冻融循环对工业废料固化土强度特性的影响

王强 桂佑杰 宫保聚

摘要：普通硅酸盐水泥-脱硫石膏-粉煤灰作为复合胶凝材料固化软土，既可以充分利用煤电企业的工业废物，减少污染，又可以节约资源，保护自然环境。通过系统的室内试验，研究了冻融循环条件下复合胶凝材料固化软土的强度特性及微观结构变化规律。试验结果表明，固化软土的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增多呈现先增加后降低的趋势，并建立了固化土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化拟合公式，经过15次冻融循环后无侧限抗压强度降到原来强度的60%～70%。通过在不同冻融循环次数下的扫描电镜试验，从微观角度揭示了复合胶凝材料固化软土的机制。

关键词：普通硅酸盐水泥-脱硫石膏-粉煤灰；冻融循环；强度特性；微观结构

中图分类号：TU43 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）03-0001-05

Abstract：The soft soil can be solidified by ordinary Portland cement-desulfurization gypsum-fly ash composite gelled material. This method can not only make full use of the industrial waste of coal enterprise， reduce pollution， but also save resources， protect the natural environment. The curing strength characteristics and the microstructure changing rule of soft soil solidified by the composite gelled material under frost-thaw cycle had been studied through the laboratory test. The test results showed that the unconfined compressive strength of soft soils first increase and then decrease along with the increase of times of frost-thaw cycles， and established the fitting formula. After 15 times frost-thaw cycle， the unconfined compressive strength decrease into only 60% to 70%. And the scanning electron microscopy test had been tested under different frost-thaw time， and the results had revealed the change mechanism of soft soils solidified by the composite gelled material from the microscopic view.

Key words：ordinary Portland cement-desulfurization gypsum-fly ash； frost-thaw cycle； strength characteristics； microstructure

隨着工业废渣对环境的环境污染越来越严重，开展工业废渣再生资源利用是非常有必要的。利用脱硫石膏、粉煤灰等工业废料及水泥作为土体固化剂，可以变废为宝，资源综合利用，节约天然资源，是保护生态环境，建设节约型社会，发展循环经济，走可持续发展道路的典型，一举多得[1-5]。

新型水泥基固化软土的固化原理主要是水泥与水发生的水化反应，脱硫石膏的自身反应以及脱硫石膏激发粉煤灰的水化反应的过程[6-9]。

目前，有关改良土在冻融作用下的力学性能研究已经开展了很多。文献[10]对冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性进行了研究。文献[11]对石灰、粉煤灰和水泥 3 种固化土冻融循环后的抗压强度、加州承载比等进行了研究，研究表明固化土具有良好的抗冻融耐久性。文献[12]通过室内试验研究了不同灰剂量的冰渍石灰稳定土经过冻融循环后的动变形特性。文献[13]研究了掺加剂对冻融循环水泥土的强度的影响，研究表明通过掺加外加剂可以改善水泥土的抗冻性和强度。文献[14]和文献[15]研究了冻融循环对水泥土的力学性能的影响，研究表明水泥土在季节性冻土地区应用时应考虑冻融循环对水泥土力学性能的侵蚀效应。

由于水泥土常常应用于季节性冻土地区的路基和复合地基工程中，评价冻融循环对水泥土物理力学参数的影响是非常必要的。本文探讨了冻融循环次数对固化软土无侧限抗压强度及微观特性的影响，为季节冻土区固化软土的设计和应用提供参考。

1试验材料及试验方案

1.1试验材料

取安徽某地的粉质粘土，其物理性质指标见表1。所用脱硫石膏来自于淮南市平圩电厂，其化学成分见表2。所用粉煤灰来自于淮南平圩电厂，其化学成分见表3。所用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，其安定性、胶砂强度及添加物种类均符合国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-1999）的要求，试验用水为自来水。通过正交试验确定新型复合胶凝材料的各原料的配合比，新型复合胶凝材料（CGF）组成为：脱硫石膏（m）∶粉煤灰（m）∶水泥（m）=30∶45∶25。

1.2试验方案

试验选取10%、15%、20%掺量的新型复合固化剂对该粉质粘土进行处理，养护28天后对修复后的土体进行冻融循环试验，并针对不同冻融循环次数下固化软土体的无侧限抗压强度及微结构特征进行测试分析。

1） 制样及养护

制备试样时，将称量好的干土料粉末、脱硫石膏、粉煤灰及水泥倒入搅拌机中搅拌5min，再加入自来水一起搅拌10min。将搅拌好的混合料取出装入直径为5cm，高10cm模具中，养护24小时后脱模，再标养（温度为20℃、湿度为95%）至设计龄期。

2） 冻融循环试验方法及测试

冻融循环试验参考ASTM-D560-03，试验步骤如下

① 冻融循环开始前将试样进行编号，每组3个平行试样。试样用自封袋封闭，防止水分损失，先取出其中一组试样测试无侧限抗压强度，将测试值作为开始的基准值，其余试样进行冻融循环。 ② 将试样置于温度为-15 ℃的冻融箱中12小时，然后将试样转移到标准养护室中养护12 小时，完成一次冻融循环。 ③ 每次冻融循环结束后，无侧限抗压强度测试和扫描电镜测试， 无侧限抗压强度测试采用2t电子万能试验机，扫描电镜测试采用日立S-3000N扫描电子显微镜。 ④ 重复步骤②和③，直到15 次冻融循环结束。

3） 扫描电镜测试

试样经过0、3、5、7、10 和15 次冻融循环后，进行扫描电镜对试样进行微结构测试分析。

2试验结果及分析

2.1无侧限抗压强度

每次冻融循环结束后，立即取出试样进行无侧限抗压强度试验，图1为不同掺量的试样无侧限抗压强度值随冻融循环次数的变化。

从图1可以看出，标养条件下土体强度随着新型固化剂掺量的增加而显著提高，新型固化土体的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加先增大，当达到峰值后，随冻融循环次数的继续增加而减小，这是因为脱硫石膏能够延缓水泥初期水化作用的进行，因此新型固化土体经过28天的标准养护后，水泥水化物与土体之间的物理化学反应还在继续，从而使固化土体强度在冻融循环初期有所增大。

当冻融循环次数达到一定次数后（本试验中为1～3 次），冻融循环作用对土体结构产生的破坏作用不断积累，使得固化土产生微裂缝，微裂缝随着冻融循环次数的增加而进一步扩展，导致固化土体的无侧限抗压强度降低，当冻融循环次数达到15次以后，固化土体的无侧限抗压强度趋于稳定，约为标养强度的60%～70%。

固化土体的无侧限抗压强度与冻融次数的关系如图2所示，通过回归分析可以得到无侧限抗压强度随冻融循环次数的预测公式。

2.2冻融循环试样微结构分析

使用扫描电子显微镜对经过一定冻融循环次数作用后的试样进行微结构变化特征测试分析，试验结果如图3～图7所示。

从图3中可以看出，在未经过冻融循环作用时，试样中存在大量孔隙，存在未充分发育的CSH 及CAH 等凝胶体，从照片中还可以看到有板状结晶氢氧钙石的存在。

从图4可以看出，试样经过干湿循环3 次后，凝胶体大量形成，土体内部结构更加完整、密实，表明这一阶段新型固化土体的水解水化反应及其产物与土体之间的物理化学作用在不断进行。这解释在第三次冻融循环时强度增加而后在减小的规律。

从图5～图7可以看出，随着冻融循环次数的增多，固化土体的破坏程度越来越大，固化土体的强度越来越小，从微观结构方面证实了随着冻融循环次数的增多，固化土体的无侧限抗压强度越来越低。

3结论

1） 新型固化土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加先增大；达到峰值后，随冻融循环次数的继续增大而减小，并逐步趋于稳定；无侧限抗压强度在冻融1～3 次时达到峰值，在经过15次冻融循环后，固化土体的无侧限抗压强度降低至最大强度60%～70%。

2） 通过对固化土体的无侧限抗压强度与冻融循环次数的回归分析，得到了回归方程，为固化土强度的预测提供了参考。

3） 微观测试分析表明，冻融循环对固化土微观结构有较为明显的影响，随冻融循环次数的增大，固化土的破碎程度越大，强度也就越来越低。

4） 经过冻融循环作用后，固化土体微结构变化特征与其宏观力学变化规律一致，从微观角度揭示了新型固化土体的机理以及冻融循环作用下固化土的工程性质。

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（责任编辑：李 丽，吴晓红，编辑：丁 寒）