固化夯土材料強(qiáng)度特性與耐久性能試驗(yàn)

陳 哲，王 帥，徐 穎*，譚宇恒

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072； 2. 中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司，北京 100120)

夯土作為一種廉價(jià)而易制取的建筑材料，自商代沿用至今，在人類(lèi)建筑發(fā)展史上發(fā)揮了重要的作用?，F(xiàn)如今，以混凝土為主要構(gòu)筑材料的建筑物在建筑結(jié)構(gòu)中已趨于普遍，但在水泥的生產(chǎn)與建筑物拆除過(guò)程中，往往會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，與近些年來(lái)的節(jié)能減排的政策相悖。與此同時(shí)，作為一種古老的構(gòu)筑技術(shù)，夯土技術(shù)以其取材易、無(wú)污染、可持續(xù)性好、保溫隔熱性能以及抗震性能優(yōu)越等諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今建筑構(gòu)筑方面又煥發(fā)了新的活力[1-3]。但對(duì)于土結(jié)構(gòu)而言，其耐久性、安全性以及抗震性能也存在許多的缺陷，有必要對(duì)改性夯土材料進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究[4-6]。

中外學(xué)者就夯土材料的基本力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)性能已展開(kāi)了一系列研究。在改性夯土的加固方法方面，Corbin等[7]研究了改性夯土材料中纖維摻量對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)纖維添量使得其無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度(unconfined compressive strength, UCS)最大；Ciancio等[8]研究了石灰摻量對(duì)夯土強(qiáng)度的影響，得出了使得無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大的最佳石灰摻量；彭道強(qiáng)[9]對(duì)水泥和石灰兩種常用的改性試劑的改性效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)添加水泥與石灰均使夯土抗壓強(qiáng)度有不同程度的提高；以新型固化劑為夯土改良試劑，證實(shí)了其對(duì)夯土抗壓強(qiáng)度的改善具有良好效果[10-11]。

在改性的夯土強(qiáng)度和耐久性研究方面，Consoli等[12]通過(guò)研究單軸抗壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出了強(qiáng)度與水泥含量、孔隙度和養(yǎng)護(hù)齡期等變量之間的關(guān)系；Rocha等[13]研究了粉煤灰、石灰含量以及孔隙度與石灰含量的比值等因子對(duì)夯土材料長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響，提出了強(qiáng)度增長(zhǎng)的冪指數(shù)關(guān)系預(yù)測(cè)公式模型；王東星等[14]對(duì)摻入粉煤灰、水泥和石灰的固化淤泥進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，適當(dāng)?shù)乃鄵搅繒?huì)增強(qiáng)其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；梁蘭娣[15]研究發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)不同，對(duì)土樓夯土試樣的質(zhì)量、含水率及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響也不盡相同；孟慶明等[16]對(duì)夯土試塊進(jìn)行了干濕循環(huán)下的物理特性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)夯土的質(zhì)量、含水率以及強(qiáng)度有很大的影響；Narloch等[17]對(duì)礦物組成成分不同的水泥固化夯土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同礦物組成成分對(duì)夯土材料抗壓強(qiáng)度有不同影響程度；崔凱等[18]基于對(duì)夯土建筑遺址的賦存環(huán)境特征以及夯土物理力學(xué)性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)以及鹽漬的共同作用是導(dǎo)致夯土結(jié)構(gòu)劣化的重要原因。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于不同固化劑類(lèi)型和配比對(duì)于天然土夯土強(qiáng)度和耐久性能影響的定性研究，在其固化配合比以及加固方法等方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量相關(guān)研究，其強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律亦有涉及。但在固化夯土配合比方面，當(dāng)前研究大多針對(duì)某一地區(qū)的生土材料進(jìn)行加固，對(duì)于不同黏土礦物對(duì)固化夯土的強(qiáng)度以及耐久性影響規(guī)律的研究尚未深入涉及，夯土的固化反應(yīng)機(jī)理和多種固化劑配合使用的加固效果也鮮有探究。

鑒于上述研究現(xiàn)狀，現(xiàn)提出利用市面上常見(jiàn)的典型黏土礦物(膨潤(rùn)土、高嶺土)與天然土為主要成分制作固化夯土試樣，開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和吸水試驗(yàn)，研究在不同配比固化劑加固條件和不同養(yǎng)護(hù)期條件下夯土試樣的強(qiáng)度和物理力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律以及耐久性能特征。此外在試驗(yàn)基礎(chǔ)上還初步建立膨潤(rùn)土、高嶺土夯土試樣強(qiáng)度發(fā)展模型并討論模型參數(shù)的物理意義與影響因素，這一研究對(duì)夯土材料的改性應(yīng)用和夯土建筑的穩(wěn)定性以及預(yù)測(cè)其性能變化行為，判斷其相關(guān)影響因素，有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 原材料選用

選用多種市面上常見(jiàn)的建筑材料為原料作為試驗(yàn)材料，提出了三大類(lèi)試樣配比方案，即天然土試樣、高嶺土試樣、膨潤(rùn)土試樣。其中用到的原料有天然土、建筑河砂、水泥、高嶺土、膨潤(rùn)土以及石灰等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

選用自制經(jīng)過(guò)改造的夯土器進(jìn)行夯土試樣的制作，可良好控制試樣夯實(shí)度，如圖 1(a)所示。該夯土器包含：成樣模具筒、夯錘以及刻度尺等主要部件。并通過(guò)利用英國(guó)ELE公司生產(chǎn)的三軸測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)試不同種類(lèi)夯土試樣的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度，如圖 1(b)所示。

圖 1 夯土器及三軸試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Compactor and loading frame for UCS testing

1.3 試樣制備

制備的夯土試樣根據(jù)砂(60%、65%)、固化劑含量(0、5%)以及種類(lèi)的不同共設(shè)置11種配合比，試驗(yàn)配合比方案如表 1所示，其中S代表天然砂，L代表石灰，C代表水泥，B代表膨潤(rùn)土，K代表高嶺土，NS代表天然土。首先，需要根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定不同配合比試樣各組分原材料質(zhì)量，并進(jìn)行稱(chēng)重，繼而按各自配合比混合且攪拌均勻，再將配好的濕土裝入模具，并使用夯實(shí)器對(duì)其進(jìn)行夯實(shí)。通過(guò)夯土器將試樣加工成直徑30mm、長(zhǎng)度78mm的圓柱形試樣。膨潤(rùn)土試樣、高嶺土試樣和天然土試樣的夯實(shí)度分別為95%、93%和95%。對(duì)于各種類(lèi)型的試樣來(lái)講，夯實(shí)過(guò)程中需要盡量每層均勻夯實(shí)，以期達(dá)到試樣每層的密實(shí)程度均一化，減小層理對(duì)試樣力學(xué)性質(zhì)的影響。

表 1 試驗(yàn)配合比方案Table1 Test design details of different blending ratios

每種配合比制備16個(gè)試樣，分成4組分別進(jìn)行3、7、28、56d的養(yǎng)護(hù)，且每組包含4個(gè)試樣，共計(jì)制備171個(gè)夯土試樣。對(duì)于養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試樣將其取出，迅速對(duì)其質(zhì)量、高度、直徑等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。直徑取4次測(cè)量的平均值，高度取2次測(cè)量的平均值，而后可以通過(guò)以上參數(shù)計(jì)算出試樣密度。

1.4 試驗(yàn)方案

對(duì)11種不同配比方案、4種不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣分別開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和吸水試驗(yàn)。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：將經(jīng)過(guò)測(cè)量的養(yǎng)護(hù)試樣小心取出，迅速平整穩(wěn)定地放置于三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的底座的正中心上，以防止試樣水分與環(huán)境發(fā)生交換而發(fā)生再平衡，以及試驗(yàn)過(guò)程中由于泊松效應(yīng)造成試樣底面超過(guò)底座輪廓造成的應(yīng)力不均勻以及出現(xiàn)剪應(yīng)力等不利狀況的發(fā)生。放置前，需要對(duì)儀器底座頂端以及頂端荷載試樣帽底端涂抹潤(rùn)滑劑(凡士林)以減少應(yīng)力集中。試驗(yàn)過(guò)程中，加載率控制在0.5%/min，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)，停止加載。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣小心取出，回收并妥善保存試樣。并對(duì)試驗(yàn)后的試樣取樣測(cè)其含水率。

吸水試驗(yàn)：將6個(gè)不同類(lèi)型且已知質(zhì)量的夯土試樣置于已備好的去離子水或1mol/L氯化鈉溶液中浸泡2h，液面高度為試樣高度的1/10。隨后將試樣干燥并稱(chēng)重以確定其吸水質(zhì)量以及質(zhì)量損失。干燥后試樣再次置于與之前相同的溶液中24h后，利用相同的方法進(jìn)行干燥稱(chēng)重。經(jīng)過(guò)2h吸水試驗(yàn)后的試樣如圖 2所示。

1#為天然土試樣；2#為高嶺土試樣；3#為膨潤(rùn)土試樣； A為石灰試樣；B為水泥試樣圖 2 氯化鈉溶液以及去離子水放置2h后的試樣Fig.2 Specimens exposed for 2 h to NaCl solution and deionized water

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 粒度分布實(shí)驗(yàn)及其他物理力學(xué)指標(biāo)

選用的天然土試樣的顆粒級(jí)配曲線如圖 3所示，計(jì)算可得所用天然土的不均勻系數(shù)Cu=42>5，曲率系數(shù)Cc=0.17，故該試樣土的土粒不均勻，級(jí)配不連續(xù)。稠度試驗(yàn)以及相對(duì)密度試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表 2所示。

圖 3 天然土顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Grain-size distribution curve of natural soil

表 2 天然土的基本物理參數(shù)Table2 Basic physical properties of natural soil

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[19]對(duì)于土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)，試驗(yàn)所用天然土屬于粉質(zhì)黏性土。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其他物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)果及分析

2.2.1 膨潤(rùn)土

經(jīng)過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，每種配合比的膨潤(rùn)土試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、體積密度以及含水率的值，如圖 4所示。

圖 4 膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度、密度、含水率與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.4 The relationship of UCS，density and water content for bentonite specimen with curing time

總體來(lái)看，本試驗(yàn)試樣的配比按照固化劑類(lèi)別來(lái)講可分為添加水泥類(lèi)和未添加水泥類(lèi)試樣。未添加水泥試樣中的固化劑為石灰，而水泥類(lèi)試樣中也有一組添加石灰。夯土材料作為混凝土的環(huán)保型替代材料，以天然河沙為補(bǔ)充材料，利用膠凝材料與黏土礦物之間的化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)度較高的膠結(jié)材料充當(dāng)混凝土中水泥的作用，將砂石緊密結(jié)合在一起以增強(qiáng)其黏聚力。

從圖 4中可以看出，不同配合比的試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度逐漸減小，最后逐漸應(yīng)趨于穩(wěn)定。此現(xiàn)象與實(shí)際情況相符合，即試樣強(qiáng)度隨著水化反應(yīng)的逐漸完成，其強(qiáng)度逐漸提高，但強(qiáng)度不會(huì)無(wú)限制增加，存在一個(gè)最大強(qiáng)度。對(duì)比圖4(b)、圖4(c)配比試樣強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果：養(yǎng)護(hù)56d的含石灰的試樣抗壓強(qiáng)度約為含有水泥的試樣的29%，表明固化劑中添加水泥的試樣在強(qiáng)度方面明顯優(yōu)于添加石灰的試樣，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，固化劑為水泥的試樣強(qiáng)度增幅較固化劑為石灰的試樣要大。

圖 5 高嶺土試樣強(qiáng)度、密度、含水率與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.5 The relationship of UCS，density and water content for kaolinite specimens with curing time

水泥試樣固化機(jī)制主要是發(fā)生水化反應(yīng)以及火山灰反應(yīng)，而石灰試樣固化機(jī)制主要是水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)[20]。水泥的主要成分為3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等，其發(fā)生水化反應(yīng)消耗的水量和產(chǎn)生的Ca(OH)2的質(zhì)量約為4︰1。火山灰反應(yīng)中Ca(OH)2與水的摩爾質(zhì)量比值的區(qū)間為1︰1.25～1︰3.25[21]。由計(jì)算可知，水泥完全反應(yīng)需要的含水率為4%～6%，石灰完全反應(yīng)需要的含水率為9%～17%，本試驗(yàn)膨潤(rùn)土試樣含水率為10%～13%。蒙脫石具有較強(qiáng)的親水性，土體中的水分部分吸附在黏粒表面，部分參與水化反應(yīng)。對(duì)于添加水泥的固化試樣來(lái)說(shuō)，隨著石灰含量的增加，水泥無(wú)法完全發(fā)生水化反應(yīng)，試樣強(qiáng)度有所下降；而未添加水泥類(lèi)試樣則呈現(xiàn)相反的規(guī)律，即隨著石灰含量的增加，石灰水化反應(yīng)程度增強(qiáng)，使夯土試樣強(qiáng)度升高。由此說(shuō)明，對(duì)于膨潤(rùn)土試樣來(lái)說(shuō)，石灰含量對(duì)不同類(lèi)型固化劑的夯土材料的強(qiáng)度有著不同的影響。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度亦隨著膨潤(rùn)土與固化劑反應(yīng)產(chǎn)物的增加而增強(qiáng)。

2.2.2 高嶺土

如圖 5所示為每種配合比的高嶺土試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、體積密度以及含水率的值。與膨潤(rùn)土試樣類(lèi)似地，添加水泥類(lèi)高嶺土試樣的強(qiáng)度要高于未添加水泥類(lèi)試樣。所有配合比的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。其原因可能是由于高嶺土試樣在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中除了發(fā)生水化反應(yīng)之外，強(qiáng)度增長(zhǎng)后期碳化反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行或起主導(dǎo)作用，使得高嶺土試樣的強(qiáng)度在后期存在衰減。堿性環(huán)境的變化也會(huì)對(duì)固化反應(yīng)的產(chǎn)物產(chǎn)量造成影響，高嶺土與固化劑反應(yīng)過(guò)程中pH的變化改變了膠結(jié)物產(chǎn)量，從而影響強(qiáng)度變化。對(duì)于添加水泥類(lèi)試樣來(lái)說(shuō)，無(wú)論在何種養(yǎng)護(hù)階段，石灰含量的提高(0～5%)會(huì)使試樣的強(qiáng)度有所提高。對(duì)于未添加水泥類(lèi)試樣來(lái)說(shuō)，石灰含量的增加(5%～10%)反而會(huì)使試樣強(qiáng)度降低。以上特征皆與相應(yīng)的膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律相反，其原因可能是由于高嶺土與膨潤(rùn)土在經(jīng)過(guò)水泥與石灰等固化劑固化時(shí)，其水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物結(jié)構(gòu)或含量有所不同。

對(duì)比圖5(a)、圖5(b)可知，將石灰加入水泥試樣中會(huì)使其強(qiáng)度增加約10%；對(duì)比圖5(b)、圖5(c)兩組配合比的試樣測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥的摻入會(huì)明顯增強(qiáng)試樣強(qiáng)度。整體而言，高嶺土試樣強(qiáng)度強(qiáng)于膨潤(rùn)土試樣，原因可能是高嶺土試樣的親水性遠(yuǎn)小于蒙脫石，可有更充足的水分參與水泥和石灰的水化反應(yīng)，能對(duì)試樣起到更好的膠結(jié)作用。

2.2.3 天然土

每種配合比的天然土試樣在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、體積密度以及含水率的值，如圖 6所示。

圖 6 天然土試樣強(qiáng)度、密度、含水率與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.6 The relationship of UCS，density and water content for natural soil specimens with curing time

由圖 6可知，對(duì)于圖6(a)、圖6(c)中的配合比試樣來(lái)說(shuō)，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加基本上呈增加趨勢(shì)，而圖6(b)中的試樣強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期先增加后減小。含水泥試樣和含石灰試樣強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，特別是在水化作用后期。

對(duì)比圖6(a)、圖6(b)，添加石灰并不能使試樣強(qiáng)度提高，反而有所降低。添加水泥類(lèi)試樣的強(qiáng)度要高于未添加水泥類(lèi)的試樣。相同配比試樣夯實(shí)度越高，試樣抗壓強(qiáng)度越大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，相同夯實(shí)度條件下，天然土試樣的強(qiáng)度低于高嶺石試樣強(qiáng)度，但高于膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度，且試樣強(qiáng)度對(duì)配合比的敏感程度顯著大于夯實(shí)度?？傮w而言，三類(lèi)試樣的含水率在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中變化不大，膨潤(rùn)土試樣的含水率相對(duì)穩(wěn)定在17%左右，高嶺土試樣的含水率約相對(duì)穩(wěn)定在11%，天然土試樣則保持在4%左右。由于土樣在固化過(guò)程中發(fā)生水化反應(yīng)，會(huì)消耗部分孔隙水，但標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，固化土樣的水化反應(yīng)速率會(huì)減慢，控制其含水率下降程度有限[22]。所有石灰類(lèi)試樣的體積密度要略高于水泥類(lèi)試樣，且二者隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而變化不大。同類(lèi)試樣體積密度較低時(shí)，試樣初始存在擠壓作用，顆粒間較難發(fā)生滑移，內(nèi)摩擦角增大，而體積密度較高時(shí)，試樣更易產(chǎn)生裂隙，削弱了顆粒間的法向接觸力，內(nèi)摩擦角減小，更易發(fā)生破壞，強(qiáng)度更低。

2.3 吸水試驗(yàn)結(jié)果及分析

衡量夯土類(lèi)材料耐久性的主要方法就是研究其在干濕循環(huán)下的質(zhì)量損失[15]。夯土材料所處的潮濕環(huán)境可能含有無(wú)機(jī)鹽離子，其中最為常見(jiàn)且對(duì)耐久性影響最大的就是氯化鈉溶液。吸水試驗(yàn)將含有固化劑的膨潤(rùn)土、高嶺土、天然土三類(lèi)試樣分別放置于去離子水以及濃度1mol/L氯化鈉溶液中，且每類(lèi)試樣的固化劑類(lèi)型分為水泥類(lèi)和石灰類(lèi)，以探究夯實(shí)試樣在這兩種環(huán)境下的耐久程度。

2.3.1 去離子水試驗(yàn)結(jié)果及分析

如表 3所示，試樣置于去離子水中浸泡2h與24h后的干濕質(zhì)量均有所變化。所有試樣在浸泡2h后尚能保持完整的結(jié)構(gòu)，而24h后僅有2、3、4號(hào)試樣能夠保證完整性，由于黏粒的存在，試樣內(nèi)部在干、濕循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干縮和濕脹變形，當(dāng)變形產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)土體結(jié)構(gòu)時(shí)就會(huì)在顆粒連接的薄弱環(huán)節(jié)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂縫繼而造成固化試樣結(jié)構(gòu)破壞。已經(jīng)潰散的試樣，判定該試樣的干、濕耐久性達(dá)不到要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相較于其他兩種試樣，膨潤(rùn)土試樣的耐久度最差。添加水泥的高嶺土的干濕質(zhì)量損失最小，表現(xiàn)出最強(qiáng)的耐久度和抗風(fēng)化能力。對(duì)比完整的試樣2h與24h的質(zhì)量損失變化量也可以得到水泥的固化效果強(qiáng)于石灰。

表 3 不同配合比試樣浸于去離子水中后相對(duì)干濕質(zhì)量損失率Table3 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to deionized water

由黏土礦物的礦物組成分析可知，蒙脫石的比表面積(800m2/g)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高嶺石(10m2/g)，加之膨潤(rùn)土和高嶺土的主要成分分別為蒙脫石和高嶺石。蒙脫石的晶胞活動(dòng)性極大，水分子可以進(jìn)入晶胞之間，具有極強(qiáng)的吸水性；高嶺土晶胞之間存在氫鍵，具有較強(qiáng)的聯(lián)結(jié)力，水分子不易進(jìn)入[22]。因此，在浸泡條件下，膨潤(rùn)土試樣對(duì)水分子的吸附能力更強(qiáng)且膨脹量更大，由于礦物表面被水分子包裹且厚度達(dá)到一定的程度，更容易造成了膨潤(rùn)土試樣的垮塌，其耐久性也就越差。而高嶺土試樣由于吸水相對(duì)較少，使其結(jié)構(gòu)更容易保持完整。在天然土試樣中，由于其天然土中的黏土含量要少于其余兩種試樣，其添加石灰試樣潰散可能是由于其黏土礦物含量過(guò)少，不足以與固化劑反應(yīng)生成足夠多的鈣和硅的化合物以大幅度增強(qiáng)其黏聚力，因此其耐久度也很一般。另一個(gè)導(dǎo)致潰散的原因是由于水的侵入可能會(huì)使某些水溶性膠結(jié)物遇水溶解，導(dǎo)致其固化黏聚力減弱，且水的潤(rùn)滑作用也可能降低土粒之間的內(nèi)摩阻力。

2.3.2 氯化鈉溶液試驗(yàn)結(jié)果及分析

試樣經(jīng)過(guò)濃度1mol/L NaCl浸泡2h和24h的質(zhì)量變化量如表 4所示。浸泡2h后，所有試樣均能夠保持完整，而24h后，僅有2、3、4、6號(hào)能夠保持完整。與去離子水中的試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似的，膨潤(rùn)土試樣置于氯化鈉溶液中的耐久度更差：與溶液接觸24h后，試樣整體出現(xiàn)分解垮塌，試樣失去了顆粒之間的黏合結(jié)構(gòu)，黏聚力消失。高嶺土試樣以及天然土試樣(水泥為固化劑)在經(jīng)過(guò)氯化鈉溶液浸泡2h后表現(xiàn)出良好的耐久性，雖有一定的質(zhì)量損失但試樣結(jié)構(gòu)完整。膨潤(rùn)土黏粒干縮和濕脹變形大于高嶺土，干濕循環(huán)過(guò)程中更易剝落，耐久性更差[23]。然而，在浸泡24h后，除了含有水泥的試樣，所有試樣均出現(xiàn)不同程度的分解弱化現(xiàn)象。其弱化程度也與試樣的配比與組分含量有關(guān)。其中含有天然土與石灰的試樣完全解體，而含有天然土與水泥的試樣，其在浸泡前后未有明顯的質(zhì)量損失，表明它們的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，整體性較好，抗風(fēng)化能力更強(qiáng)。并且高嶺土試樣具有一定的抗風(fēng)化能力：添加水泥的試樣在24h浸泡后沒(méi)有明顯的弱化與質(zhì)量損失，且沒(méi)有出現(xiàn)天然土試樣與膨潤(rùn)土試樣一樣的解體現(xiàn)象。

表 4 不同配合比試樣浸于NaCl溶液中的相對(duì) 干濕質(zhì)量損失率Table4 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to NaCl solution

置于氯化鈉溶液以及去離子水中的試樣，根據(jù)其前后的質(zhì)量改變量可以看出暴露于兩種環(huán)境的試樣的質(zhì)量變化或反應(yīng)與試樣的配比、固化劑類(lèi)型、固化劑成分暴露時(shí)間有關(guān)。綜合而言，高嶺土的耐久度要強(qiáng)于其余兩組。

3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)模型分析與確立

為了得到膨潤(rùn)土試樣隨齡期變化的長(zhǎng)期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)模型，分別對(duì)不同配比條件下試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了非線性曲線擬合。圖 7所示為不同配合比條件下膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度的變化規(guī)律。

從圖7中可以看出，不同配合比試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度逐漸減小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。強(qiáng)度隨齡期的變化基本遵循函數(shù)y=a-bcx增長(zhǎng)，且擬合結(jié)果的擬合優(yōu)度R2都在96%以上，表明回歸顯著，具有很高的精度，如圖 8所示。

圖 7 不同配比膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度-養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.7 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of bentonite specimens

圖 8 膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)擬合曲線Fig.8 Strength growth fitting curve of bentonite specimens

圖 9 不同配比高嶺土試樣強(qiáng)度-養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系Fig.9 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of kaolinite specimens

養(yǎng)護(hù)時(shí)間t與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu關(guān)系表示為

qu=a-bct

(1)

式(1)中：a、b、c為模型參數(shù)，0

表 5 膨潤(rùn)土模型函數(shù)擬合結(jié)果Table5 Fitting results of bentonite model function

在此假設(shè)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不會(huì)衰減，存在理論上的漸近線，即y=qult，qult為強(qiáng)度的極限值。當(dāng)t→+∞時(shí)，qult=a；當(dāng)t→0時(shí)，試樣剛剛夯實(shí)完成未經(jīng)養(yǎng)護(hù)的初始強(qiáng)度為q0，q0=qult-b。通過(guò)整理可得，膨潤(rùn)土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的擬合函數(shù)模型為

(2)

由擬合結(jié)果可知，對(duì)于某一配比的膨潤(rùn)土試樣來(lái)說(shuō)，c值為常數(shù)，因此可以判定c的取值與試樣配比有關(guān)。同理，模型參數(shù)a、b也均與試樣的配比密切相關(guān)。更進(jìn)一步，由此可以引申出以下猜想：模型參數(shù)a、b、c除了與上述因素有關(guān)以外，還可能與試樣的初始孔隙比、養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)[12]。

圖9 所示為不同配合比條件下高嶺土試樣強(qiáng)度的變化規(guī)律。從圖9中可以看出，在56個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)不同配合比試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律分為兩個(gè)階段：增長(zhǎng)階段和衰減階段?？梢灶?lèi)比的黏性土的應(yīng)變軟化本構(gòu)模型[24]，并找到一種與高嶺土強(qiáng)度先隨養(yǎng)護(hù)齡期快速增大，達(dá)到最大值后下降速率逐漸減小相類(lèi)似的類(lèi)似演化規(guī)律的特征函數(shù)模型為

(3)

式(3)中：qu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；A、B、C、D均為模型參數(shù)，且A、B、C均大于0，而參數(shù)D<0，且1>A>B。

對(duì)高嶺土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果散點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度R2如表 6所示。前兩組配合比下的高嶺土試樣的擬合優(yōu)度非常好，后兩組配合比下的試樣其擬合結(jié)果要稍差一些，其原因可能是試樣強(qiáng)度過(guò)低，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的所用三軸儀的系統(tǒng)誤差值相較于前者較大，因此擬合優(yōu)度有所變化，如圖 10所示。

表 6 高嶺土模型函數(shù)擬合結(jié)果Table6 Fitting results of kaolinite model function

圖 10 高嶺土試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)擬合曲線Fig.10 Strength growth fitting curve of kaolinite specimens

當(dāng)t→+∞時(shí)，qult=C，其中qult表示高嶺土強(qiáng)度經(jīng)過(guò)衰減的最終值，根據(jù)現(xiàn)有研究成果來(lái)就看，在此先假設(shè)其強(qiáng)度衰減不會(huì)無(wú)限減小至0，而會(huì)最終停留在大于其初始強(qiáng)度q0的某個(gè)值；當(dāng)t→0時(shí)，函數(shù)極限得到的是其未經(jīng)養(yǎng)護(hù)的試樣強(qiáng)度值為q0=e-D(eB-eA)A/(A-B)+C。推導(dǎo)可得qult>q0，與假設(shè)相符。根據(jù)擬合結(jié)果可知，模型參數(shù)A、B、C、D與土樣的配合比有關(guān)，還可能與試樣的初始孔隙比、養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)不同配比的膨潤(rùn)土試樣強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增強(qiáng)，且增長(zhǎng)速率逐漸減小，而試樣的體積密度與含水率則變化不大；不同配比的高嶺土試樣強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈先增加而后小幅衰減的規(guī)律，而試樣體積密度與含水率則變化不大；水泥與石灰等量添加時(shí)，天然土試樣強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化先增加后減小，而其余配比的強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期增加而增強(qiáng)，而試樣體積密度與含水率也變化不大。

(2)對(duì)于膨潤(rùn)土、高嶺土、天然土3類(lèi)黏土試樣來(lái)說(shuō)，水泥的固化效果要明顯強(qiáng)于石灰，但其中石灰含量的變化對(duì)試樣強(qiáng)度的影響效果各不相同。對(duì)于含水泥的膨潤(rùn)土試樣，石灰含量的增加使強(qiáng)度降低，而對(duì)于不含水泥膨潤(rùn)土試樣中，石灰含量增加使強(qiáng)度增加；對(duì)于含水泥的高嶺土試樣，石灰含量的增加使強(qiáng)度增加，而對(duì)于不含水泥高嶺土試樣中，石灰含量增加使強(qiáng)度降低；對(duì)于含水泥天然土試樣，石灰含量的變化對(duì)養(yǎng)護(hù)28d后的試樣強(qiáng)度有明顯影響。

(3)在蒸餾水和氯化鈉溶液實(shí)驗(yàn)中，高嶺土試樣的耐久度最佳，其次為天然土試樣，最差為膨潤(rùn)土試樣，且以水泥為固化劑的試樣的耐久性能要強(qiáng)于以石灰為固化劑的試樣。

(4)通過(guò)擬合得到膨潤(rùn)土試樣的強(qiáng)度增長(zhǎng)模型，強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度逐漸減小且最后趨于穩(wěn)定；擬合得到的高嶺土試樣的強(qiáng)度增長(zhǎng)模型可分為增長(zhǎng)階段和衰減階段，模型參數(shù)取值與試樣配合比有關(guān)。