离子土壤固化剂改性膨胀土冻融过程中水分迁移试验研究

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(中国地质大学(武汉) a.工程学院；b.地球物理与空间信息学院，武汉　430074)

1　研究背景

膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩、再吸水再膨胀这种反复胀缩的特性，对工程构成很大的危害[1]。膨胀土的黏粒成分主要由蒙脱石矿物组成，其强烈亲水性使其在水分迁移过程中产生显著的体积胀缩变形[2]。离子土壤固化剂(Ionic Soil Stabilizer，ISS)是一种新型土壤改良材料，通过电化学原理改变黏土颗粒双电层结构，能永久地将土壤的亲水性变为疏水性，同时使土易于压实， 形成强度较高且结构稳定的整体板块[3]。

楼蓉蓉[4]通过试验发现离子土壤固化剂加固膨胀土后效果显著，土体强度增强，变形量减小，稳定性提高。刘清秉[5]利用离子土壤固化剂对河南安阳膨胀土进行了化学改性试验研究,发现ISS 加固膨胀土从根本上改善了膨胀土湿胀干缩的特性，并显著提高了膨胀土力学承载强度。郭柏林等[6]试验得出ISS加固土的强度和水稳性相比素土有明显的提高，收缩性显著降低，加固土基层效果良好。但是当温度发生变化，土体中的水分发生冻胀融化作用后，离子土壤固化剂对于膨胀土的加固效果还不清楚。大量野外实测数据发现在土体发生冻胀融化过程中，土体中的水分也会随着温度的变化发生迁移。当温度降低，膨胀土中的自由水会由地表开始发生冻结形成冻结缘，地下水会在冻结缘处不断积聚。当温度升高，地表处的固态水首先发生融化，土体内的冻结缘也开始发生融化。由于融化过程中地下水来不及排出，积攒在土体内部，造成土体含水量增高，土体抗剪强度和摩擦系数大幅度降低，土体稳定性降低[7-8]。

本文通过设计室内平行试验，开展冻融过程中离子土壤固化剂加固膨胀土水分迁移过程的研究。

2　试验概况

2.1　试验用土

本试验用土取自引江济汉工程中段的荆门膨胀土。依照《土工试验规程》(SL 237—1999)[9]进行一系列试验，土样的基本物理性质指标见表1[10]。

表1　离子土壤固化剂加固前后膨胀土物理力学性质

由表1中膨胀土自由膨胀率为78%，在65%～90%之间，依照《膨胀土地区建筑技术规范》 (GB 50112—2013)[11]，该土样定名为中膨胀土。由表1和表2知该土样液限为61.6%(>50%)，粒径<0.075 mm的颗粒含量>50%，故该土样定名为高液限黏性土。

表2　试样粒径级配[10]

2.2　离子土壤固化剂

试验中选用的固化剂为无色透明状液体，具黏滞性、无刺激性气味，稀释后使用，无毒、无害、无污染，是一种环保型筑路材料。该固化剂能够使土粒骨架密度增大、强度增高、孔隙变小，对于土路基的承载能力明显提高，并且能有效阻止外界水分的侵入，增强路基的稳定性[4,12]。

2.3　试验仪器

采用高低温冻融循环试验箱、DT85G数据采集系统、电阻式温度传感器、电子天平等试验仪器，试验装置示意图如图1。

图1　试验装置

2.3.1冻融循环试验箱

冻融循环试验装置温度范围为-45～60 ℃。高低温循环装置中有一个控制显示面板，可以调节循环液的循环温度，实时显示设置温度和当前循环液的温度，精确到0.1 ℃。循环冷液采用高纯度无水乙醇。

2.3.2温度传感器

本次试验的温度检测器采用热电阻传感器。其测温范围为-50～60 ℃，测量精度为0.1 ℃。

2.3.3数据采集器

试验所采用的数据采集装置是美国产DT85G数据采集器。

2.3.4其他仪器

保温材料，采用有机保温棉，厚度1 cm左右。土样容器采用有机玻璃套筒，高度为12 cm左右，直径为10 cm左右。

2.4　试验方案

为研究离子土壤固化剂在冻融过程中对膨胀土的影响，本文设计2组平行试验：一组为离子土壤固化剂加固膨胀土;另一组为未经固化剂加固的膨胀土。试验采用的初始含水率、土壤干密度、冻结融化温度、外界条件均相同，试验设计如下：

(1)采用温度传感器检测该过程中2组土样内不同位置处温度的变化及温度梯度的变化。

(2)冻胀融化结束后将2组土样分层切片，测不同位置处的含水率、干密度。

(3)将2组土样切片后分别采用冷冻风干方法处理后进行扫描电镜试验，采用二值化处理方法得到2组试样不同位置处的孔隙率。

试验条件具体设计如表3所示。

表3　膨胀土改性前后水分迁移试验的条件

2.5　试验方法与步骤

2.5.1试样的制备

取一定量试验用蒸馏水与离子土壤固化剂按一定比例进行配比制成一定比例的固化剂溶液，取试验用膨胀土自然风干后与上述固化剂溶液混合，制成直径为10 cm、高度为11 cm、干密度为1.60 g/cm3、含水率为22%的试样。同时取蒸馏水与膨胀土混合制成平行试验土样。

2.5.2冻融试验步骤

(1)安装试样，保证试样只能单向冻结或融化，且为单向补水条件。

(2)温度控制，试验开始前保证2组试验温度条件一致，室温为20 ℃恒温，冻结温度为-20 ℃，试样开始单向冻结，当冻结缘生长到一定位置，停止冻结试验，开始由顶端向下开始的融化试验，融化温度为20 ℃。

2.5.3数据采集

(1)温度测定。冻融试验前，将温度传感器插入2组土样中，每30 min记录一次温度的变化，依次采集各测点处的温度及每组试样温度梯度随时间的变化。

(2)含水率的测定。冻融试验结束后将试样分层切片，每2 cm分一层，采用烘干法测定各层的含水率并与试验前的初始含水率进行对比。

(3)干密度测定。采用环刀法将分层的试样制成相同大小的环刀试样，每个试样的体积为60 cm3，采用烘干法测定每个环刀试样的干密度。

3　试验结果分析

为研究冻融过程中离子土壤固化剂对膨胀土水分迁移过程的影响，本文设计2组试验，分别对比了离子土壤固化剂改性膨胀土和未改性膨胀土在冻融过程中温度、不同位置处含水率、干密度及孔隙率的变化，并对试验数据及试验现象进行详细的分析和讨论。

3.1　冻土的裂缝及水分积聚现象

不管是改性样还是未改性样，在低温作用下，都会产生裂缝，且随着冻融循环次数的增多，裂缝有增加的趋势。由图2看出，利用 ISS 改性后的土样产生的裂缝生长速度明显比未改性样小，未改性样冻后结构破坏更明显。土样产生裂缝，主要原因在于刚开始在低温的作用下，土样会发生收缩，当低温继续作用，土样中的水分冻结成冰而体积膨胀，土样原孔隙体积增大，当土颗粒之间的黏结力不足以抵抗冰膨胀产生的应力时，土颗粒被分开，裂缝产生。

图2　冻胀融化后试样裂隙生长

由图3看出，冻胀融化过程中伴随着水分在土体内迁移，造成水分在土体内积聚，且未改性土试样水分积聚现象比改性后的试样更明显，土体更加松散。当温度降低土体内的冻结缘向下生长，土体中的水分结冰，地下水向上迁移，且在冻结缘的位置积聚，水冻结成冰，体积增大，土体裂隙生长。当土样中加入固化剂，土体颗粒连接更加紧密，且土颗粒的亲水性降低，结合水膜变薄，温度降低时，虽然土体内部产生温度梯度，但是孔隙中的自由水冻结后，外界水分迁移量小，冻结形成的冰夹层较薄，裂隙生长较慢。

图3　冻胀融化后试样水分积聚现象

3.2　温度的变化

为研究2组试样竖向温度随时间的变化规律，试验时沿土柱高度方向自上而下每隔2 cm安装温度传感器，每隔30 min读一次数。图4给出了2组试样温度随时间的变化曲线。

图4　试样中不同位置处温度随时间的变化

从图4可以看出，无论是ISS改性膨胀土试样还是未改性膨胀土试样，在冻融过程中各测点温度变化趋势是基本相同的，可分为4个阶段：①温度迅速下降阶段，此阶段温度从室温在短时间内降低到一个比较低的正温度值；②温度缓慢降低阶段，此阶段温度从正温缓慢地降低为负温，这个阶段持续的时间较长；③温度稳定阶段，当温度缓慢降低到某一负温值，温度稳定下来，并且持续一段时间，该稳定温度就是土中水的冻结温度；④温度上升阶段，此阶段温度上升很快，在短时间内达到正温。

在相同的低温条件下，ISS改性膨胀土达到的最低温度为-5.2 ℃，未改性膨胀度达到的最低温度为-6.8 ℃。

由图4可以看出，ISS改性土试样和未改性土试样在9 cm高度处达到冰点(即0 ℃时)大概用时分别为800 min和200 min，说明在相同冻结温度条件下，离子土壤固化剂有效提高膨胀土的抗冻性，延缓土体发生冻胀的时间，降低土体的冻胀率。

由图4知，无论是改性土试样还是未改性土试样，在不同位置处发生冻结的时间也是不同的。越是靠近顶端的冷源位置处，试样越容易发生冻胀，越是远离冷源，试样发生冻胀的时间就越长，最靠近地下水的位置处，土体几乎不发生冻胀。

3.3　含水率的变化

将冻融结束后的2组试样取出分层切片，每2 cm为一层，将每个试样切为5段，分别测其含水率及干密度。

由图5可知，在有地下水补给的条件下，冻融过程中，地下水发生迁移，2组试样中的含水率都增大，高于初始含水率，且未加固化剂的试样含水率高于ISS改性后的试样。由图5还可看出，在2组试样大概7 cm的位置处土体含水率最高，说明在冻胀过程中地下水向上迁移并且在7 cm的位置处发生积聚，形成较厚的冰透镜体，当温度升高，冰融化为水，这些自由水来不及在重力作用下渗透到地下，便滞留在7 cm的位置处。

图5　水分迁移过程中不同位置处含水率的变化

冻胀过程中，由于膨胀土是高液限土，其土颗粒较细，表面能较大，亲水性强，因此在有外界水分补给的情况下，能结合较多的结合水，发生较强的毛细水积聚现象。利用 ISS 改性后的膨胀土，细颗粒含量减小，其颗粒之间联结力明显增强，其土颗粒亲水性明显减弱，同等含水率条件下，结合水膜较薄，在冷源作用下孔隙中的自由水冻结后，水分迁移量较少，因此冻胀现象明显弱于未改性样。

当温度升高，土体融化，未改性土中冰融化后，表层土体发生水化作用，土体中含水率增大，土颗粒结合水膜不断增厚，颗粒之间距离增大，联结力减弱，土体结构被破坏。利用 ISS 改性后的土，土颗粒之间联结力强，土体中的冰融化后，含水率虽有增加，但依然低于未改性土样的含水率，土体骨架结构破坏较小，因此，离子土壤固化剂在一定程度上抑制了土体结构的破坏。

3.4　干密度及孔隙率的变化

在相同条件下，对2组土样进行冻融循环试验，会使土的微观结构发生变化，从而影响宏观力学性质。冻融过程结束后分别测量2组试样在高度为1, 3, 5, 7, 9 cm 5个位置处的干密度。

由图6可知，试验前后，2组试样的干密度与初始时刻相比都发生较大的变化，温度降低过程中试样结冰，土体体积增大，土体中裂隙生长，当温度升高，土体中的冰融化，但是土体结构已经发生变化，难以恢复到初始的密实状态。但是经离子土壤固化剂加固后的试样经冻胀融化作用后虽然干密度有一定程度的减小，但是在试样的不同高度处试样的干密度均大于未经加固的膨胀土试样的干密度。

图6　水分迁移过程中不同位置处干密度的变化

由图7可知，经ISS加固后的膨胀土在冻结融化过程中有水分的补给迁移，虽然土体的不同位置处裂隙会有不同程度的生长，但是相对于未加固的膨胀土，土体裂隙延伸较小，试样整体结构完整性较好。SEM图片经MatLab二值化后得到试样在不同位置处的孔隙率。ISS加固膨胀土试验前试样为均质体，孔隙率为0.020 3，试验过程中由于温度降低上部土体结冰，下部土体中有水分向上迁移，且有冻结缘的形成，土体内部不同高度处土体会产生不同程度的裂隙生长，试样3,5,7 cm处孔隙率分别为0.029 9,0.070 5,0.073 2。未经固化剂加固的膨胀土试样试验前孔隙率为0.029 8，经水分迁移试验结束后试样3,5,7 cm处孔隙率分别为0.041 9,0.131 5，0.229 2。

图7　2组试样中不同位置处的电镜扫描图片

由上述试验结果可知，在有地下水补给的条件下，伴随温度降低，膨胀土表面发生冻结膨胀作用，冻结缘由上向下生长，地下水在毛细力的作用下向上迁移并在某一位置发生积聚现象。此过程中土壤内液态水结冰，土体体积膨胀并产生裂隙。随温度继续降低，水由液态变为固态，土体中裂隙生长，孔隙率增大。当膨胀土用离子土壤固化剂处理过后，虽在冻结过程中土体裂隙会有一定程度的生长，但裂隙生长速度较慢，冻胀融化作用对土体整体的结构影响较小，ISS有效地降低冻融过程中膨胀土裂隙的生长速度。

4　结　论

(1)ISS加固前后试样在冻结融化过程中都会产生裂隙，但是 ISS 改性后的试样裂缝生长速度明显比未改性样慢，未改性样冻后土体结构破坏明显。融化过程中伴随着水分在土体内迁移，造成水分在土体内积聚，且未改性土试样水分积聚现象比改性后的试样更明显，土体更加松散。所以ISS可以有效降低冻融过程中膨胀土内裂隙的生长速度。

(2)ISS加固前后试样在冻融过程中各测点温度变化趋势是基本相同的。ISS改性后的膨胀土温度梯度比未改性膨胀土温度梯度小，温度传播速度慢，试样冻结速度慢。相同冻结温度条件下，离子土壤固化剂有效提高膨胀土的抗冻性，延缓土体发生冻胀的时间，降低土体的冻胀率。

(3)冻结过程中 ISS 加固膨胀土试样颗粒之间联结力明显增强，其土颗粒亲水性明显减弱，同等初始含水率条件下孔隙中的自由水发生冻结后，水分迁移量较少，冻胀现象明显弱于未改性样。试样发生融化后，含水率虽有增加，但依然低于未改性土样的含水率，土体骨架结构破坏较小，因此，离子土壤固化剂在一定程度上抑制了土体结构的破坏。

(4)ISS加固后的试样经冻胀融化作用后虽然干密度有一定程度的减小，但是在试样的不同高度处试样的干密度均大于未经加固的膨胀土试样的干密度。