離子土壤固化劑改性膨脹土凍融過程中水分遷移試驗研究

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(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.工程學(xué)院；b.地球物理與空間信息學(xué)院，武漢　430074)

1　研究背景

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮、再吸水再膨脹這種反復(fù)脹縮的特性，對工程構(gòu)成很大的危害[1]。膨脹土的黏粒成分主要由蒙脫石礦物組成，其強烈親水性使其在水分遷移過程中產(chǎn)生顯著的體積脹縮變形[2]。離子土壤固化劑(Ionic Soil Stabilizer，ISS)是一種新型土壤改良材料，通過電化學(xué)原理改變黏土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)，能永久地將土壤的親水性變?yōu)槭杷?，同時使土易于壓實， 形成強度較高且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體板塊[3]。

樓蓉蓉[4]通過試驗發(fā)現(xiàn)離子土壤固化劑加固膨脹土后效果顯著，土體強度增強，變形量減小，穩(wěn)定性提高。劉清秉[5]利用離子土壤固化劑對河南安陽膨脹土進(jìn)行了化學(xué)改性試驗研究,發(fā)現(xiàn)ISS 加固膨脹土從根本上改善了膨脹土濕脹干縮的特性，并顯著提高了膨脹土力學(xué)承載強度。郭柏林等[6]試驗得出ISS加固土的強度和水穩(wěn)性相比素土有明顯的提高，收縮性顯著降低，加固土基層效果良好。但是當(dāng)溫度發(fā)生變化，土體中的水分發(fā)生凍脹融化作用后，離子土壤固化劑對于膨脹土的加固效果還不清楚。大量野外實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在土體發(fā)生凍脹融化過程中，土體中的水分也會隨著溫度的變化發(fā)生遷移。當(dāng)溫度降低，膨脹土中的自由水會由地表開始發(fā)生凍結(jié)形成凍結(jié)緣，地下水會在凍結(jié)緣處不斷積聚。當(dāng)溫度升高，地表處的固態(tài)水首先發(fā)生融化，土體內(nèi)的凍結(jié)緣也開始發(fā)生融化。由于融化過程中地下水來不及排出，積攢在土體內(nèi)部，造成土體含水量增高，土體抗剪強度和摩擦系數(shù)大幅度降低，土體穩(wěn)定性降低[7-8]。

本文通過設(shè)計室內(nèi)平行試驗，開展凍融過程中離子土壤固化劑加固膨脹土水分遷移過程的研究。

2　試驗概況

2.1　試驗用土

本試驗用土取自引江濟漢工程中段的荊門膨脹土。依照《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)[9]進(jìn)行一系列試驗，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1[10]。

表1　離子土壤固化劑加固前后膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)

由表1中膨脹土自由膨脹率為78%，在65%～90%之間，依照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》 (GB 50112—2013)[11]，該土樣定名為中膨脹土。由表1和表2知該土樣液限為61.6%(>50%)，粒徑<0.075 mm的顆粒含量>50%，故該土樣定名為高液限黏性土。

表2　試樣粒徑級配[10]

2.2　離子土壤固化劑

試驗中選用的固化劑為無色透明狀液體，具黏滯性、無刺激性氣味，稀釋后使用，無毒、無害、無污染，是一種環(huán)保型筑路材料。該固化劑能夠使土粒骨架密度增大、強度增高、孔隙變小，對于土路基的承載能力明顯提高，并且能有效阻止外界水分的侵入，增強路基的穩(wěn)定性[4,12]。

2.3　試驗儀器

采用高低溫凍融循環(huán)試驗箱、DT85G數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電阻式溫度傳感器、電子天平等試驗儀器，試驗裝置示意圖如圖1。

圖1　試驗裝置

2.3.1凍融循環(huán)試驗箱

凍融循環(huán)試驗裝置溫度范圍為-45～60 ℃。高低溫循環(huán)裝置中有一個控制顯示面板，可以調(diào)節(jié)循環(huán)液的循環(huán)溫度，實時顯示設(shè)置溫度和當(dāng)前循環(huán)液的溫度，精確到0.1 ℃。循環(huán)冷液采用高純度無水乙醇。

2.3.2溫度傳感器

本次試驗的溫度檢測器采用熱電阻傳感器。其測溫范圍為-50～60 ℃，測量精度為0.1 ℃。

2.3.3數(shù)據(jù)采集器

試驗所采用的數(shù)據(jù)采集裝置是美國產(chǎn)DT85G數(shù)據(jù)采集器。

2.3.4其他儀器

保溫材料，采用有機保溫棉，厚度1 cm左右。土樣容器采用有機玻璃套筒，高度為12 cm左右，直徑為10 cm左右。

2.4　試驗方案

為研究離子土壤固化劑在凍融過程中對膨脹土的影響，本文設(shè)計2組平行試驗：一組為離子土壤固化劑加固膨脹土;另一組為未經(jīng)固化劑加固的膨脹土。試驗采用的初始含水率、土壤干密度、凍結(jié)融化溫度、外界條件均相同，試驗設(shè)計如下：

(1)采用溫度傳感器檢測該過程中2組土樣內(nèi)不同位置處溫度的變化及溫度梯度的變化。

(2)凍脹融化結(jié)束后將2組土樣分層切片，測不同位置處的含水率、干密度。

(3)將2組土樣切片后分別采用冷凍風(fēng)干方法處理后進(jìn)行掃描電鏡試驗，采用二值化處理方法得到2組試樣不同位置處的孔隙率。

試驗條件具體設(shè)計如表3所示。

表3　膨脹土改性前后水分遷移試驗的條件

2.5　試驗方法與步驟

2.5.1試樣的制備

取一定量試驗用蒸餾水與離子土壤固化劑按一定比例進(jìn)行配比制成一定比例的固化劑溶液，取試驗用膨脹土自然風(fēng)干后與上述固化劑溶液混合，制成直徑為10 cm、高度為11 cm、干密度為1.60 g/cm3、含水率為22%的試樣。同時取蒸餾水與膨脹土混合制成平行試驗土樣。

2.5.2凍融試驗步驟

(1)安裝試樣，保證試樣只能單向凍結(jié)或融化，且為單向補水條件。

(2)溫度控制，試驗開始前保證2組試驗溫度條件一致，室溫為20 ℃恒溫，凍結(jié)溫度為-20 ℃，試樣開始單向凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)緣生長到一定位置，停止凍結(jié)試驗，開始由頂端向下開始的融化試驗，融化溫度為20 ℃。

2.5.3數(shù)據(jù)采集

(1)溫度測定。凍融試驗前，將溫度傳感器插入2組土樣中，每30 min記錄一次溫度的變化，依次采集各測點處的溫度及每組試樣溫度梯度隨時間的變化。

(2)含水率的測定。凍融試驗結(jié)束后將試樣分層切片，每2 cm分一層，采用烘干法測定各層的含水率并與試驗前的初始含水率進(jìn)行對比。

(3)干密度測定。采用環(huán)刀法將分層的試樣制成相同大小的環(huán)刀試樣，每個試樣的體積為60 cm3，采用烘干法測定每個環(huán)刀試樣的干密度。

3　試驗結(jié)果分析

為研究凍融過程中離子土壤固化劑對膨脹土水分遷移過程的影響，本文設(shè)計2組試驗，分別對比了離子土壤固化劑改性膨脹土和未改性膨脹土在凍融過程中溫度、不同位置處含水率、干密度及孔隙率的變化，并對試驗數(shù)據(jù)及試驗現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論。

3.1　凍土的裂縫及水分積聚現(xiàn)象

不管是改性樣還是未改性樣，在低溫作用下，都會產(chǎn)生裂縫，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，裂縫有增加的趨勢。由圖2看出，利用 ISS 改性后的土樣產(chǎn)生的裂縫生長速度明顯比未改性樣小，未改性樣凍后結(jié)構(gòu)破壞更明顯。土樣產(chǎn)生裂縫，主要原因在于剛開始在低溫的作用下，土樣會發(fā)生收縮，當(dāng)?shù)蜏乩^續(xù)作用，土樣中的水分凍結(jié)成冰而體積膨脹，土樣原孔隙體積增大，當(dāng)土顆粒之間的黏結(jié)力不足以抵抗冰膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力時，土顆粒被分開，裂縫產(chǎn)生。

圖2　凍脹融化后試樣裂隙生長

由圖3看出，凍脹融化過程中伴隨著水分在土體內(nèi)遷移，造成水分在土體內(nèi)積聚，且未改性土試樣水分積聚現(xiàn)象比改性后的試樣更明顯，土體更加松散。當(dāng)溫度降低土體內(nèi)的凍結(jié)緣向下生長，土體中的水分結(jié)冰，地下水向上遷移，且在凍結(jié)緣的位置積聚，水凍結(jié)成冰，體積增大，土體裂隙生長。當(dāng)土樣中加入固化劑，土體顆粒連接更加緊密，且土顆粒的親水性降低，結(jié)合水膜變薄，溫度降低時，雖然土體內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，但是孔隙中的自由水凍結(jié)后，外界水分遷移量小，凍結(jié)形成的冰夾層較薄，裂隙生長較慢。

圖3　凍脹融化后試樣水分積聚現(xiàn)象

3.2　溫度的變化

為研究2組試樣豎向溫度隨時間的變化規(guī)律，試驗時沿土柱高度方向自上而下每隔2 cm安裝溫度傳感器，每隔30 min讀一次數(shù)。圖4給出了2組試樣溫度隨時間的變化曲線。

圖4　試樣中不同位置處溫度隨時間的變化

從圖4可以看出，無論是ISS改性膨脹土試樣還是未改性膨脹土試樣，在凍融過程中各測點溫度變化趨勢是基本相同的，可分為4個階段：①溫度迅速下降階段，此階段溫度從室溫在短時間內(nèi)降低到一個比較低的正溫度值；②溫度緩慢降低階段，此階段溫度從正溫緩慢地降低為負(fù)溫，這個階段持續(xù)的時間較長；③溫度穩(wěn)定階段，當(dāng)溫度緩慢降低到某一負(fù)溫值，溫度穩(wěn)定下來，并且持續(xù)一段時間，該穩(wěn)定溫度就是土中水的凍結(jié)溫度；④溫度上升階段，此階段溫度上升很快，在短時間內(nèi)達(dá)到正溫。

在相同的低溫條件下，ISS改性膨脹土達(dá)到的最低溫度為-5.2 ℃，未改性膨脹度達(dá)到的最低溫度為-6.8 ℃。

由圖4可以看出，ISS改性土試樣和未改性土試樣在9 cm高度處達(dá)到冰點(即0 ℃時)大概用時分別為800 min和200 min，說明在相同凍結(jié)溫度條件下，離子土壤固化劑有效提高膨脹土的抗凍性，延緩?fù)馏w發(fā)生凍脹的時間，降低土體的凍脹率。

由圖4知，無論是改性土試樣還是未改性土試樣，在不同位置處發(fā)生凍結(jié)的時間也是不同的。越是靠近頂端的冷源位置處，試樣越容易發(fā)生凍脹，越是遠(yuǎn)離冷源，試樣發(fā)生凍脹的時間就越長，最靠近地下水的位置處，土體幾乎不發(fā)生凍脹。

3.3　含水率的變化

將凍融結(jié)束后的2組試樣取出分層切片，每2 cm為一層，將每個試樣切為5段，分別測其含水率及干密度。

由圖5可知，在有地下水補給的條件下，凍融過程中，地下水發(fā)生遷移，2組試樣中的含水率都增大，高于初始含水率，且未加固化劑的試樣含水率高于ISS改性后的試樣。由圖5還可看出，在2組試樣大概7 cm的位置處土體含水率最高，說明在凍脹過程中地下水向上遷移并且在7 cm的位置處發(fā)生積聚，形成較厚的冰透鏡體，當(dāng)溫度升高，冰融化為水，這些自由水來不及在重力作用下滲透到地下，便滯留在7 cm的位置處。

圖5　水分遷移過程中不同位置處含水率的變化

凍脹過程中，由于膨脹土是高液限土，其土顆粒較細(xì)，表面能較大，親水性強，因此在有外界水分補給的情況下，能結(jié)合較多的結(jié)合水，發(fā)生較強的毛細(xì)水積聚現(xiàn)象。利用 ISS 改性后的膨脹土，細(xì)顆粒含量減小，其顆粒之間聯(lián)結(jié)力明顯增強，其土顆粒親水性明顯減弱，同等含水率條件下，結(jié)合水膜較薄，在冷源作用下孔隙中的自由水凍結(jié)后，水分遷移量較少，因此凍脹現(xiàn)象明顯弱于未改性樣。

當(dāng)溫度升高，土體融化，未改性土中冰融化后，表層土體發(fā)生水化作用，土體中含水率增大，土顆粒結(jié)合水膜不斷增厚，顆粒之間距離增大，聯(lián)結(jié)力減弱，土體結(jié)構(gòu)被破壞。利用 ISS 改性后的土，土顆粒之間聯(lián)結(jié)力強，土體中的冰融化后，含水率雖有增加，但依然低于未改性土樣的含水率，土體骨架結(jié)構(gòu)破壞較小，因此，離子土壤固化劑在一定程度上抑制了土體結(jié)構(gòu)的破壞。

3.4　干密度及孔隙率的變化

在相同條件下，對2組土樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，會使土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響宏觀力學(xué)性質(zhì)。凍融過程結(jié)束后分別測量2組試樣在高度為1, 3, 5, 7, 9 cm 5個位置處的干密度。

由圖6可知，試驗前后，2組試樣的干密度與初始時刻相比都發(fā)生較大的變化，溫度降低過程中試樣結(jié)冰，土體體積增大，土體中裂隙生長，當(dāng)溫度升高，土體中的冰融化，但是土體結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生變化，難以恢復(fù)到初始的密實狀態(tài)。但是經(jīng)離子土壤固化劑加固后的試樣經(jīng)凍脹融化作用后雖然干密度有一定程度的減小，但是在試樣的不同高度處試樣的干密度均大于未經(jīng)加固的膨脹土試樣的干密度。

圖6　水分遷移過程中不同位置處干密度的變化

由圖7可知，經(jīng)ISS加固后的膨脹土在凍結(jié)融化過程中有水分的補給遷移，雖然土體的不同位置處裂隙會有不同程度的生長，但是相對于未加固的膨脹土，土體裂隙延伸較小，試樣整體結(jié)構(gòu)完整性較好。SEM圖片經(jīng)MatLab二值化后得到試樣在不同位置處的孔隙率。ISS加固膨脹土試驗前試樣為均質(zhì)體，孔隙率為0.020 3，試驗過程中由于溫度降低上部土體結(jié)冰，下部土體中有水分向上遷移，且有凍結(jié)緣的形成，土體內(nèi)部不同高度處土體會產(chǎn)生不同程度的裂隙生長，試樣3,5,7 cm處孔隙率分別為0.029 9,0.070 5,0.073 2。未經(jīng)固化劑加固的膨脹土試樣試驗前孔隙率為0.029 8，經(jīng)水分遷移試驗結(jié)束后試樣3,5,7 cm處孔隙率分別為0.041 9,0.131 5，0.229 2。

圖7　2組試樣中不同位置處的電鏡掃描圖片

由上述試驗結(jié)果可知，在有地下水補給的條件下，伴隨溫度降低，膨脹土表面發(fā)生凍結(jié)膨脹作用，凍結(jié)緣由上向下生長，地下水在毛細(xì)力的作用下向上遷移并在某一位置發(fā)生積聚現(xiàn)象。此過程中土壤內(nèi)液態(tài)水結(jié)冰，土體體積膨脹并產(chǎn)生裂隙。隨溫度繼續(xù)降低，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，土體中裂隙生長，孔隙率增大。當(dāng)膨脹土用離子土壤固化劑處理過后，雖在凍結(jié)過程中土體裂隙會有一定程度的生長，但裂隙生長速度較慢，凍脹融化作用對土體整體的結(jié)構(gòu)影響較小，ISS有效地降低凍融過程中膨脹土裂隙的生長速度。

4　結(jié)　論

(1)ISS加固前后試樣在凍結(jié)融化過程中都會產(chǎn)生裂隙，但是 ISS 改性后的試樣裂縫生長速度明顯比未改性樣慢，未改性樣凍后土體結(jié)構(gòu)破壞明顯。融化過程中伴隨著水分在土體內(nèi)遷移，造成水分在土體內(nèi)積聚，且未改性土試樣水分積聚現(xiàn)象比改性后的試樣更明顯，土體更加松散。所以ISS可以有效降低凍融過程中膨脹土內(nèi)裂隙的生長速度。

(2)ISS加固前后試樣在凍融過程中各測點溫度變化趨勢是基本相同的。ISS改性后的膨脹土溫度梯度比未改性膨脹土溫度梯度小，溫度傳播速度慢，試樣凍結(jié)速度慢。相同凍結(jié)溫度條件下，離子土壤固化劑有效提高膨脹土的抗凍性，延緩?fù)馏w發(fā)生凍脹的時間，降低土體的凍脹率。

(3)凍結(jié)過程中 ISS 加固膨脹土試樣顆粒之間聯(lián)結(jié)力明顯增強，其土顆粒親水性明顯減弱，同等初始含水率條件下孔隙中的自由水發(fā)生凍結(jié)后，水分遷移量較少，凍脹現(xiàn)象明顯弱于未改性樣。試樣發(fā)生融化后，含水率雖有增加，但依然低于未改性土樣的含水率，土體骨架結(jié)構(gòu)破壞較小，因此，離子土壤固化劑在一定程度上抑制了土體結(jié)構(gòu)的破壞。

(4)ISS加固后的試樣經(jīng)凍脹融化作用后雖然干密度有一定程度的減小，但是在試樣的不同高度處試樣的干密度均大于未經(jīng)加固的膨脹土試樣的干密度。