基于凍融作用的固化硫酸鹽漬土-混凝土界面力學(xué)行為

丑亞玲， 原冰月

(1.蘭州理工大學(xué)， 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室， 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)， 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心， 蘭州 730050)

硫酸鹽漬土在中國西北季節(jié)凍土區(qū)廣泛分布，且會在工程中大量涉及。硫酸鹽漬土具有鹽脹、溶陷、腐蝕等不良工程性質(zhì)，這些不良工程性質(zhì)的存在，常會導(dǎo)致各種建(構(gòu))筑物產(chǎn)生相應(yīng)的工程病害，如沉陷、開裂等[1-2]。尤其對于廣泛分布著硫酸鹽漬土的中國西北地區(qū)，其賦存狀況復(fù)雜、治理困難等給工程識別及建設(shè)帶來了極大的挑戰(zhàn)[3-4]，該地區(qū)的工程項目如道路、機場等很多處于黃土狀硫酸鹽漬土地區(qū)，且大面積暴露于地表，由于受太陽輻射、蒸發(fā)蒸騰、降水、氣溫變化等氣候因素的影響及人類工程活動的擾動[5-6]，淺層鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)及工程行為對外界環(huán)境變化極其敏感且長期處在動態(tài)的變化之中。近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入，大量工程在西部季節(jié)凍土區(qū)建造和運營，為了減少工程病害，往往對黃土狀硫酸鹽漬土進行固化處理。因此，研究固化鹽漬土與結(jié)構(gòu)物的相互作用迫在眉睫。

土與結(jié)構(gòu)接觸面問題是巖土工程的熱點研究之一[7]。早期，國外學(xué)者通過室內(nèi)外試驗研究了土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)行為并通過理論推導(dǎo)建立了結(jié)構(gòu)面接觸模型[8-9]。中國研究者也在此研究方向上取得了突出的成果[10-11]。以上研究成果主要是針對融土與結(jié)構(gòu)的相互作用的，近些年學(xué)者們逐漸開展了考慮冷生過程的土與結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)行為的研究。何鵬飛等[12-13]基于直剪試驗，研究了凍土-混凝土界面凍結(jié)強度特征、形成機理及凍融作用對凍土-混凝土界面凍結(jié)強度及剪切行為的影響， 研究結(jié)果可用于模擬寒冷地區(qū)巖土工程結(jié)構(gòu)的性能，如樁基、擋土墻、大壩等及帶有混凝土襯里的灌溉渠道等。孫利成等[14]利用直剪試驗研究了黏土與混凝土接觸面的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在不同法向應(yīng)力下，土體的含水率對接觸面的力學(xué)特性影響較大。徐方等[15]進行了黏土-水泥土接觸面直剪試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)隨水泥土接觸面粗糙程度的增加，接觸面摩擦角增大，接觸面黏聚力約等同于黏土黏聚力。成浩等[16]探究了顆粒粒徑大小對接觸面抗剪強度及強度參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨粗粒土土顆粒粒徑的增大，抗剪強度增大，且增大土顆粒粒徑對接觸面表觀黏聚力提高明顯，而對接觸面最大內(nèi)摩擦角無明顯作用。丑亞玲等[17]探究了凍融作用下氯鹽漬土-結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的變化，并建立了接觸面界面力學(xué)模型。孫兆輝[18]通過直剪試驗研究發(fā)現(xiàn)鹽漬土與混凝土凍結(jié)接觸面剪切破壞形狀與鹽漬土的類型、含量有關(guān)。俞長隆[19]認為鹽漬土的含鹽量增大時，接觸面的凍結(jié)強度會降低，且氯化鈉較硫酸鈉而言，在凍結(jié)強度中的降低作用更明顯。秦虎等[20]發(fā)現(xiàn)鹽漬土本身及土-混凝土試樣的抗剪強度在凍結(jié)條件下受到土體含鹽量的作用，且對黏聚力的影響較內(nèi)摩擦角更大。朱樹順[21]探究了硫酸鹽漬土與混凝土塊、鋼塊接觸面力學(xué)性能在凍融次數(shù)及含鹽量因素下的變化情況，在凍融次數(shù)一定時，接觸面抗剪強度隨著含鹽量的增大表現(xiàn)出先減小后增大再減小的規(guī)律，不含鹽時，硫酸鹽漬土與混凝土塊及鋼塊界面的抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表現(xiàn)為先增大后減小，而含鹽時呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律。以上研究成果較為豐富，但較多表現(xiàn)為鹽漬土與結(jié)構(gòu)界面特性研究，針對凍融作用下固化鹽漬土與結(jié)構(gòu)相互作用的研究較少，此外，凍融作用對不同材料基礎(chǔ)(結(jié)構(gòu))-鹽漬土界面特性也會產(chǎn)生不良影響，鹽漬土體和結(jié)構(gòu)物在共同承擔(dān)外荷載時會產(chǎn)生一系列變形現(xiàn)象，乃至?xí)拐麄€工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞，且固化土體與結(jié)構(gòu)物接觸面的力學(xué)行為是確定鹽漬土地區(qū)基礎(chǔ)工程承載力、安全性和分析結(jié)構(gòu)與土體相互作用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。因此，現(xiàn)利用直剪儀進行固化鹽漬土與混凝土接觸面在凍融條件下的試驗研究，以望為相關(guān)地區(qū)工程修筑設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

1.1 鹽漬土及固化鹽漬土的制備

本試驗由過篩黃土與無水硫酸鈉人工配置硫酸鹽漬土，黃土基本性質(zhì)參數(shù)見表1。試驗前使用直徑61.8 mm，高度20 mm的模具預(yù)先加工強度等級為C30的混凝土塊，待養(yǎng)護完成后將表面粗糙度打磨一致。根據(jù)土體含鹽量對鹽漬土的分類標準，室內(nèi)試驗按含鹽量分別配置：0(素土)、1%和2%(中鹽漬土)、3%和5%(強鹽漬土) 、7%(超鹽漬土)，含鹽量均為鹽的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。通過重量法測得黃土中可溶鹽含量極低，未進行洗鹽處理，所以未配置弱鹽漬土。固化劑采用石灰-硅灰、石灰-稻殼灰、石灰-粉煤灰。試驗首先對含鹽量分別為1%、2%、3%的鹽漬土進行固化處理，研究不同固化劑的加固效果，然后對固化劑中的最優(yōu)組合進行不同含鹽量固化硫酸鹽漬土-界面力學(xué)特性的研究。鹽漬土的具體配制：①將試驗所用的自然風(fēng)干黃土碾碎，之后過0.5 mm孔篩，并測定初始含水率；②由初始含水率計算稱量干土質(zhì)量，同時稱取一定的無水硫酸鈉加入干土中，攪拌至兩者混合，隨后裝入保鮮袋放到密封箱內(nèi)，并放于陰涼處10 d促使土和鹽分充分吸附；③放置時間結(jié)束后，向土樣中加入足量蒸餾水，使其進一步充分混合，之后將硫酸土樣在自然條件下風(fēng)干；④風(fēng)干完成后將土樣碾碎過0.5 mm篩，再配置為17%含水率的土樣(制樣過程中考慮到水分的揮發(fā)，配置土樣含水率略高于最優(yōu)含水率)。試驗所用不同含鹽量的鹽漬土均按以上步驟配置，配置好的硫酸鹽漬土用保鮮袋密封保存。固化鹽漬土配制：①取風(fēng)干完成后的鹽漬土加入擬定的石灰摻量以及蒸餾水，攪拌均勻后悶料24 h；②在制樣前30 min內(nèi)加入設(shè)定的硅灰摻量(稻殼灰和粉煤灰也采用同樣的方法摻入)及蒸餾水，攪拌充分后制樣，隨后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。

表1 黃土基本物理指標Table 1 Basic physical indexes of loess

1.2 試驗方法

為保證試樣凍融循環(huán)結(jié)束后直接進行剪切試驗，在剪切盒下盒放入完成打磨的混凝土塊，其次將養(yǎng)護完成的固化土樣用壓實裝置壓入剪切盒中，以上步驟完成后將整個剪切盒用用保鮮膜多層包裹后放入冰箱進行凍融，在溫度設(shè)定-20 ℃的冰箱中凍結(jié)12 h后放在室溫(20～25 ℃)下融化12 h，為一次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、1、3、6、8、10次。

采用應(yīng)變控制式直剪儀(ZJ型)進行直接剪切試驗，在剪切試驗進行的過程中依次施加100、200、300、400 kPa的豎向荷載及設(shè)定0.8 mm/min的剪切速率。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同固化劑對土體力學(xué)特性的影響

熟石灰的主要成分是Ca(OH)2。硅灰、稻殼灰以及粉煤灰中含有活性物質(zhì)二氧化硅，石灰作為堿性激發(fā)劑的加入，土體會呈現(xiàn)出堿性環(huán)境，此時硅灰、稻殼灰及粉煤灰中含有的活性物質(zhì)溶解，可與前者所含成分反應(yīng)生成凝膠產(chǎn)物進而使土體強度提高。根據(jù)課題組前期研究成果：在改良硫酸鹽漬土鹽-凍脹特性方面，石灰-硅灰雙摻改良效果遠超單摻石灰和單摻硅灰改良[22]。因此，參考前期研究成果，采用雙摻固化劑，即：固定石灰摻量5%，石灰與硅灰、粉煤灰及稻殼灰的比例控制為1∶2，即分別取5%石灰+10%硅灰、5%石灰+10%稻殼灰、5%石灰+10%粉煤灰(其中固化劑的摻灰量為固化劑材料的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)。由前文所述，取含鹽量為1%、2%、3%的鹽漬土來研究不同種類固化劑的固化效果，獲取固化劑的最優(yōu)組合方案，在此基礎(chǔ)上進行凍融條件下固化鹽漬土與混凝土塊界面特性研究。

固化劑的加入可使土體的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及土顆粒之間的聯(lián)結(jié)關(guān)系發(fā)生改變，剪切面的力學(xué)行為也隨之受到影響。圖1給出了含鹽量為2%的鹽漬土被不同固化劑固化后剪切面破壞特征。對比可以發(fā)現(xiàn)，固化劑為石灰-硅灰時，其剪切面粗糙程度相對于另外兩種固化劑處于中間程度，石灰-粉煤灰固化土剪切面粗糙程度更光滑，石灰-稻殼灰剪切面粗糙程度更粗糙，在剪切時，粗糙程度過大或過小都更易于破壞。圖2為不同固化劑對固化鹽漬土剪應(yīng)力與剪切位移的影響，不同含鹽量下，石灰-硅灰作用下固化鹽漬土在豎向荷載p不斷增加的過程中，隨剪切位移的增大峰值剪應(yīng)力逐漸增大，曲線上表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征，無明顯的峰值剪應(yīng)力。

圖1 含鹽量為2%的固化鹽漬土直剪試樣剪切破壞面Fig.1 Shear failure surface of direct shear specimen of solidified saline soil with salt content of 2%

圖2 鹽漬土及固化鹽漬土在不同豎向荷載下剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.2 Shear stress shear displacement curve of saline soil and solidified saline soil under different vertical loads

固化1%鹽漬土?xí)r，土體的剪切應(yīng)力曲線為應(yīng)變軟化型，隨豎向荷載的增大曲線上呈現(xiàn)出較明顯的峰值應(yīng)力，且應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變軟化性能逐漸減小，豎向荷載達到400 kPa時兩者的應(yīng)力曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征，無明顯的峰值剪應(yīng)力。石灰-稻殼灰及石灰-粉煤灰固化2%鹽漬土?xí)r在100、200 kPa有較為明顯剪應(yīng)力峰值，此時剪切應(yīng)力曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征，豎向荷載達到300 kPa及以上時，土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化特征，無明顯剪應(yīng)力峰值，這與鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似。固化3%鹽漬土?xí)r后兩類固化劑也表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。在相同應(yīng)變水平下，固化鹽漬土的剪切應(yīng)力明顯大于不加固化劑鹽漬土的剪切應(yīng)力，且石灰-硅灰固化土的各豎向荷載的峰值剪應(yīng)力比石灰-稻殼灰和石灰-粉煤灰固化土的大，表明石灰-硅灰固化效果較另外兩種固化劑更好。這主要是由于石灰-硅灰改良鹽漬土最明顯的特征是土體中生成了較多的水化硅酸鈣等膠凝物質(zhì)，大部分孔隙和裂隙被微團粒和水化產(chǎn)物填充，土顆粒發(fā)育成團聚體，彼此鑲嵌，整體性更強。表2為鹽漬土和固化鹽漬土在不同豎向荷載下的峰值剪切應(yīng)力及剪切面黏聚力和內(nèi)摩擦角?？梢钥闯觯?/p>

表2 鹽漬土以及不同固化鹽漬土峰值剪應(yīng)力和抗剪強度指標Table 2 Peak shear stress and shear strength indexes of saline soil and different solidified saline soil

(1)鹽漬土及固化鹽漬土的峰值剪應(yīng)力隨著豎向荷載的增大而增大，與1%鹽漬土黏聚力相比，石灰-硅灰、石灰-稻殼灰、石灰-粉煤灰作用下鹽漬土黏聚力分別提高了16.5、-4、-18.5 kPa(固化后黏聚力出現(xiàn)負的增量可能是由于過量的稻殼灰及粉煤灰減弱了鹽漬土顆粒之間的粘結(jié))；與2%鹽漬土黏聚力相比，石灰-硅灰、石灰-稻殼灰、石灰-粉煤灰作用下鹽漬土黏聚力分別提高了48.5、24.5、13.5 kPa；與3%鹽漬土黏聚力相比3類固化劑下鹽漬土黏聚力依次提高71.5、51、37 kPa，相同條件下石灰-硅灰固化土的黏聚力最大。

(2)鹽漬土的內(nèi)摩擦角基本為28°～29°，而固化鹽漬土的內(nèi)摩擦角一般為33°～35°。與1%鹽漬土相比，石灰-硅灰、石灰-稻殼灰、石灰-粉煤灰作用下鹽漬土內(nèi)摩擦角分別提高5.1°、5.5°、5.3°；3類固化劑下鹽漬土內(nèi)摩擦角相比于2%鹽漬土下的依次提高5.3°、6.5°、6.1°；類似的與3%鹽漬土比較，3類固化劑下鹽漬土體內(nèi)摩擦角依次提高7.1°、7.4°、6.9°。加入不同的固化劑使得鹽漬土體的抗剪強度得到了提高，特別是在黏聚力的提高上較為顯著，內(nèi)摩擦角變化不大。

加入石灰-稻殼灰及石灰-粉煤灰后鹽漬土體的強度指標與峰值應(yīng)力均低于石灰-硅灰固化土的對應(yīng)值，因此選用5%石灰與10%硅灰雙摻作為固化劑來進行硫酸鹽漬土與混凝土塊接觸面的試驗研究。

2.2 凍融對固化硫酸鹽漬土-混凝土接觸面強度參數(shù)的影響

固化硫酸鹽漬土-混凝土塊界面在經(jīng)歷凍融作用后，接觸面顆粒的聯(lián)結(jié)作用會發(fā)生改變，進而影響接觸面處的力學(xué)行為。圖3為不同含鹽量下固化鹽漬土-混凝土塊界面黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的變化。

圖3 凍融次數(shù)對界面強度參數(shù)影響Fig.3 Effect of freezing and thawing times on interface strength parameters

隨不斷增加的凍融循環(huán)次數(shù)，不同含鹽量下固化土-混凝土界面內(nèi)摩擦角表現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化規(guī)律[23]。先增大是由于硅灰、石灰加入鹽漬土后改變了土體顆粒級配同時經(jīng)歷首次凍融后土體體積會發(fā)生一定的膨脹，對混凝土塊表面會有壓實作用，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角增大，隨凍融次數(shù)的不斷增加土體的孔隙結(jié)構(gòu)會而發(fā)生變化，即會把一部分大粒徑分解為小粒徑，同時受土體中水分遷移的影響土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變及土顆粒重分布[24]，降低土顆粒骨架之間的聯(lián)結(jié)作用，降低了土體與混凝土塊接觸面的滑動摩擦力，同時土體中會因部分結(jié)晶鹽的存在，出現(xiàn)鹽脹情況，密實度會有所降低，所以其值也會變小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，其接觸面內(nèi)摩擦角再次增大，是由于在多次凍融作用下會因土體中結(jié)晶鹽的析出及較多碎屑物質(zhì)的存在使土體之間的摩擦力在一定程度上得到了增強。不同含鹽量下固化土-混凝土塊界面黏聚力隨凍融次數(shù)的增加表現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律， 這緣于凍融次數(shù)的不斷增加土體密實度因凍脹作用逐漸降低，進而導(dǎo)致接觸面其值的減小。

圖4為凍融作用下5%石灰+10%硅灰固化土-混凝土塊界面黏聚力及內(nèi)摩擦角隨含鹽量的變化，不同凍融次數(shù)下固化土-混凝土接觸面的內(nèi)摩擦角隨著土體含鹽量的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。這是緣于硅灰中含大量活性SiO2，石灰作為堿性激發(fā)劑的加入，當(dāng)鹽漬土中的石灰和硅灰接觸后，SiO2可與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)生成凝膠物質(zhì)，同時硫酸根離子可與水化產(chǎn)物生成的膠凝物質(zhì)結(jié)合生成鈣礬石晶體，從而土體結(jié)構(gòu)間接觸連結(jié)，摩擦角增大；隨含鹽量的繼續(xù)增加土體會因較多鹽分的存在而發(fā)生鹽脹現(xiàn)象，界面內(nèi)摩擦角會隨之降低，在不同凍融次數(shù)下，界面內(nèi)摩擦角含鹽量閾值為3%，如圖4(a)所示，由此可見，僅就界面內(nèi)摩擦角而言，5%石灰與10%硅灰雙摻對3%含鹽量硫酸鹽漬土的改良效果較好。

在不同凍融循環(huán)次數(shù)下接觸面黏聚力隨著含鹽量的增加，也呈現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律[圖4(b)]，含鹽量閾值為2%，此規(guī)律的出現(xiàn)是因為石灰中的鈣離子、鎂離子可與土中的鉀離子、鈉離子發(fā)生交換，土顆粒表面吸附的水膜變薄，電位降低，顆粒之間更加緊密結(jié)合，加強了固化土的凝聚結(jié)構(gòu)，土體更加密實；但隨著鹽漬土含鹽量增大，使土中多余的鉀、鈉離子等游離于鹽漬土中，從而導(dǎo)致土的松散。同樣的，僅就界面黏聚力而言，5%石灰與10%硅灰雙摻對含鹽量為2%的硫酸鹽漬土改良效果較好。

圖4 含鹽量對界面強度參數(shù)影響Fig.4 Effect of salt content on interface strength parameters

2.3 凍融作用對接觸面剪應(yīng)力與相對剪切位移的影響

接觸面間的咬合力能夠帶動周圍土體產(chǎn)生剪切錯動帶[25]，為使固化鹽漬土與接觸面之間具有咬合力，故將試驗所用的混凝土塊一致打磨粗糙。以含水量17%、含鹽量為3%的固化硫酸鹽漬土-混凝土試樣在不同凍融次數(shù)及豎向荷載下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線為例。

圖5給出了不同豎向荷載下，含鹽量為3%的固化鹽漬土-混凝土接觸面經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后的應(yīng)力-位移曲線，整體呈非線性變化。凍融作用下，接觸面剪應(yīng)力-位移曲線可分為四個階段：①線彈性變形階段：在試驗剪切的初始階段，剪應(yīng)力與位移成正比；②強化階段：接觸面強度隨剪切位移的增加不斷增大，直到剪切強度達到峰值；③軟化階段：當(dāng)接觸面抗剪強度達到峰值后，接觸面的剪應(yīng)力隨剪切位移的增大開始逐漸減小；④流動階段：最終接觸面剪應(yīng)力為殘余應(yīng)力，接觸面強度達到殘余強度，接觸面剪應(yīng)力隨剪切位移的不斷增大而不再發(fā)生改變，致使接觸面最終發(fā)生剪切破壞。

圖5 17%含水率、3%含鹽量固化土-混凝土塊界面在不同法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress shear displacement curve of solidified soil concrete block interface with 17% water content and 3% salt content under different normal stresses

圖6為不同豎向荷載下，含鹽量為3%的固化鹽漬土-混凝土接觸面峰值剪應(yīng)力與凍融次數(shù)的關(guān)系曲線，從圖可知：經(jīng)歷一次凍融后，峰值剪應(yīng)力有所增大，主要是由于首次凍融作用增強了土體與混凝土塊之間的接觸，結(jié)合圖3內(nèi)摩擦角、黏聚力隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)抗剪強度理論，固化鹽漬土-混凝土接觸面峰值強度隨凍融次數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小再趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

圖6 凍融次數(shù)對峰值剪應(yīng)力的影響Fig.6 Effect of freezing and thawing times on peak stress

3 結(jié)論

(1)3類固化劑對于鹽漬土體抗剪強度的提高主要體現(xiàn)在黏聚力方面，內(nèi)摩擦角的變化幅度并不大，且石灰-硅灰固化效果較石灰-粉煤灰及石灰-稻殼灰的固化效果要顯著。

(2)石灰-硅灰固化硫酸鹽漬土與混凝土界面內(nèi)摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小再增大，黏聚力隨著凍融次數(shù)的增加逐漸減?。辉谙嗤膬鋈诖螖?shù)下，接觸面的內(nèi)摩擦角及黏聚力均隨著含鹽量的增大先增大后減小，含鹽量閾值分別為3%及2%，即：在本試驗范圍內(nèi)5%石灰+10%硅灰對含鹽量為2%～3%的硫酸鹽漬土改良效果最好。

(3)凍融作用下石灰-硅灰固化土與混凝土塊接觸面剪應(yīng)力-剪切位移分為線彈性變形階段、強化階段、軟化階段和流動階段。隨凍融次數(shù)的增加，界面峰值強度呈現(xiàn)出的變化趨勢為：先增大后減少再逐漸趨于穩(wěn)定。