凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土強度及變形特性研究

胡建林，高鵬飛，張玉龍

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

0 引言

凍土是由土顆粒、冰水混合物和氣體共同構(gòu)成的3項復合體，可分為短時凍土、季節(jié)性凍土和永久凍土，其中季節(jié)性凍土地區(qū)在我國的分布十分廣泛，占全國面積的53.5%[1]。在北方季節(jié)性凍土地區(qū)，路基土經(jīng)過反復凍融，破壞了其原始的水熱平衡，致使路基產(chǎn)生不均勻沉降，路面出現(xiàn)裂縫、波浪和塌陷等病害，嚴重危害了道路的通行。因此，人們通過大量的試驗研究，在路基土中加入水泥、粉煤灰和新型固化劑等材料，以求提高路基土的凍融耐久性。其中水泥作為一種常見的固化劑，在加入土中后可明顯提高路基土的強度與凍融耐久性[2]。對于水泥土的抗凍性能研究，眾多學者進行了廣泛的分析。陳四利等[3]對水泥土的凍融耐久性進行了分析，結(jié)果表明，凍融循環(huán)會導致水泥土的抗剪強度、抗壓強度降低，而滲透系數(shù)提高。張淑玲等[4]對凍融循環(huán)后水泥土的力學性能進行了分析，結(jié)果表明，干凍下水泥土的抗壓強度明顯高于濕凍，并通過對水泥土凍融破壞的分析解釋了水泥土的抗凍機理。張經(jīng)雙等[5]對不同齡期水泥土進行了凍融循環(huán)試驗，結(jié)果表明，不同齡期的水泥土經(jīng)過15次凍融循環(huán)后其強度均下降了50%以上。王天亮等[6]對凍融循環(huán)作用下水泥土的變形特性進行了研究，分析表明水泥土的應力-應變曲線為應變軟化型。寧寶寬等[7]對不同土質(zhì)、不同水泥配比的水泥土做了凍融循環(huán)試驗，結(jié)果表明，黏土水泥土的抗凍性大于淤泥質(zhì)水泥土，且存在一個最優(yōu)水泥配比使水泥土的抗凍性最好。上述研究表明，水泥土較普通土體凍融循環(huán)耐久性已有明顯的提高，但其在低水泥配比下的抗凍性依舊較差，且受土質(zhì)、水泥配比和齡期等因素的影響較大。為此，尋找一種合適的水泥合成材料是目前季凍區(qū)亟待解決的問題。研究表明，在水泥土中加入微硅粉[8]、赤泥-鋼渣[9]、玄武巖纖維[10]和橡膠粉[11]等摻合料可提高水泥土的強度與凍融循環(huán)耐久性，但上述摻合料因造價較高或施工不便難以應用到實際工程中。

鐵尾礦是鐵礦石篩選后剩余的廢棄物，是目前尾礦壩的重要組成。鐵尾礦的大量堆砌不僅會造成尾礦壩面臨坍塌、潰壩的風險，而且會產(chǎn)生重金屬流失、環(huán)境污染等問題。因此，對鐵尾礦的再生利用是今后綠色發(fā)展的重要目標。

基于固體廢料二次利用的思想。本文嘗試在水泥土中加入鐵尾礦砂，探究鐵尾礦砂對水泥土強度以及抗凍能力的影響，并與素水泥土進行比較。為寒區(qū)工程凍融耐久性做一些有益的探索。

1 試驗

1.1 試樣材料

本次試驗所用水泥為張家口市金隅水泥廠生產(chǎn)，強度等級為32.5的礦渣硅酸鹽水泥，土樣取自張家口市某基坑，土質(zhì)為典型的粉質(zhì)黏土，土樣的基本物理性質(zhì)見表1，顆粒級配曲線如圖1所示；鐵尾礦砂為某鋼廠經(jīng)篩選后的顆粒廢棄物，其化學組成見表2，顆粒級配曲線如圖2所示。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

圖1 土的顆粒級配曲線

表2 鐵尾礦砂的化學成分

圖2 鐵尾礦砂的顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

根據(jù)《土工試驗方法標準》[12]對重塑土的制備要求，將土樣烘干并過2 mm土壤篩，鐵尾礦砂過2.36 mm砂石篩，去除鐵尾礦砂中較大的顆粒雜質(zhì)。采用靜壓法制備無側(cè)限抗壓強度試驗的試件，試件尺寸為φ100 mm×100 mm。通過不同配合比的擊實試驗得到水泥土的最優(yōu)含水率和最大干密度，見表3。水泥土試件采用最優(yōu)含水率制作。首先將素土與鐵尾礦砂充分混合后加水至最優(yōu)含水率并放入保鮮袋中密封24 h，以保證含水率均勻。之后加入水泥充分攪拌，分3層放入鋼型模具中靜壓成型。試件成型后靜置4 h脫模并放入養(yǎng)護箱中進行標準養(yǎng)護。

表3 不同配比水泥土擊實試驗

1.3 試驗設計

(1)無側(cè)限抗壓強度試驗設計

無側(cè)限抗壓強度試驗參考《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[13]的相關內(nèi)容，將養(yǎng)護一定齡期的水泥土試件稱重,測量尺寸后在萬能試驗機上進行無側(cè)限抗壓強度試驗，加載速率為1 mm/min，試件破碎后取部分碎塊測量其含水率。

(2)凍融循環(huán)試驗設計

參考文獻[14],并根據(jù)北方季凍區(qū)氣候變化幅度，選定凍結(jié)溫度為-20 ℃，融化溫度為25 ℃。具體操作步驟如下：將養(yǎng)護到齡期的水泥土試件放入20 ℃的恒溫水箱中浸泡48 h，之后開始進行凍融循環(huán)實驗。將水泥土試件放入低溫試驗箱中凍結(jié)12 h，凍結(jié)完畢后在常溫(25 ℃)環(huán)境下融化12 h，此為1次凍融循環(huán)。每次循環(huán)完成后測量水泥土試件的質(zhì)量及高度變化，之后進行無側(cè)限抗壓強度試驗，以單軸抗壓強度指標評價水泥土抵抗凍融循環(huán)能力的大小。循環(huán)次數(shù)為0、3、6、9、15次。

1.4 試驗方案

試驗包括無側(cè)限抗壓強度試驗和凍融循環(huán)試驗。為對比不同鐵尾礦砂和不同水泥配比對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響，得到鐵尾礦砂的最優(yōu)配合比，根據(jù)相關規(guī)范[15]，選取水泥配比為8%、12%、16%、20%，鐵尾礦砂配比為0%、10%、20%、30%、40%，養(yǎng)護齡期為28 d，壓實度為95%，每個配比做3個平行試件，測試結(jié)果取其平均值，各配比的計算公式如下

(1)

(2)

式中：αT為鐵尾礦砂配比，%；αC為水泥配比，%；mC、mT、mS分別為水泥質(zhì)量、鐵尾礦砂質(zhì)量和素土質(zhì)量，kg。

凍融循環(huán)試驗探究循環(huán)次數(shù)以及水泥配比對鐵尾礦砂水泥土耐久性的影響，選定凍融循環(huán)次數(shù)為0、3、6、9、15次，水泥配比為8%、12%、16%、20%，鐵尾礦砂配比為無側(cè)限抗壓強度實驗中鐵尾礦砂的最佳摻入量，同時選取鐵尾礦砂配比0%的素水泥土進行對比，養(yǎng)護齡期為28 d，按照壓實度95%制作試件，其中每個配比做3個平行試件，測試結(jié)果取平均值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 鐵尾礦砂水泥土無側(cè)限抗壓強度分析

圖3為不同水泥配比下鐵尾礦砂配比與水泥土無側(cè)限抗壓強度柱狀圖，從圖3中可以看出，在相同水泥配比下，水泥土的抗壓強度隨鐵尾礦砂配比的增加呈先增大后減小的趨勢，在鐵尾礦砂配比為20%時，水泥土的強度提升最大，在鐵尾礦砂配比為40%時強度提升最小。同時可以看出，隨著水泥配比的增加，鐵尾礦砂對水泥土的強度提升逐漸減小，例如在水泥配比8%時，不同鐵尾礦砂水泥土的強度增長率分別為45%、76%、66%、32%，而在水泥配比20%時，水泥土的強度增長率僅為6.5%、14%、8%、4%。究其原因，這是因為鐵尾礦砂在水泥土中的骨架填充作用，使得水泥土的結(jié)構(gòu)更加密實[16]，從而提高了水泥土的抗壓強度。當水泥配比過大時，水泥土自身水化反應形成的孔隙結(jié)構(gòu)較為致密，鐵尾礦的填充作用反而不明顯。除此之外，摻入過多的鐵尾礦砂會使土體中的黏性顆粒相對減少，土體自身的黏聚力降低，從而導致水泥土的抗壓強度在鐵尾礦砂配比超過20%后呈下降趨勢。

圖3 鐵尾礦砂水泥土無側(cè)限抗壓強度及強度增長率

2.2 凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土應力應變曲線

從上述分析可以得出，鐵尾礦砂摻入量在20%時，各配比下的水泥土抗壓強度最高，其強度增長率也最大，因此，選取鐵尾礦砂20%的水泥土進行凍融循環(huán)試驗。2種水泥土在凍融循環(huán)作用下的應力應變曲線如圖4和圖5所示。其中n為凍融循環(huán)次數(shù)。從圖4和圖5中可以看出，相同水泥配比下，2種水泥土的應力應變曲線大部分分布在循環(huán)次數(shù)為0的曲線下方，這說明凍融循環(huán)會對2種水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷，導致其力學性能發(fā)生變化。對比2種水泥土在不同水泥配比下的應力應變曲線得知，素水泥土在水泥配比8%～12%時損傷較大，不同凍融循環(huán)次數(shù)的曲線相差比較明顯，而在水泥配比16%～20%時，不同凍融次數(shù)的曲線有較大部分重疊，水泥土損傷較小。而鐵尾礦砂水泥土在不同循環(huán)次數(shù)下的應力應變曲線均處于一定范圍之內(nèi)，各曲線相差較小。因此，可以認為鐵尾礦砂水泥土在凍融循環(huán)作用下的應力應變優(yōu)于素水泥土，同時水泥配比越高，水泥土抵抗凍融循環(huán)的能力就越強。

2.3 凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土脆性指數(shù)

從圖4和圖5中可以看出，2種水泥土的應力-應變曲線都可視為應變-軟化型曲線，具有明顯的峰值點，破壞方式為典型的脆性破壞。因此，可以用脆性指數(shù)(I)[17]來表征鐵尾礦砂水泥土和素水泥土的應力應變特性，其公式如下

圖4 凍融循環(huán)作用下素水泥土應力應變曲線

圖5 凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土應力應變曲線

(3)

式中：f(σ,ε)為水泥土應力應變曲線函數(shù)；σp為水泥土的峰值強度；σr為水泥土的殘余強度；εp為水泥土的峰值應變；εr為水泥土的殘余應變；0≤I≤1。

脆性指數(shù)可定義為水泥土在荷載作用下受到破壞時，釋放的彈性能與峰值點之間所存儲的總能之比。由脆性指數(shù)的定義可知，水泥土在達到峰值點后釋放的彈性能越大，其在失穩(wěn)破壞后釋放的能量就越大，水泥土脆性就越大。

2種水泥土的脆性指數(shù)如圖6所示。由圖6可以看出，素水泥土和鐵尾礦砂水泥土的脆性指數(shù)都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而持續(xù)增加，但增加速率逐漸變緩，在循環(huán)次數(shù)達到9次之后，脆性指數(shù)逐漸趨于平緩。同時，水泥配比越大，水泥土的脆性指數(shù)越大。這說明，增大水泥配比雖然可以提高水泥土的抗壓強度，但脆性也會顯著增加，導致水泥土在破壞時殘余強度變小。此外，對比2種水泥土的脆性指數(shù)可以看出，素水泥土的脆性指數(shù)大部分分布在0.4～0.9，而鐵尾礦砂水泥土的脆性指數(shù)則在0.25～0.6，即加入鐵尾礦砂可以使水泥土的脆性指數(shù)降低，使其在破壞后釋放的能量減小，殘余強度增加。

圖6 2種水泥土的脆性指數(shù)

2.4 凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土的峰值應力

為進一步分析2種水泥土在凍融循環(huán)作用下的力學特性，取水泥土應力應變曲線上的峰值點作為2種水泥土的峰值應力，建立循環(huán)次數(shù)與峰值應力的關系曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，2種水泥土的峰值強度都會隨循環(huán)次數(shù)的增加呈先減小后略微增大的趨勢，具有明顯的拐點。在水泥配比8%和12%時，素水泥土到達拐點的循環(huán)次數(shù)為9次和6次，而鐵尾礦砂水泥土到達拐點的循環(huán)次數(shù)均為6次。在水泥配比16%和20%時，2種水泥土均在循環(huán)次數(shù)3次后強度不再下降。這說明隨著水泥配比的增加，水泥土到達拐點對應的凍融循環(huán)次數(shù)明顯減少。同時，在相同水泥配比下，加入鐵尾礦砂可以使水泥土的拐點有提前的趨勢。此外，在低水泥配比下，素水泥土在到達拐點后強度無明顯增長，而鐵尾礦砂水泥土在到達拐點后強度增長明顯。即鐵尾礦砂可以明顯提高水泥土在到達拐點后的強度。

2.5 凍融循環(huán)作用下鐵尾礦砂水泥土強度變化機理

凍融循環(huán)會對水泥土的強度造成一定程度的劣化，這是因為水泥土在凍結(jié)時，土體內(nèi)部的孔隙水會發(fā)生相變，使其體積增大約9%，從而產(chǎn)生了較大的膨脹應力，在與土體作用中很容易產(chǎn)生應力集中，從而使土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂隙。而水泥土在常溫狀態(tài)下融化時，土體中的液態(tài)水會向結(jié)構(gòu)裂縫中遷移，產(chǎn)生靜水壓力[18]，進一步使水泥土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，致使土體的孔隙持續(xù)增大。反復的凍結(jié)融化使水泥土內(nèi)部由最初的微小裂紋逐漸演變成貫穿整個試件的宏觀裂縫，進而使水泥土在外力作用下產(chǎn)生極大的變形，致使其強度降低。同時，根據(jù)Fick第二定律可知[19]，土體在未凍結(jié)時，其表層和內(nèi)部的液態(tài)水含量是不一致的，在養(yǎng)護過程中易產(chǎn)生內(nèi)外含量差，而水泥土在凍融循環(huán)過程中，土體內(nèi)部的水分子在液相與固相轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生吸熱放熱現(xiàn)象，使水泥土內(nèi)部產(chǎn)生溫差，加快了其裂隙的發(fā)展。

水泥土在凍融過程中，其強度并不會持續(xù)減小，而是有一定的閾值，超過這個閾值后強度反而有所回升。這是因為在多次凍融循環(huán)后，土體內(nèi)部的孔隙會產(chǎn)生一定程度的擴展，凍脹融沉產(chǎn)生的變形就會有一定的空間，固態(tài)水與土體之間的應力集中也會顯著減小，從而使水泥土的強度衰減逐漸降低[20]。此外，在水泥土中加入鐵尾礦砂可以有效填充水泥土內(nèi)部的孔隙，形成以水泥為骨架，鐵尾礦砂為中心，土顆粒包裹并填充水泥土內(nèi)部孔隙的結(jié)構(gòu)，增加了水泥土的密實性，阻止了液態(tài)水在裂隙中的流通。從而使水泥土在凍融循環(huán)作用下的強度劣化減小。同時，參考文獻[21-22]表明，凍融循環(huán)會使水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生重組，顆粒之間的摩擦力增大，而鐵尾礦砂顆粒的表面凹凸不平，更有利于摩擦效應的發(fā)揮，致使鐵尾礦砂水泥土在一定凍融循環(huán)次數(shù)后的強度回升十分明顯。

3 結(jié)論

(1)相同水泥配比下，鐵尾礦砂摻入量在20%時對水泥土的強度提升最大，最高強度增長率為76%。同時，鐵尾礦砂對水泥土的增強效應在低水泥配比時表現(xiàn)得更明顯。

(2)凍融循環(huán)會對鐵尾礦砂水泥土和素水泥土的應力應變造成一定程度的損傷，但鐵尾礦砂水泥土較素水泥土來說其應力應變曲線劣化程度較小。

(3)2種水泥土的脆性指數(shù)均會隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先增加后逐漸趨于平緩的趨勢，但鐵尾礦砂水泥土的脆性指數(shù)明顯小于素水泥土。

(4)2種水泥土的峰值強度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先減小后略微增大的趨勢，但鐵尾礦砂水泥土在凍融循環(huán)作用下的強度回升十分明顯。