水泥混摻粉土改性風積沙凍融特性分析

趙昊宇，田正宏，許 健，魯 洋，鞏轉(zhuǎn)定，李佳杰

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730070； 3.甘肅水利工程地質(zhì)建設(shè)責任有限公司 甘肅 蘭州 730000)

我國季凍區(qū)分布廣泛，凍融循環(huán)作用引起的土體強度和變形問題十分普遍，凍害問題防治成為工程長期關(guān)注的焦點[1-3]。西北季凍區(qū)如甘肅等地因毗鄰騰格里沙漠分布著大范圍風積沙，具有粒徑單一、顆粒黏聚性差特點，很難直接作建筑材料使用[4-5]。但上述地帶修建土木水利工程往往不得不使用風積沙作為建筑材料，因而季凍區(qū)風積沙的處理和資源化利用具有重要工程意義。

常見風積沙資源化利用改良技術(shù)是單摻水泥改性法[6]。任輝明等[7]通過室內(nèi)試驗研究了水泥改良風積沙無側(cè)限抗壓強度影響因素，發(fā)現(xiàn)改良后土體的強度和養(yǎng)護齡期、壓實系數(shù)、水泥強度等級呈正相關(guān)關(guān)系；王麗英等[8]探究并發(fā)現(xiàn)鹽-凍耦合作用下，水泥改性風積沙無側(cè)限抗壓強度與孔隙體積呈負線性規(guī)律，彈性模量隨凍融次數(shù)增加而減?。霍斚三埖萚9]研究了水泥摻量對風積沙地基強度和變形特性的影響，認為風積沙天然含水率與水泥摻量間存在最優(yōu)比值可顯著改善原土體的強度和變形性能?？梢钥闯觯喔牧即祟愅馏w原理是通過生成水化硅酸鈣等膠結(jié)物質(zhì)以增強固化、黏結(jié)效果?？紤]經(jīng)濟性，也有其他摻料改良研究，如王澍[10]研究不同凍融次數(shù)條件下?lián)金ば酝翆︼L積沙單軸抗壓強度影響，認為強度提高的本質(zhì)是黏土顆粒通過結(jié)合水膜使沙顆粒間黏結(jié)更加緊密；金昌寧等[11]發(fā)現(xiàn)適量粉黏粒摻入可以充填沙粒之間的孔隙，提高整體密實度，但過多粉黏粒摻入則會導(dǎo)致強度指標下降；魏杰等[12-14]分別對摻細圓礫土、無機膠凝材料的改良風積沙技術(shù)進行了研究，認為此類外摻料可改善風積沙級配，提高土體密實度，但對改良土體凍融特性卻未提及。綜上，目前對凍融循環(huán)后風積沙的力學(xué)性能研究大多局限于單摻水泥或粉黏土影響，對于混摻水泥和粉土條件下改良風積沙的凍融性能研究卻未見報道。

本文針對古浪縣生態(tài)移民暨扶貧開發(fā)項目——黃花灘調(diào)蓄供水工程4號蓄水池(子項目)復(fù)摻水泥和粉土改良風積沙筑堤技術(shù)，研究不同摻比、不同凍融循環(huán)周期下，改良風積沙土的無側(cè)限抗壓強度、破壞應(yīng)變、彈性模量變化規(guī)律；量化分析各種摻比下改良土的質(zhì)量損失和體積變化，運用“強度衰減系數(shù)”模型對混摻改良沙土的優(yōu)化摻比和強度變化機理進行分析，以期為工程技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試驗原料

試驗用風積沙取自黃花灘蓄水池外場區(qū)。由于該場區(qū)長期遭受到風力侵蝕，風積沙顆粒粒徑較細，其主要成分為石英、巖屑、長石。級配曲線如圖1所示，d10=0.080 mm，d30=0.097 mm，d60=0.138 mm，Cu=1.725，Cc=0.852，屬于級配不良的砂土。

圖1 天然風積沙顆粒級配曲線

試驗用水泥為海螺牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5；由于黃花灘地處沖積平原，上部土層粉質(zhì)壤土資源較豐富，可為本試驗提供粉土來源。

1.2 水泥及粉土摻量選擇

根據(jù)GBT 50123—2019《土工試驗方法標準》[16]，分別獲得單摻水泥量為0、3%、5%、7%改良風積沙土樣干密度指標和相對密度，結(jié)果如表1所示。

表1 單摻水泥風積沙密度指標

按當?shù)叵嚓P(guān)設(shè)計和施工要求，填筑壓實度為96%時，應(yīng)保證相對密度大于0.80。從表1不難發(fā)現(xiàn)，摻5%水泥改良風積沙土滿足相對密度指標要求，且較摻7%水泥更具經(jīng)濟性。因此，試驗選擇5%水泥摻量作為水泥改性摻量。

風積沙粒徑較單一，顆粒之間黏聚力低。一般經(jīng)濟性考慮通常單摻5%水泥方法，只起到沙顆粒之間黏結(jié)改進作用，提升整體密實效果并不明顯；混摻適量粉土與水泥，可在不改變顆粒間黏結(jié)作用的同時，顯著改善孔隙填充密實性。考慮到相同外界功條件下，擊實干密度可反應(yīng)此類材料的混合填充密實效果，本文為選擇合理的粉土摻量進行改良，進行了單摻3%～20%粉土的標準擊實試驗，擊實曲線見圖2。

圖2 不同粉土摻量下的干密度-含水率曲線

圖2表明：單摻粉土摻量超過9%可起到顯著提高干密度的效果，且考慮經(jīng)濟性，單摻粉土可起到最佳密實效果的摻量閾值在15%～20%，單摻15%～20%粉土最大干密度的增加量約為單摻13%～15%增加量的1/2，粉土摻量超過20%，密實效果已不顯著。因此，為探究經(jīng)濟性水泥摻量5%下不同粉土摻量改性風積沙土的凍融劣化特性，試驗選取了4組粉土摻量：5%水泥+0%粉土(基準)、5%水泥+10%粉土、5%水泥+15%粉土、5%水泥+20%粉土。

1.3 試樣制備

試驗分為凍融循環(huán)、無側(cè)限抗壓、質(zhì)量損失與體積變化率的宏觀測試。

H3：政府職責對新疆農(nóng)產(chǎn)品品牌競爭力有正向影響，即政府部門對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的監(jiān)管作用、協(xié)調(diào)作用、獎懲作用越顯著，新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競爭力越強。

根據(jù)《土工試驗方法標準》[16]，分別對上述4組改良風積沙土進行標準重型擊實試驗，得到各組試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率?？紤]到試樣壓實度、含水率的不同會對凍融循環(huán)結(jié)果產(chǎn)生影響，所有土樣均按最優(yōu)含水率條件下的96%壓實度標準控制，分5層擊實制樣[17]，單個圓柱體樣尺寸標準為直徑D=61.8 mm，高度H=125 mm。

該類風積沙改良混合土中黏粒含量偏少，土體顆粒黏結(jié)弱，存在一定隨機性。為獲取可靠試驗規(guī)律，本次試驗分別按0～12次共六檔凍融周期作為加載標準，每檔工況下設(shè)3個平行樣，累計制作了84個試樣。制樣中確保擊實在水泥初凝時間內(nèi)完成，從分層制樣筒取出的試樣為避免水分損失應(yīng)立即用保鮮膜纏繞，待試樣全部制作完成后，統(tǒng)一放入恒溫恒濕標養(yǎng)室進行14 d養(yǎng)護。

1.4 試驗方法

凍融試驗選用HDD-Ⅱ凍融試驗機和UTM4503電子萬能試驗機，控制精度可達±0.1℃，每次凍融循環(huán)分為4段：降溫段(4 h)、低溫保溫段(3 h)、升溫段(4 h)、高溫保溫段(3 h)，其中低溫溫度為-20℃，高溫溫度為20℃，累計共12個循環(huán)。電子萬能試驗機采用應(yīng)變加載控制，速率控制為1.25 mm/min，試樣加載到累計20%應(yīng)變時停止加載。此外，為減小試樣壓縮過程中端部效應(yīng)，試驗前試樣加載面涂抹薄層凡士林。

體積變化率采用0.01 mm高精度游標卡尺量測凍結(jié)和融化狀態(tài)下土樣直徑和高度，取正交方向高度均值，單個試樣分5層[18]測量直徑取均值，扣除保鮮膜厚度后得試樣體積。

質(zhì)量損失率和體積變化率分別為

(1)

(2)

式中：MN和VN分別為N次凍融后試樣扣除保鮮膜后的質(zhì)量和體積。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

凍融循環(huán)過程中除微觀水分相變、遷移外，還伴隨著細觀隨機性顆粒剝落與結(jié)構(gòu)重組過程。由于改良風積沙土內(nèi)部黏結(jié)力較低，會出現(xiàn)脆性破壞，因而無側(cè)限抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在隨機波動性。為此選擇0次(基準試樣)、 1次、2次、8次凍融循環(huán)試驗數(shù)據(jù)進行分析，如圖3、4所示。

圖3 基準與1次凍融應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

圖4 不同凍融循環(huán)下應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

單軸壓力加載下，土體破壞經(jīng)歷了壓密階段、線彈性階段、非線性強化階段和軟化階段。由圖3可看出，不同粉土摻量試樣凍融前后的應(yīng)力應(yīng)變均呈應(yīng)變軟化型破壞模式，表明凍融作用不會改變此類改良土破壞形式。未經(jīng)凍融，不同混摻試樣峰值應(yīng)力、破壞應(yīng)變與粉土摻量正相關(guān)。原因是：粉土填充孔隙加強了沙顆粒間的約束力。此外，試驗表明，粉土摻量超過15%，試樣的壓密段不及10%及以下粉土摻量試樣的壓密段來得顯著，說明摻入15%以上粉土即可達到較好孔隙密實效果。

2.2 強度變化規(guī)律

2.2.1無側(cè)限抗壓強度

統(tǒng)計改良風積沙試樣的無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)和粉土摻量的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律

圖5(a)表明：隨凍融次數(shù)增加至8次，5%水泥+15%粉土摻量改良土無側(cè)限抗壓強度提高，而其余粉土摻量改良土均呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為：一方面粉土摻量超過15%時，因粉土顆粒比表面積較大，超量粉土顆粒吸附了更多水泥水化反應(yīng)用水，阻礙了水泥水化反應(yīng)進程；另一方面，凍融循環(huán)過程中，土顆粒經(jīng)歷剝落重組過程，超量粉土摻量易導(dǎo)致多余粉土顆粒替代砂土顆粒受壓[21-22]，同時超量粉土團粒分散了水泥水化物，致使顆粒間抗剪能力下降[23]，故宏觀上表現(xiàn)出強度降低。而低于15%粉土摻量充填粒間孔隙效果有限，部分沙顆粒間仍保持著較松散約束力，故在凍融循環(huán)作用后，也表現(xiàn)出無側(cè)限強度降低特點。

從圖5(a)中還可以發(fā)現(xiàn)：前8次凍融循環(huán)過程中，10%粉土摻量強度衰減量約為50 kPa，僅為20%粉土摻量強度衰減量的37%，說明“部分顆粒間隙未得到填實”強度削弱因素相較“水泥水化作用減弱和多余粉土顆粒受壓”降低強度影響小。而15%粉土摻量下，水泥水化不斷發(fā)展使顆粒間黏結(jié)力增強，粉土填充密實效應(yīng)顯著增強了沙顆粒間約束力，故在凍融過程中表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)強化占優(yōu)勢，這與齊吉琳等[20]發(fā)現(xiàn)輕微超固結(jié)土“凍縮”過程中由于發(fā)生超固結(jié)效應(yīng)導(dǎo)致有效應(yīng)力增加的結(jié)論相似。但多次凍融后因水分遷移量較大，所以出現(xiàn)了8次凍融后強度曲線的“上翹現(xiàn)象”[24]，但未及15%粉土摻量強度指標。

從圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)：除一次凍融強度變化規(guī)律異常外(初始結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定)，累計12次凍融循環(huán)下，隨粉土摻量提高，改良土無側(cè)限抗壓強度整體呈現(xiàn)升高趨勢，但15%粉土摻量最顯著。

綜上分析表明，15%粉土摻量應(yīng)該是理想風積沙摻量改良范圍。

2.2.2強度衰減規(guī)律

圖6 強度衰減系數(shù)—凍融次數(shù)

圖6表明：除5%水泥+15%粉土摻比外，其余3種摻比條件下改良土的強度衰減系數(shù)線均呈現(xiàn)：先上升、再緩慢上升、下降的趨勢，且5%水泥+0%粉土、5%水泥+20%粉土較5%水泥+10%粉土而言，上升段更為“陡峭”，表現(xiàn)為高、低粉土摻量的改良土在凍融周期較少時(3次)凍融破壞作用更為明顯。而5%水泥+15%粉土摻量的改良土：1～3周期內(nèi)強度衰減系數(shù)下降最為明顯，3～8周期內(nèi)下降趨勢逐漸減緩，8～12周期趨于穩(wěn)定，即認為該摻量下改良土的土體結(jié)構(gòu)在前3次凍融過程中獲得最快強化，且這種強化趨勢在4次凍融時開始減緩，12次時達到平穩(wěn)。這是因為：5%水泥+15%粉土摻量的改良土較其他3種摻量改良土而言，摻比較優(yōu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，土體顆粒經(jīng)過復(fù)雜的剝落、重組過程后，水泥水化反應(yīng)較凍融破壞作用占據(jù)主要地位，表現(xiàn)為強度增強，隨著凍融次數(shù)增加，凍融破壞效應(yīng)累積，水泥水化反減慢，強度變化逐漸平穩(wěn)。對比圖8(a)變形模量隨凍融次數(shù)變化情況，發(fā)現(xiàn)運用強度衰減系數(shù)對土體結(jié)構(gòu)抗凍融性的評價與以變形模量為衡量標準的評價趨于一致，且這種一致性在質(zhì)量、體積變化曲線中也得到了驗證(在0～3次凍融循環(huán)周期內(nèi)，質(zhì)量損失、體積減小幅度最大，隨后逐漸減小并趨于平穩(wěn))。

2.3 破壞應(yīng)變特征

破壞應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)力(無側(cè)限抗壓強度)對應(yīng)的應(yīng)變值，它是描述材料脆和塑性的重要指標，同時也是評價土體凍融后無側(cè)限壓縮變形特性的重要參數(shù)。統(tǒng)計改良風積沙試樣破壞應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)和粉土摻量的變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 破壞應(yīng)變變化規(guī)律

圖7(a)顯示：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同粉土摻量下改良土的破壞應(yīng)變總體上呈先變大后變小趨勢。圖7(b)反映了破壞應(yīng)變隨粉土摻量變化情況，可以看出，5次凍融前，隨粉土摻量增加破壞應(yīng)變呈變大的趨勢，土樣脆性減弱，韌性提高；8次凍融后，粉土摻量<10%時，破壞應(yīng)變變大，粉土摻量為10%～15%時，破壞應(yīng)變有降低趨勢，粉土摻量為15%～20%時，破壞應(yīng)變急劇減小，即8次凍融后，粉土摻量和凍融次數(shù)的增加共同加劇了試樣的脆性破壞。

上述規(guī)律的機理在于：由于前期凍融作用破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，顆粒變得分散，土體剛度減小，壓縮性變大從而導(dǎo)致破壞應(yīng)變變大，隨凍融次數(shù)繼續(xù)增加與自由水遷移，試樣發(fā)生類似“凍縮”過程[20]，孔隙和裂縫被壓縮，表現(xiàn)為破壞應(yīng)變急劇減小，脆性增強。相比于5%水泥+15%粉土摻量土樣的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、密實性好而不易剝落，單摻5%水泥與混摻5%水泥+20%粉土的土樣在凍融作用下，土團體發(fā)生剝落形成小顆粒現(xiàn)象更加顯著，導(dǎo)致大中孔隙體積減小，試樣壓密過程不明顯，故破壞應(yīng)變減小。

2.4 彈性模量

彈性模量可反應(yīng)土體破壞過程中的剛度變化，是評價土體材料抵抗破壞變形能力的重要參數(shù)。取應(yīng)力-應(yīng)變曲線線彈性階段的斜率作為本次試驗土樣的彈性模量。彈性模量隨凍融次數(shù)、粉土摻量變化如圖8所示。

圖8 彈性模量變化規(guī)律

圖8(a)表明：隨凍融次數(shù)增加，5%水泥+15%粉土摻量的改良土相對于其他摻量的改良土始終保持著較高的彈性模量，且3次凍融循環(huán)后，彈性模量變化趨于穩(wěn)定。原因可能是，粉土摻量15%適中，沙顆粒間密實性較好，土體壓縮性低，剛度大，表現(xiàn)出抵抗凍融破壞能力強。

圖8(b)表明：隨粉土摻量的增加，初次凍融后，彈性模量呈現(xiàn)“峰型”的集中發(fā)展趨勢，15%粉土摻量風積沙改良土的彈性模量(170～190 kPa)要遠高于其他3種摻比改良土的彈性模量(112～130 kPa)。這是因為粉土摻量較少時，粉土起的填充密實效果不明顯，內(nèi)部大量孔隙和裂縫的存在使土體壓縮性變大、剛度減?。欢弁翐搅窟^多時，多余的粉土顆粒一方面會阻礙水泥水化反應(yīng)使水化膠結(jié)物質(zhì)減少，降低顆粒間的黏結(jié)力，另一方面，粉土承載力低、壓縮變形量大，粉土替換風積沙會增加土體凍融后的壓縮變形，降低土體剛度。

2.5 質(zhì)量損失與體積變化率

試驗測試獲取了12次凍融循環(huán)過程中凍結(jié)和融化狀態(tài)下的質(zhì)量損失率δm和體積變化率εv，其結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 質(zhì)量損失變化

圖10 體積變化

圖9表明：單摻水泥的風積沙改良土在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失率是混摻水泥粉土的風積沙改良土的6～7倍，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，其損失幅度呈線性增長：δm=2.790 34+0.436 08N(R2=0.97)，而10%粉土、15%粉土、20%粉土的改良土質(zhì)量損失曲線則比較平緩，12次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化保持在0.15%以內(nèi)。這是因為：粉土較強的保水性減緩了凍融過程中水分的損失；且摻入粉土后，風積沙改良土變得密實，沙顆粒間的約束作用增強，有效改善了凍融過程中表面顆粒剝落的情況。

圖10表明：除5%水泥+20%粉土摻比試樣在8次凍融前體積變化率為正，其余3種摻比風積沙改良土試樣，隨凍融次數(shù)增加體積變化率均為負且呈現(xiàn)減小趨勢，這是因為粉土作為凍脹敏感性土[25]且具有較強的吸水性，當粉土摻量較多時，產(chǎn)生的體積膨脹可有效減緩?fù)馏w的“凍縮”效應(yīng)。此外，4種摻比試樣的體積變化率數(shù)據(jù)基本符合二次曲線擬合效果。其中，5%水泥+20%粉土和單摻5%水泥試樣數(shù)據(jù)點比較離散，擬合偏差稍大，這是因為：單摻水泥不摻粉土的試樣顆粒間密實效果不好，導(dǎo)致沙顆粒間約束力較??；而粉土摻量為20%時，多余粉土?xí)讲糠炙?，?dǎo)致水化膠結(jié)物質(zhì)生成量減少膠結(jié)力變?nèi)酰幌喾矗?%水泥+10%粉土、5%水泥+15%粉土摻量的試樣數(shù)據(jù)點則表現(xiàn)較好的擬合效果，R2分別為0.86、0.89，進一步觀察數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：5%水泥+10%粉土摻量試樣的體積變化率(-0.25%～-1.25%)約為5%水泥+15%粉土摻量(-0.1%～-0.4%)的3倍，考慮到凍融變形帶來的工程安全隱患，認為5%水泥+15%粉土摻量的改良土較其他3種摻比的改良土而言具有更好的抗凍融性。

3 結(jié) 論

a.本文基于5%水泥摻量作為改性基準，試驗研究了混摻不同粉土的風積沙力學(xué)性能改進效果。結(jié)果表明，凍融作用不改變水泥混摻粉土改性風積沙無側(cè)限壓縮的脆性破壞模式；合適的粉土摻量有效填充了孔隙、增強了沙顆粒間約束力，混摻5%水泥+15%粉土可達到孔隙密實效果。

b.1～2次凍融循環(huán)時，改良風積沙抗壓強度及峰值應(yīng)變與粉土摻量呈正相關(guān)關(guān)系；隨凍融次數(shù)增加，高粉土摻量與低粉土摻量的改良風積沙抗壓和抗破壞變形能力下降均較明顯；粉土摻量15%改良風積沙顆粒間密實性好，土體壓縮性低，剛度大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強。

c.凍融條件下單摻水泥與水泥粉土混摻的風積沙體積變化率整體上均呈現(xiàn)下降趨勢，而5%水泥+15%粉土摻量下降幅度最低。鑒于粉土凍脹敏感特性，局部凍融周期內(nèi)(4～7次)混摻試樣有輕微凍脹現(xiàn)象(ε脹≈0.2ε縮)，單摻水泥試樣則無此現(xiàn)象；單摻5%水泥改良風積沙質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)呈線性增加規(guī)律，混摻改良風積沙凍融表面剝落現(xiàn)象顯著改善，12次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化保持在0.1%以內(nèi)。

d.運用“強度衰減系數(shù)”評價此類改良土凍融后的土體強度變化規(guī)律與以彈性模量為衡量標準對土體結(jié)構(gòu)抗凍融性的評價趨于一致。