濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料凍融循環(huán)試驗(yàn)研究

金生蓮 楊作青 張 鑫 曾海珍 朱彥鵬

（1.甘肅西部巖土工程有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州 730050）

0 引言

建筑主體施工完成后，通常需對(duì)基槽進(jìn)行回填。當(dāng)回填材料和填筑施工質(zhì)量存在問題時(shí)，在地表超載、地下水滲流及自重作用下，回填區(qū)易產(chǎn)生大面積不均勻沉降，給后期建筑物正常使用帶來(lái)諸多安全隱患。

針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)工程需要和巖土材料特性，研發(fā)了利用水泥和水加入原位土均勻拌合后強(qiáng)度滿足要求的水泥土填筑材料。當(dāng)前水泥土填筑材料的應(yīng)用已日趨廣泛，但在干濕交替頻繁的凍土地區(qū)使用水泥土?xí)r，對(duì)其抗凍性能提出了更高的要求。

Shibi 等[1]、Kamei 等[2]等研究了凍融條件下廢石膏和粉煤灰對(duì)水泥土耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙摻廢石膏和粉煤灰能夠有效提升水泥土的強(qiáng)度和耐久性；Lu等[3]研究了不同含鹽量對(duì)水泥固化土強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)固化土的抗壓強(qiáng)度值隨著含鹽量的不斷增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；Gao 等[4]研究了凍融循環(huán)作用下纖維對(duì)水泥土靜動(dòng)態(tài)力學(xué)的影響，發(fā)現(xiàn)纖維的摻入提高了凍融循環(huán)作用下水泥土的波速、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和吸收能。伍永平[5]開展了偏高嶺土水泥土在不同侵蝕環(huán)境下的耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明摻加偏高嶺土能提高水泥土的耐久性。其他相關(guān)研究也表明在土體中摻入不同的物質(zhì)可以改善重塑土的抗壓強(qiáng)度[6-12]。我國(guó)西北地區(qū)存在著大量的濕陷性黃土、紅砂巖等基坑開挖廢棄土方，針對(duì)上述材料參考水泥土的方法制備濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料進(jìn)行工程應(yīng)用是可行且符合綠色發(fā)展原則的。西北地區(qū)屬于典型的季節(jié)性凍土地區(qū)，土體每年會(huì)經(jīng)歷數(shù)次凍融循環(huán)過程，因此在確定濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料最優(yōu)配合比的過程中還應(yīng)考慮其抗凍性。目前存在一定數(shù)量的水泥土材料抗凍融循環(huán)性能研究，但針對(duì)濕陷性黃土、紅砂巖工程開挖廢料制備水泥土的研究尚不多見，因此利用凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)其破壞機(jī)理以及提高其凍融耐久性的措施進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

從工程開挖廢棄材料重復(fù)利用的角度出發(fā)，基于正交試驗(yàn)，對(duì)濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料的最優(yōu)配比進(jìn)行了研究，并通過凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)配比集成水泥土的抗凍性能進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料用于工程回填的可行性。

1 濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）濕陷性黃土

試驗(yàn)所用濕陷性黃土取自蘭州市某處深基坑工程，如圖1 所示。

圖1 工程開挖濕陷性黃土

（2）紅砂巖

試驗(yàn)所用紅砂巖取自蘭州市某處深基坑，如圖2 所示。該紅砂巖原樣土的滲透系數(shù)范圍為1×10-4～1×10-3cm/s，黏聚力為43 kPa，內(nèi)摩擦角30°～40°。

圖2 工程開挖紅砂巖

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選取濕陷性黃土和紅砂巖比例、水泥摻量、用水量3 種因素，每個(gè)因素5 個(gè)水平，將無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于3 因素5 水平的試驗(yàn)研究，如果進(jìn)行常規(guī)的全面試驗(yàn)，共需要125 次試驗(yàn)，工作量大，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行研究可極大地減少工作量。正交試驗(yàn)采用規(guī)范化的表格設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)并且在不影響全面了解試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的情況下，取得較為可靠的試驗(yàn)結(jié)果。本次試驗(yàn)采用L25（56）正交表（見表1），考慮試驗(yàn)誤差的影響，不考慮因素間的互相作用，共有25個(gè)配合比（試驗(yàn)方案），每個(gè)配合比分別設(shè)置3 個(gè)平行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段首先將工程開挖濕陷性黃土進(jìn)行過篩，除去結(jié)塊黃土和雜物后作為細(xì)集料使用；開挖出的紅砂巖進(jìn)行機(jī)械破碎后，取粒徑在2～5 mm 的部分作為粗集料使用。集料準(zhǔn)備完成后，根據(jù)選擇的配合比，依照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行制備試樣，試樣選擇邊長(zhǎng)為100 mm 的立方體，每組試樣制備3塊，取試驗(yàn)平均值以減少誤差。制樣24 h 后及時(shí)脫模并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20±2 ℃，濕度95%以上的環(huán)境）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到28 d齡期后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

采用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，且符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《試驗(yàn)機(jī)通用技術(shù)規(guī)程》（GB/T 2611）相應(yīng)的規(guī)定，測(cè)量精度為±1%，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)具有加載速率控制裝置，能滿足均勻且連續(xù)加載的要求，本次試驗(yàn)速率為0.1 kN/s。試樣在抗壓強(qiáng)度測(cè)試中的破壞形態(tài)如圖3 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析和方差分析法，確定每種因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律以及每種因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的敏感性。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表2，表中數(shù)據(jù)取3 組平行試驗(yàn)的平均值。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2 極差分析

表3 顯示了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果。其中Ki（i=1，2，3，4，5）為某因素第i個(gè)水平的指標(biāo)之和，ki為其指標(biāo)之和的平均值；R表示Ki中最大值與最小值的差值，R值越大，說明對(duì)因素對(duì)指標(biāo)的影響越強(qiáng)，即因素對(duì)指標(biāo)越敏感。

從表3 可以看出，各影響因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的敏感性大小順序?yàn)樗嗪俊盟俊S土與紅砂巖的比例。下面就這三種因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

（1）濕陷性黃土與紅砂巖比例效應(yīng)曲線

濕陷性黃土與紅砂巖比例效應(yīng)曲線圖如圖4 所示，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料的k值隨著濕陷性黃土與紅砂巖比例增大先增大后減小。當(dāng)黃土與紅砂巖的比例為75∶25時(shí)，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料的k值達(dá)到峰值，此時(shí)k值為2.186。即當(dāng)水泥含量和用水量一定時(shí)，濕陷性黃土與紅砂巖比例為75∶25 的濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。因此確定濕陷性黃土與紅砂巖最優(yōu)比例為75∶25。

（2）水泥摻量效應(yīng)曲線

水泥摻量效應(yīng)曲線圖如圖5 所示。由圖5 可以看出，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件的k值隨著水泥摻量的增加而增大，其原因是水泥水化產(chǎn)物填充土顆粒間的空隙形成水泥石骨架，約束原本松散的土顆粒，產(chǎn)生一定強(qiáng)度骨架。因此水泥土填筑材料中最佳水泥含量應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程強(qiáng)度需求進(jìn)行選擇，本試驗(yàn)中取15%。

圖5 水泥摻量效應(yīng)曲線圖

（3）用水量效應(yīng)曲線

用水量效應(yīng)曲線圖如圖6 所示。由圖6 可以看出，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件的k值隨著用水量的增大先增大后減小。當(dāng)用水量為20%時(shí)，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件的k值達(dá)到最優(yōu)。

圖6 用水量效應(yīng)曲線圖

2.3 方差分析

通過極差分析可以得出不同試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度）影響的大小，但采用方差分析方法可以就試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性做出更明確的評(píng)價(jià)，從而更加準(zhǔn)確地確定濕陷性黃土和紅砂巖的比例、水泥摻量、用水量的最佳配合比。方差分析結(jié)果見表4。表4 中F表示分布臨界值：F0.01（4,4）=16，F(xiàn)0.05（4,4）=6.39，F(xiàn)0.1（4,4）=4.11。

表4 方差分析結(jié)果表

根據(jù)表4 結(jié)果可知，水泥摻量與用水量對(duì)濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件強(qiáng)度的影響顯著，而濕陷性黃土與紅砂巖比例對(duì)其影響不顯著。這一結(jié)論與極差分析中濕陷性黃土與紅砂巖比例、水泥摻量和用水量這三個(gè)因素對(duì)強(qiáng)度影響的大小規(guī)律一致，驗(yàn)證了極差分析的可靠性。

根據(jù)極差和方差的綜合分析結(jié)果，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，得出濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件的最優(yōu)配合比（見表5）。

表5 濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料最優(yōu)配合比

3 最佳配合比下集成水泥土凍融循環(huán)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

凍融循環(huán)試驗(yàn)中水泥土試樣為邊長(zhǎng)100 mm 的立方體。在正交試驗(yàn)得出的最佳配合比（濕陷性黃土與紅砂巖比例為75∶25，水泥摻量為15%，用水量為20%）的基礎(chǔ)上，制作濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試樣及相同條件下的素水泥土（濕陷性黃土摻量為100%，水泥摻量為15%，用水量為20%）試樣各6組，每組制作3 個(gè)平行試樣。前五組試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)分別為5 次、10 次、15 次、20 次和25次，最后一組不進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，作為對(duì)照組使用。試件制作完成后，將兩組水泥土試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度為20±2 ℃，相對(duì)濕度為95%）中養(yǎng)護(hù)28 d 后再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將兩組水泥土試件放置在凍融循環(huán)試驗(yàn)箱內(nèi)，按照凍融循環(huán)試驗(yàn)要求設(shè)置循環(huán)組態(tài)后，開始試驗(yàn)。在凍融循環(huán)試驗(yàn)前，對(duì)素水泥土試件與濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件分別進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，在對(duì)兩組水泥土試件進(jìn)行5 次、10 次、15 次、20 次、25 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，分別對(duì)試件質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)每組試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）強(qiáng)度結(jié)果與分析

對(duì)經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)試驗(yàn)的水泥土試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)在水泥土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)前和經(jīng)過5 次、10 次、15 次、20 次和25 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度值，繪制出水泥土凍融循環(huán)試驗(yàn)后的強(qiáng)度變化圖，如圖7 所示。

圖7 水泥土凍融循環(huán)試驗(yàn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化圖

由圖7 可知，經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)后，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值明顯高于素水泥土試件。經(jīng)過25 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件與素水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別下降了66.1%、68.9%。

（2）質(zhì)量變化分析

凍融循環(huán)試驗(yàn)前，稱量濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土件與素水泥土水泥試件，在完成5 次、10 次、15 次、20 次和25 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，分別稱量?jī)鋈谘h(huán)后試件的質(zhì)量。試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)后質(zhì)量的變化用質(zhì)量變化率來(lái)表示，記作Wn。試件的質(zhì)量變化率用如下公式計(jì)算：

式中：Wn為水泥土試件的質(zhì)量變化率，%；m0為水泥土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)前的質(zhì)量，g；mn為水泥土試件進(jìn)行第n次凍融循環(huán)后的質(zhì)量，g。

根據(jù)質(zhì)量變化繪制質(zhì)量變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線（見圖8）。由圖8 可知，在相同的凍融循環(huán)試驗(yàn)條件下，經(jīng)過5～12 次凍融循環(huán)過程，素水泥土試件及濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件的質(zhì)量均出現(xiàn)增長(zhǎng)現(xiàn)象，素水泥土試件的質(zhì)量增長(zhǎng)略高于濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件；在12～25 次凍融循環(huán)過程中，素水泥土試件與濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件均出現(xiàn)質(zhì)量損失現(xiàn)象，隨凍融次數(shù)的增加，素水泥土試件的質(zhì)量損失更為明顯。

圖8 水泥土質(zhì)量變化率點(diǎn)線圖

（3）外觀分析

圖9、圖10 分別為素水泥土、濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試樣經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后試樣外觀圖。

圖9 素水泥土試件凍融循環(huán)下試件外觀圖

圖10 濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料試件凍融循環(huán)下試件外觀圖

由圖9 可知，對(duì)于素水泥土試件，經(jīng)過5 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，試樣表面與初始狀態(tài)相比沒有太大變化，在凍融循環(huán)5 次和10 次之間沒有顯著差異。但在15 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，試件表面發(fā)生變化。經(jīng)過20次凍融循環(huán)過程后，試樣表面的裂紋比凍融循環(huán)15次的裂紋大，試樣周圍的土體出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。經(jīng)25次凍融循環(huán)后，試件上部和下部周圍的土體發(fā)生嚴(yán)重的變形。由圖10 可知，對(duì)濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件，凍融循環(huán)5 次后，試件表面無(wú)裂紋。在經(jīng)過凍融循環(huán)10 次后，試件的表面仍然沒有出現(xiàn)裂縫，但可看出試件的表皮有輕微脫落的現(xiàn)象。比較經(jīng)過15 次及10 次凍融循環(huán)試驗(yàn)的試樣，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件沒有顯著差異。在經(jīng)過20 次凍融循環(huán)過程后，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件表面出現(xiàn)明顯裂縫，試樣上部的棱角缺失。當(dāng)完成25 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件表面的裂縫明顯增多，表面有一小部分表皮脫落。

通過對(duì)比試件外觀損傷程度發(fā)現(xiàn)，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件具有一定抵抗凍融循環(huán)過程破壞的能力，結(jié)合抗壓強(qiáng)度變化可知其抗凍性能優(yōu)于素水泥試件。

（4）應(yīng)力-應(yīng)變分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以較好地反映水泥土試件在不同應(yīng)力階段的變形能力和抵抗破壞的能力。同時(shí)，也能清楚地反映水泥土試件的力學(xué)性能，為濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

對(duì)均未進(jìn)行凍融循環(huán)作用的濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件與素水泥土試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得出試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖11）。

圖11 凍融循環(huán)試驗(yàn)下水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖11 可得，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土與素水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在試驗(yàn)初期其增長(zhǎng)速度較為緩慢，后呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在達(dá)到應(yīng)力最大值后，隨應(yīng)變的增加，其應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。且素水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各個(gè)階段的增長(zhǎng)速度及其應(yīng)力最大值始終小于濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件的增長(zhǎng)速度及其應(yīng)力最大值。

由圖11 可以看出，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件的變形可分為4 個(gè)階段：壓縮階段、彈塑性變形階段、強(qiáng)度下降階段和殘余強(qiáng)度階段。在壓縮階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下凹趨勢(shì)，應(yīng)力值緩慢增加；在彈塑性變形階段，水泥土試件的應(yīng)變不斷增加，應(yīng)力達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變最大值約為8%；在強(qiáng)度下降階段，應(yīng)變繼續(xù)增大，應(yīng)力開始迅速降低，集成水泥土試件的裂縫不斷增加；在殘余強(qiáng)度階段，集成水泥土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得平緩，但仍存在一定的殘余強(qiáng)度，試件抵抗變形的能力不斷降低。

4 結(jié)論

借助正交試驗(yàn)方法對(duì)濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土填筑材料中濕陷性黃土與紅砂巖比例、水泥用量與用水量的最佳配合比進(jìn)行了研究，并通過進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)比分析了素水泥土試件與最佳配合比下的集成水泥土試件的抗凍性能。得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析與方差分析得出濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件優(yōu)化配比：濕陷性黃土與紅砂巖的質(zhì)量比例為75∶25、水泥摻量為集料質(zhì)量的15%、用水量為集料和水泥總質(zhì)量的20%，實(shí)際應(yīng)用時(shí)水泥摻量還應(yīng)按照強(qiáng)度需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（2）在凍融循環(huán)過程中，濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件與素水泥土試件質(zhì)量均存在先增加后減小現(xiàn)象，在不同質(zhì)量變化過程中，素水泥土的變化量均相對(duì)較大。綜合來(lái)看，集成水泥土具有更好的抵抗凍融循環(huán)的能力。

（3）對(duì)比濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土和素水泥土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，二者應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈先增大后減小的趨勢(shì)，在試驗(yàn)初期其增長(zhǎng)速度較為緩慢，后呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在達(dá)到應(yīng)力最大值后，隨應(yīng)變的增加，其應(yīng)力呈減小趨勢(shì)。對(duì)應(yīng)曲線各階段，集成水泥土的增長(zhǎng)速度及其應(yīng)力最大值始終大于素水泥土。

（4）濕陷性黃土-紅砂巖集成水泥土試件的變形可分為4 個(gè)階段：壓縮階段、彈塑性變形階段、強(qiáng)度下降階段和殘余強(qiáng)度階段，在彈塑性階段可達(dá)到應(yīng)力的最大值。