 彈性模量

將凍融循環(huán)作用后的試樣應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的彈性模量與其未受到凍融循環(huán)作用的試樣應(yīng)變?yōu)?%時(shí)的初始彈性模量比值定義為Q，圖5展示了在不同凍融循環(huán)次數(shù)下各試樣的Q變化情況。從圖中可以看出，表現(xiàn)出隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而Q值減小的一般性規(guī)律，且Q的減小幅度在第一次凍融循環(huán)之后表現(xiàn)得最為明顯，之后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，Q降低的幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。與素膨脹土試樣相比，摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對(duì)彈性模量的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用逐漸增加，但不同摻灰比下的彈性模量差異不是非常大。

圖5 Q隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

3.3.4 破壞應(yīng)變

根據(jù)以上研究，膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變曲線屬于軟化型曲線，在該曲線中，破壞應(yīng)變則對(duì)應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變曲線中峰值軸應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。圖6展示了不同試樣的破壞應(yīng)變隨凍融次數(shù)增加的變化情況。從圖中可以看出，素膨脹土的破壞應(yīng)變較高，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其破壞應(yīng)變呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。相對(duì)于素膨脹土試樣而言，水泥改性膨脹土的破壞應(yīng)變較小，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加雖然略有波動(dòng)，但變化不大。破壞應(yīng)變與摻灰比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，摻灰比越大，破壞應(yīng)變?cè)降?，這亦證明了前文的結(jié)論，往膨脹土中摻入水泥進(jìn)行改性，在增大土體強(qiáng)度的同時(shí)，亦降低了其塑性。

圖6 應(yīng)變破壞隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

4 結(jié)論

本文結(jié)合引江濟(jì)淮工程的具體工程實(shí)際，通過水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，對(duì)素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)作用對(duì)試樣的含水率和體積的變化。在凍融循環(huán)過程中，通過無側(cè)向壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了素膨脹土和不同摻灰比的水泥改性膨脹土的力學(xué)性質(zhì)。得出主要結(jié)論如下:

(1)在凍融循環(huán)過程中，試樣的水分損失與凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣的水分損失逐漸增大。通過摻入水泥，對(duì)在凍融循環(huán)過程中的試樣水分損失和體積變化情況均有改善效果。

(2)凍融循環(huán)作用降低土體的強(qiáng)度的同時(shí)，增大了土體韌性，使其變形能力有所提高。

(3)通過不同摻量的水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，均可以顯著提高土體強(qiáng)度，但改性土的塑性表現(xiàn)較差，摻入的水泥量越多，破壞應(yīng)變?cè)叫?，摻入水泥在提高土體強(qiáng)度的同時(shí)，亦降低了塑性。

(4)摻入水泥能有效減緩凍融循環(huán)作用對(duì)土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，且隨著摻灰比的增加，減緩作用越來越明顯。