自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性試驗(yàn)研究

邵應(yīng)峰， 周云東， 黃安國(guó)， 王 響， 高玉峰

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

自密實(shí)固化土是利用溝槽、基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的廢棄土作為原料，再摻入一定比例的固化劑和水，經(jīng)充分拌合后形成的具有高流動(dòng)性及自密實(shí)性能的一種填筑材料，它既可作為道路路基材料用于路基工程中，還可用于各類溝槽、基坑的回填和地基加固處理中. 利用自密實(shí)固化土進(jìn)行實(shí)際工程建設(shè)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可對(duì)廢棄土進(jìn)行資源化利用，減少?gòu)U棄土的外運(yùn)，降低能源消耗與工程造價(jià)，體現(xiàn)了低碳理念；采用無(wú)揚(yáng)塵的濕法施工，降低了對(duì)環(huán)境的污染；僅靠自身重力即可在狹小和異形的空間中保證填筑體的均勻密實(shí)，且在填筑過(guò)程中無(wú)須振搗，不僅可減少噪音對(duì)環(huán)境的影響，還可縮短工期；在低水泥摻量下仍具有較高的強(qiáng)度，大幅提高了填筑質(zhì)量.

季節(jié)性凍土在我國(guó)分布廣泛［1］，季節(jié)性凍土一般會(huì)在冬季凍結(jié)、夏季全部融化，土體每年至少要經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，而土中水分發(fā)生凍結(jié)和融化后會(huì)導(dǎo)致土體原有的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，最終會(huì)影響土體的安全性和耐久性［2-4］. 因此，眾多學(xué)者［5-8］展開(kāi)了關(guān)于凍融循環(huán)后土體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究. 談云志等［9］通過(guò)試驗(yàn)探究了凍融循環(huán)對(duì)不同初始含水率和初始?jí)簩?shí)度的改良粉土強(qiáng)度及孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律. 王天亮等［10］通過(guò)試驗(yàn)探究了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥改良土和石灰改良土的強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響. 陳四利等［11］通過(guò)試驗(yàn)探究了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及滲透系數(shù)的影響. 侯淑鵬等［12］通過(guò)試驗(yàn)分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)后水泥土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的變化，并探討了凍融循環(huán)條件下水泥土的損傷劣化機(jī)制. 張淑玲等［13］對(duì)粉煤灰土和水泥土在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究. 鄭旭等［14］對(duì)MgO 碳化固化土與水泥固化土在凍融循環(huán)作用下的物理特性與力學(xué)特性變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究.趙振亞等［15］通過(guò)試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)對(duì)水泥紅黏土強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響. 陳四利等［16］通過(guò)試驗(yàn)探究了水泥土的抗壓強(qiáng)度和疲勞壽命隨凍融循環(huán)次數(shù)、水泥摻量的變化規(guī)律. 張經(jīng)雙和段雪雷［17］通過(guò)試驗(yàn)探究了凍融循環(huán)對(duì)水泥土損傷特性和能量耗散的影響. 崔宏環(huán)等［18］通過(guò)試驗(yàn)探究了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥改良土力學(xué)性能的影響規(guī)律.

綜合來(lái)看，目前鮮有學(xué)者對(duì)自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性進(jìn)行研究. 為了提高自密實(shí)固化土的流動(dòng)性，自密實(shí)固化土的摻水率往往較高，若在季節(jié)性凍土區(qū)利用自密實(shí)固化土進(jìn)行工程建設(shè)，凍融循環(huán)將是影響其長(zhǎng)期性能的重要因素之一，故研究自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性對(duì)于其耐久性的評(píng)價(jià)及推廣應(yīng)用非常重要. 鑒于此，本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了不同流動(dòng)度、不同水泥摻量的自密實(shí)固化土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并建立了自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型，以便于根據(jù)實(shí)際工程中流動(dòng)度、強(qiáng)度、極限凍融循環(huán)條件的要求對(duì)自密實(shí)固化土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

原料土取自江蘇省南通市的某工程現(xiàn)場(chǎng)，屬于粉質(zhì)黏土. 原料土的基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 原料土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of raw soil

試驗(yàn)使用的固化劑為P·O42.5型號(hào)水泥，該水泥的部分性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 水泥的部分性能檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of some properties of cement

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

流動(dòng)度是衡量自密實(shí)固化土流動(dòng)性的物理指標(biāo)，隨著摻水率的增大而增大，故通過(guò)調(diào)節(jié)摻水率可控制自密實(shí)固化土的流動(dòng)度. 為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)不同流動(dòng)度、不同水泥摻量的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，需先制備水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%，摻水率分別為50%、52%、54.5%、55%、55.5%、56%、57%、58%、60%的自密實(shí)固化土試樣，然后根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容從中選取幾組不同配合比的自密實(shí)固化土試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn). 本研究中，水泥摻量指的是自密實(shí)固化土中水泥的質(zhì)量占烘干的原料土質(zhì)量的百分比，摻水率指的是自密實(shí)固化土中水的質(zhì)量占烘干的原料土質(zhì)量的百分比. 自密實(shí)固化土試樣的編號(hào)為Cx-Fy，其中x、y分別代表了該自密實(shí)固化土試樣中的水泥摻量和流動(dòng)度，例如水泥摻量為15%、流動(dòng)度為160 mm的自密實(shí)固化土試樣的編號(hào)為C15-F160.

1.2.2 試樣的制備及養(yǎng)護(hù)

首先將取回的原料土樣進(jìn)行烘干處理，按照設(shè)計(jì)的配合比將烘干的原料土、水、水泥攪拌均勻并測(cè)定混合料的流動(dòng)度，再將試樣裝入直徑為50 mm、高為100 mm 的模具中，將裝有試樣的模具放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h后取出拆模，檢查自密實(shí)固化土試樣的完整性. 然后將自密實(shí)固化土試樣重新放入養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期（28 d）后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn). 養(yǎng)護(hù)箱設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境：溫度（20±2）℃，濕度95%.

1.2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于自密實(shí)固化土凍融循環(huán)試驗(yàn)的規(guī)范，本研究是在參照文獻(xiàn)［19］的基礎(chǔ)上開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)的，具體方法如下：首先將養(yǎng)護(hù)至28 d的自密實(shí)固化土試樣密封后放入-15 ℃的低溫試驗(yàn)箱中冷凍12 h，再將自密實(shí)固化土試樣放入20 ℃的養(yǎng)護(hù)箱中融化12 h，此即一個(gè)凍融循環(huán)周期，如此反復(fù)，分別對(duì)自密實(shí)固化土試樣進(jìn)行0、3、6、10次的凍融循環(huán)，最后取出不同凍融循環(huán)次數(shù)下自密實(shí)固化土的試樣并測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)根據(jù)公式（1）計(jì)算經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的自密實(shí)固化土試樣的強(qiáng)度衰減率α.

式中：α為強(qiáng)度衰減率，%；q0為凍融循環(huán)前試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；qn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa.

1.2.4 流動(dòng)度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定方法

測(cè)定自密實(shí)固化土流動(dòng)度的具體方法為：首先將攪拌均勻的自密實(shí)固化土緩慢裝入內(nèi)徑為80 mm、凈高為80 mm的空心圓筒中并填滿，然后將圓筒垂直向上緩慢提起，令自密實(shí)固化土自由流動(dòng)1 min，再用直尺測(cè)量自密實(shí)固化土相互垂直兩個(gè)方向的最大水平直徑，取其平均值作為自密實(shí)固化土的流動(dòng)度.

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，選用應(yīng)變控制模式，加載速率為1 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)與不同配合比的自密實(shí)固化土強(qiáng)度衰減率的關(guān)系

隨機(jī)選取6 組不同配合比的自密實(shí)固化土試樣（C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165）進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并計(jì)算每組試樣經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強(qiáng)度衰減率α，同時(shí)利用冪函數(shù)分別對(duì)這6組試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度衰減率進(jìn)行非線性擬合，結(jié)果如圖1所示. 由圖1可知，試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165 在經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為11.95%、12.75%、18.88%、21.99%、24.30%、35.04%，這說(shuō)明在相同凍融循環(huán)條件下，不同配合比的自密實(shí)固化土的極限凍融循環(huán)次數(shù)是不同的. 從圖1中的擬合曲線可以看出，6組試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度衰減率擬合曲線的斜率均為正值且斜率在逐漸減小，這說(shuō)明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這6組試樣的強(qiáng)度衰減率均逐漸增大，但是強(qiáng)度衰減率的增加幅度在逐漸減小，由此可以說(shuō)明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)對(duì)自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度在逐漸減小.

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與不同配合比的自密實(shí)固化土強(qiáng)度衰減率的關(guān)系Fig.1 Relationship between the freeze-thaw cycle times and the strength decay rates of self compacting solidified soils with different mix ratios

2.2 凍融循環(huán)對(duì)不同流動(dòng)度的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)不同流動(dòng)度的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)水泥摻量均為12.5%，流動(dòng)度分別為124、165、235 mm的3組自密實(shí)固化土試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并計(jì)算每組試樣經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強(qiáng)度衰減率，結(jié)果如圖2 所示. 由圖2 可以看出，自密實(shí)固化土試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235經(jīng)歷3次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為7.99%、8.12%、17.54%，經(jīng)歷6次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為8.88%、10.50%、16.87%，經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為11.95%、12.75%、17.43%. 以上結(jié)果表明，在相同的水泥摻量和凍融循環(huán)次數(shù)條件下，自密實(shí)固化土試樣的強(qiáng)度衰減率隨著流動(dòng)度的增加而增加，即流動(dòng)度越高，凍融循環(huán)對(duì)自密實(shí)固化土的影響越大. 分析原因可能是：一方面是因?yàn)榱鲃?dòng)度越高，自密實(shí)固化土的孔隙水含量就越高，在受到冷凍作用時(shí)，孔隙水因結(jié)冰而體積變大，進(jìn)而會(huì)破壞自密實(shí)固化土的孔隙，使自密實(shí)固化土的結(jié)構(gòu)受到更大的損傷；另一方面是因?yàn)樵谙嗤乃鄵搅織l件下，自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著流動(dòng)度的增大而減小，所以其抵抗凍融循環(huán)破壞的能力會(huì)隨著流動(dòng)度的增大而減小. 因此，為保證自密實(shí)固化土在季節(jié)性凍土區(qū)的長(zhǎng)期性能，在對(duì)其進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，建議不要選擇過(guò)高的流動(dòng)度，以盡量避免由過(guò)高的流動(dòng)度導(dǎo)致的凍融損傷.

圖2 凍融循環(huán)對(duì)不同流動(dòng)度的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different fluidity

2.3 凍融循環(huán)對(duì)不同水泥摻量的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)不同水泥摻量的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)流動(dòng)度均為165 mm，水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%的5組自密實(shí)固化土試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并計(jì)算每組試樣經(jīng)過(guò)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強(qiáng)度衰減率，結(jié)果如圖3 所示. 由圖3 可以看出，自密實(shí)固化土試樣C10-F165、C12.5-F165、C15-F165、C18-F165、C22-F165經(jīng)歷3次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為11.06%、8.15%、10.25%、8.31%、15.56%，經(jīng)歷6 次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為17.53%、10.50%、15.86%、18.66%、28.80%，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)作用后的強(qiáng)度衰減率分別為21.99%、12.75%、18.89%、24.30%、35.04%. 以上結(jié)果表明，在相同的流動(dòng)度和凍融循環(huán)次數(shù)條件下，自密實(shí)固化土的強(qiáng)度衰減率隨著水泥摻量的增加先減小后增大，并且當(dāng)水泥摻量為12.5%時(shí)，自密實(shí)固化土的強(qiáng)度衰減率最小. 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是：在流動(dòng)度相同的條件下，自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和密實(shí)程度均會(huì)隨著水泥摻量的增大而增大，但其孔隙率則會(huì)隨之減小［20］，所以在水泥摻量較低的情況下，自密實(shí)固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力會(huì)隨著水泥摻量的增大而增大，但當(dāng)水泥摻量增大到一定程度時(shí)，自密實(shí)固化土的孔隙率因變得過(guò)小而導(dǎo)致其無(wú)法適應(yīng)孔隙水結(jié)冰時(shí)的體積變化，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生更大的凍融破壞. 因此，為保證自密實(shí)固化土在季節(jié)性凍土區(qū)的長(zhǎng)期性能，在對(duì)其進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用的水泥摻量為12.5%.

圖3 凍融循環(huán)對(duì)不同水泥摻量的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different cement contents

3 自密實(shí)固化土的力學(xué)模型

為給應(yīng)用在季節(jié)性凍土區(qū)的自密實(shí)固化土的配合比設(shè)計(jì)提供參考，在以上試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度模型和凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型.

3.1 自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度模型

將水泥摻量分別為10%、12.5%、15%，摻水率分別為50%、52%、55%、58%、60%的15組自密實(shí)固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行多元非線性曲面擬合，可以得到自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度模型，結(jié)果如公式（2）和圖4所示.

圖4 自密實(shí)固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度模型圖Fig.4 Model diagram of unconfined compressive strength of self-compacting solidified soil

式中：z為自密實(shí)固化土養(yǎng)護(hù)28 d 后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；x為水泥摻量，%；y為摻水率，%. 依靠該模型，可以根據(jù)實(shí)際工程的需求，為在不同的水泥摻量條件下需達(dá)到某一特定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的自密實(shí)固化土的配合比設(shè)計(jì)提供參考.

3.2 自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強(qiáng)度的自密實(shí)固化土試樣經(jīng)過(guò)0、3、6、10次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度衰減率進(jìn)行非線性曲面擬合，可以得到自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度衰減率模型，結(jié)果如公式（3）所示.

式中：z為自密實(shí)固化土經(jīng)歷x次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度衰減率，%；x為凍融循環(huán)次數(shù)，次；y為初始強(qiáng)度，kPa.參照混凝土耐久性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以25%的強(qiáng)度衰減率作為極限凍融條件，依靠該模型可預(yù)測(cè)不同初始強(qiáng)度的自密實(shí)固化土的臨界凍融循環(huán)次數(shù).

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強(qiáng)度的自密實(shí)固化土試樣經(jīng)過(guò)0、3、6、10次凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行非線性曲面擬合，可以得到自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型，結(jié)果如公式（4）和圖5所示.式中：z為自密實(shí)固化土經(jīng)歷y次凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；x為初始強(qiáng)度，kPa；y為凍融循環(huán)次數(shù)，次. 依靠該模型，可以根據(jù)實(shí)際工程的需求，為在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下需達(dá)到某一特定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的自密實(shí)固化土的配合比設(shè)計(jì)提供參考.

圖5 自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型圖Fig.5 Freeze-thaw cycle strength damage model of self-compacting solidified soil

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)對(duì)不同流動(dòng)度、不同水泥摻量的自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，得到以下結(jié)論：

1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)對(duì)自密實(shí)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度在逐漸減小.

2）相同的凍融循環(huán)次數(shù)和水泥摻量的條件下，自密實(shí)固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力隨著流動(dòng)度的增大而減小.

3）相同的凍融循環(huán)次數(shù)和流動(dòng)度條件下，自密實(shí)固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力隨著水泥摻量的增大呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，當(dāng)水泥摻量為12.5%時(shí)，自密實(shí)固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力最強(qiáng).

4）構(gòu)建了自密實(shí)固化土的凍融循環(huán)強(qiáng)度損傷模型，根據(jù)該模型可為不同凍融循環(huán)次數(shù)下需達(dá)到某一特定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的自密實(shí)固化土的配合比設(shè)計(jì)提供參考.