水泥固化土抗冻性能影响因素分析

李学德，林庆梅，彭旭华，苏叶平，赵泱军

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.江苏省科佳工程设计有限公司扬州分公司，江苏 扬州 225101；3.重庆市水利局，重庆 401147)

水泥固化土是将含有一定含水率的土体与水泥混合，经水化反应后形成坚硬的水泥固化体，从而使加固土体的土工特性得到改善。水泥土的强度指标，通常由水泥土试样(一般为直径5 cm、高10 cm的圆柱体)的无侧限压缩试验来检验[1-2]。国内多位学者以水泥作为外掺剂，针对不同地基土进行了力学特性和微观结构等试验分析，分别提出了不同的最佳水泥掺入比[3-4]。综合前人研究的成果，分析了水泥掺量、含水率等因素对水泥固化土的强度、变形和渗透等特性的影响，结果表明，水泥固化土的抗压强度主要取决于水泥用量，其次是原料土的含水率[5-9]。由于固化土的无侧限抗压强度容易测定，所以过去对该内容研究较多，但对于固化土的耐久性能特别是固化土抗冻性能研究得较少[10-11]。抗冻性是评价固化土结构耐久性的重要指标，分析影响水泥固化土抗冻性能的因素，对研究其结构耐久性有着重要意义。影响水泥固化土抗冻性能的因素较多，本文主要研究土壤含水率及水泥掺量对其抗冻性能的影响。

1 试验研究

1.1 试验设计

由于水泥固化土抗冻性能的研究成果较少，本文通过试验数据分析水泥固化土抗冻性能与影响因素的关系，根据不同的使用环境，确定不同的土壤含水率及水泥掺量[12]，具体试验配比见表1。

表1 试验方案 单位：%

1.2 试验方法

目前，对于水泥固化土的抗冻性试验还没有统一的标准，本次参照混凝土抗冻性试验标准及相关文献资料[13-15]，按照无侧限抗压强度试件(φ50 mm)成型方法制作试件，试件脱模后，立即放到标准养护箱内进行养护至28 d 龄期。养护完成后，将固化土试件放入水中浸泡24 h ，测定其无侧限抗压强度，同时与未浸泡试件的强度进行比较，研究固化土的水稳定性。进行冻融循环试验前，先将固化土试件放入水中浸泡24 h，使其吸水饱和，将试件的表面水擦干后称取重量，然后放入低温试验箱中，在-17～-20℃条件下冻结 4 h，冻结完成后把试件取出，放入(20±3)℃的水中融解4 h，将这一过程作为一次冻融循环。

2 试验结果

2.1 水稳定试验

固化土试件标准养护 28 d，浸水饱和后及未做浸水处理的试件的无侧限抗压强度值见表2。

表2 水泥固化土抗压强度值 单位：MPa

2.2 冻融循环试验

固化土试件标准养护 28 d，经过n次冻融循环后，各组试件质量见表3。

3 数据分析

3.1 水稳定性能分析

材料的水稳定性能用软化系数来表示，其取值在0～1之间。若软化系数越大，则说明材料的水稳定性能越好。固化土软化系数γ，可按式(1)计算：

(1)

式中γ——软化系数；f——试件在浸水饱和状态下的28 d无侧限抗压强度，MPa；F——试件在标准养护状态下的28 d无侧限抗压强度，MPa。

本次试验固化土试件浸水后计算的软化系数见表4。

表3 水泥固化土经过n次冻融循环后质量 单位：g

表4 水泥固化土水稳定性能

对于长期处于潮湿环境下特别是处在水中的重要建筑物，要求选用材料的软化系数需大于0.85。而对于处在潮湿较轻环境下或次要建筑物，其材料的软化系数不宜低于0.70。本次试验试件其软化系数均大于0.70，且除水泥掺量4%试件外，其余试件软化系数均在0.80以上，说明水稳定性能良好。

3.2 抗冻性能分析

虽然水泥加入土体后与水发生水解水化反应，生成CaSiO4、CaAl2O3等凝胶状的水化产物，胶结土壤颗粒，并改善了土壤中的孔隙结构，提高了土体强度。但是由于水泥固化土内部不密实并且含有原始细微损伤，当承受冻融作用后，试件内部在原始细微损伤的基础上产生大量的细微裂纹，并且会随着冻融循环次数的增加而不断发展，到一定程度时会导致水泥固化土性能的劣化，抗冻性能降低。

参照混凝土抗冻设计规范，以质量损失率衡量固化土的抗冻性能。质量损失率可按式(2)计算，以3个试件试验结果的平均值作为测定值：

(2)

式中Wn——n次冻融循环后试件质量损失率，%；G0——冻融前的试件质量，g；Gn——n次冻融后的试件质量，g。

当试件的质量损失率超过5%时，表明试件已被冻融破坏，冻融循环结束。经过n次冻融循环后，固化土试件质量损失率见表5。

表5 水泥固化土经过n次冻融循环后质量损失率 %

3.2.1土壤含水率对抗冻性能的影响分析

试验中部分试件经15次冻融循环后，达到破坏状态，本次以经10次冻融循环后，试件的质量损失率为研究对象。由表5可知，经过10次冻融循环后，试件的质量损失率随着土壤含水率的增加先减小后增大。当土壤含水率为16%时，平均质量损失率为1.32%；当含水率为20%时，平均质量损失率为1.22%；当含水率为22%时，平均质量损失率为1.32%；当含水率为18%，接近土壤的最优含水率时，平均质量损失率最小为1.09%。土壤含水率与质量损失率关系见图1。

(3)

R2=0.92

图1 土壤含水率与质量损失率关系

3.2.2水泥掺量对抗冻性能的影响分析

由表5可知，经过10次冻融循环后，试件的质量损失率随着水泥掺量的增大而减小。当掺量为4%时，平均质量损失率为3.30%；当掺量为8%时，平均质量损失率为0.86%；当掺量为12%时，平均质量损失率为0.36%；当掺量为16%时，平均质量损失率最小为0.32%。水泥掺量与质量损失率关系见图2。

图2 水泥掺量与质量损失率关系

通过图2，水泥掺量与质量损失率符合函数(y=axb+c)关系，根据试验结果进行回归分析，计算相关参数值。设水泥掺量对10次冻融循环后质量损失率的影响函数为Q(c)。利用回归分析得到Q(c)的拟合函数为：

Q(c)=62.2580c-2.1448+0.1181，R2=0.98

(4)

3.2.3综合影响分析

由于土壤含水率及水泥掺量2个因素单位不同，不能直接比较其对水泥固化土抗冻性能的影响，因此采用相对数值法分析，将两因素进行同一归化[16]。由表5中数据，两因素对质量损失率的影响见图3(横坐标为各因素取值与各自最大取值的比值)。

图3 水泥固化土质量损失率影响因素分析

由试验结果可知，水泥掺量对水泥固化土抗冻性能影响较大，质量损失率随着水泥掺量的增大而减小，但并不是掺量越大越好，当水泥掺量超过一定值时，抗冻性能随掺量增加，提高幅度变得不明显；土壤含水率对水泥固化土抗冻性能影响较小，当接近土壤最优含水率时，内部水分能与水泥发生充分水化反应，水泥固化土抗冻性能最优，当含水率继续增大时，多余的水分结冰膨胀会增大对固化土结构内部冻害的影响，降低固化土的抗冻性能。

4 结论

a)通过试验结果可知，除4%水泥掺量的水泥固化土试件浸水软化系数小于0.80，但均大于0.70以外，其余掺量均大于0.80，说明水泥固化土水稳定性能较好。

b)通过结果分析可知：水泥掺量对水泥固化土抗冻性能影响显著，随掺量增大，抗冻性能变好，但并不是掺量越大越好，当水泥掺量超过一定值时，抗冻性能变化不明显；土壤含水率对水泥固化土抗冻性能影响较小，当接近土壤最优含水率时，水泥固化土抗冻性能最优。