冻融循环对新型高分子材料SH固化黄土力学特性的影响试验研究

徐鹏飞，李泽莹，王银梅，董 岩

（太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024）

1 研究背景

长期以来，有很多学者研究了不同固化剂对不同土的固化效果，如易耀林等［2］、柯睿等［3］、王银梅等［4］、刘文白等［5］分别利用碱激发矿粉、水泥、SH固化剂、木质素对软土、淤泥、黄土、疏浚土进行了固化研究。针对冻融循环对黄土物理化学性质的影响，目前的研究主要集中在渗透性、强度和模量等方面。董晓宏等［6］研究了长期冻融循环对不同含水率和不同干密度下黄土抗剪强度的影响，发现随冻融循环次数增加，黄土的黏聚力先增大后减少，内摩擦角几乎没有改变；肖东辉等［7］研究了冻融循环下黄土的孔隙率变化，发现10次冻融之后黄土的孔隙率保持稳定；Zhou等［8］对冷冻黄土开展研究发现，冻融循环对冻结黄土的力学性能有显著的影响，刚度特性和黏度特性与冻融循环过程联系紧密；周志军等［9］对高速公路沿线黄土开展试验，发现冻融循环对饱和黄土试样压缩性的影响大于对天然黄土的影响；魏尧等［10］研究了不同冻结温度对黄土力学特性的影响，发现冻结温度越低，黄土的抗压强度下降越快；许健等［11］对西安原状黄土和重塑黄土进行对比研究，发现冻融作用对原状黄土表观结构影响更显著。在冻融作用对固化黄土的影响方面，王建良［12］、胡再强等［13］分别就水泥加固黄土和石灰加固黄土开展冻融循环特性研究；吕擎峰等［14］、李宏波等［15］分别用水玻璃、水泥硅微粉等材料对兰州黄土、宁夏黄土进行改良，研究冻融循环下固化黄土结构和强度的变化；金鑫等［16］通过碱液对黄土加固进行研究发现，NaOH掺量和养护温度对黄土强度增长的影响最为显著；侯鑫等［17］研究了硅酸钠固化黄土经历冻融循环后力学性质的变化，发现经受20次冻融循环后，固化黄土的消振性与刚度大幅劣化。

室内试验与工程实践表明，在冻融循环中，固化剂的加固效果受固化剂的种类与掺量、土体的性质、冻融循环次数等因素的影响。本文通过在黄土中掺入不同掺量的新型高分子固化剂SH，对黄土进行固化，研究其固化效果随冻融循环次数（达15次冻融循环）的变化。试验结果可为固化剂SH在黄土冻融区的推广及应用提供参考，并为黄土冻融区治理提供一些理论依据。

2 试验方案

2.1 材料制备

试验用土为取自山西省太原市的黄土，根据土工试验规范，测出其基本物理指标如表1所示。计算干密度为1.60 g/cm3、含水率为18%、SH不同掺量下所需各材料的质量，然后，将其与水拌和均匀；在Φ40 mm×80 mm模具中制样，以手工静压方法制作拟用于抗压强度测试的试样；在Φ61.8 mm×20 mm的环刀内制作成型，以用于剪切测试。所有试件脱模后，放于室内自然风干养护28 d待测。

2.2 固化剂的固化机理

新型高分子固化剂SH是兰州大学运用溶液聚合法制成的，乳白色的液体，无毒性，遇水可无限稀释，而失水后容易聚结成膜，胶凝时间易控制。当SH作用于黄土后，把相邻的土颗粒以高分子链相互搭接，同时，高分子链之间又互相交叉缠绕、联结，增加土颗粒的结构性，增大颗粒之间的摩擦力，使整个土体成为牢固的整体性空间网状结构，从而起到固化土的作用。

2.3 试验方法

冻融循环过程示意图如图1所示，具体循环过程说明如下。

永康市有效灌溉面积为26.2万亩，大小渠道3 000多km，其中，规模以上灌区渠道136km，27个灌区的支渠460km，全市田间支毛渠1 740km，渠道总防渗衬砌率达到78%；目前，已建成管道灌溉2.3万亩，喷灌8 850亩，微灌10 400亩，其中“唐先葡萄节水灌溉基地”示范项目5 000多亩；农技部门每年推广水稻节水灌溉技术13.5万亩。经测算，永康市的农田节水灌溉率已达到67%。

（1）1次冻融过程：将所制备好的试件放进-20℃冰箱里12 h→充分融化阶段放置在20℃室内12 h。

（2）多次冻融循环：1次冻融循环试件→继续放置在-20℃冰箱里12 h→放置在20℃室内12 h，按照此流程达到对应的次数，对试样进行测定。

表1 试验黄土的基本物理指标Table 1 Basic physical indicators of test loess

图1 冻融循环过程示意图Fig.1 Schematic diagram of freeze-thawcycles

进行抗压强度测定时，设计冻融循环次数 N＝0、5、10、15，每当达到规定的循环次数，立刻将试件称重、观察并描述试件外观的变化，测其质量和抗压强度，抗压强度用 STWCY-1型无侧限压力仪进行测定；当进行抗剪强度测定时，设计循环次数 N＝0、1、2、3、4、5、10、15，当达到规定的循环次数，采用EDJ-1型等应变直剪仪测定抗剪强度参数。

3 试验结果与分析

3.1 冻融循环对抗压强度的影响

根据上述方法测出 SH不同掺量下固化黄土经冻融后的抗压强度，按式（1）计算抗压强度变化率，即

式中：An为固化黄土经 n次冻融循环后的抗压强度变化率；Pn为固化黄土经 n次冻融循环后的抗压强度；P0为未固化黄土（纯黄土）冻融前的抗压强度。

计算得到的固化黄土抗压强度变化率与冻融循环次数的关系如图 2所示。

图2 不同SH掺量的固化黄土抗压强度变化率与冻融循环次数的关系Fig. 2 Relationship between compressive strength ofsolidified loess and number of freeze-thaw cyclesvarying with SH content

黄土冻融前的抗压强度 P0＝1.78kPa。由图 2可见，在冻融前，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH掺量的固化黄土的抗压强度较纯黄土（不掺任何固化剂 ）分 别 提 升 了 65.60%、107.75%、135.34%、161.40%、168.48%。在相同的冻融循环次数下，SH掺量越大，固化黄土的抗压强度越大，表明较大掺量对提高黄土抗冻效果会更好。随着冻融循环次数的增加，固化黄土抗压强度逐渐降低，经过 15次冻融循环后，8%SH掺量的固化黄土试件抗压强度较纯黄土减少了 54.47%，而 10%、12%、14%、16%SH掺量的固化黄土试件抗压强度较纯黄土分别提高了34.43%、99.26%、130.61%、141.29%，表 明 当 SH掺量达到 10%时，历经 15次冻融循环，仍然可以提高黄土的抗压强度。

3.2 冻融循环对固化黄土试样质量的影响

试验测出不同掺量下固化黄土经冻融后的质量，按式（2）计算质量变化率，即

式中：Bn为固化黄土经 n次冻融循环后的质量变化率；Mn为固化黄土经 n次冻融循环后的质量；M0为纯黄土冻融前的质量。

计算得到的固化黄土质量变化率与冻融循环次数的关系如图 3所示。

图3 不同 SH掺量的固化黄土质量变化率与冻融循环次数的关系Fig. 3 Relationship between the mass loss rate of solidifiedloess and the number of freeze-thaw cycles varyingwith SH content

从图3可以看出：随着冻融循环次数增加，固化黄土试件质量损失率越来越大；高掺量的固化黄土试件质量损失趋势明显低于低掺量的相应值；加入8%、10%、12%、14%、16%SH掺量的固化黄土试件历经15次冻融后，质量较纯黄土分别减少了2.88%、1.94%、1.40%、1.18%、0.93%，表明当固化剂掺量增大时，可以有效减少黄土试件质量损失。

固化黄土试件中自由水的冻结与融化，是影响其质量变化的主要因素。自由水状态的变化，使试样出现孔隙、微裂隙，反复冻融后，微裂隙数目增多，范围扩大，试件出现掉皮掉渣现象，质量损失持续增加。SH固土剂掺入，增强了土颗粒的胶结力量，同时失水后形成胶膜包裹了土颗粒，增加了固化黄土试件的完整性。

3.3 冻融循环对固化黄土抗剪强度的影响

试验测定了冻融循环条件下含不同掺量 SH的固化黄土的抗剪强度参数。黄土的黏聚力为82.18kPa，内摩擦角为 9.52°。加入固化剂 SH后，固化黄土的黏聚力与内摩擦角都有了显著提高，表明固化剂 SH对黄土有明显的固化效果。在季节性冻融区进行施工时，为抵御冻融循环对黄土构筑物的破坏，保证工程的安全运行，建议用于固化黄土的SH掺量≥14%。

3.3.1 冻融循环对固化黄土黏聚力的影响

试验得出不同 SH掺量下固化黄土经冻融循环后的黏聚力，按式（3）计算黏聚力变化率，即

式中：C′n为固化黄土经 n次冻融循环后的黏聚力变化率；Cn为固化黄土经 n次冻融循环后的黏聚力；C0为纯黄土冻融前的黏聚力。

计算得到的固化黄土黏聚力变化率与冻融循环次数的关系如图 4所示。

图4 不同 SH掺量的固化黄土黏聚力变化率与冻融循环次数的关系Fig. 4 Relationship between cohesive force of solidifiedloess and number of freeze-thaw cycles varying withSH content

从图4可知，经 SH固化剂加固后黄土试件的黏聚力明显提高，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH掺量的固化黄土黏聚力分别比纯黄土提高了 116.41%、140.89%、178.30%、215.71%、253.45%。对于不同SH掺量的固化黄土，第 1次冻融后黏聚力下降幅度最大，经过 4～5次冻融循环后，黏聚力下降速率变低并趋于平缓。历经 15次冻融后，8%、10%、12%SH掺量的固化黄土试件黏聚力较纯黄土分别减少 了77.75%、55.51%、33.45%，而14%、16%SH掺量的固化黄土试件黏聚力较纯黄土分别提高了 37.28%、58.03%。表明当 SH掺量达到 14%后，虽历经 15次冻融循环，仍然可以提高黄土的黏聚力。

3.3.2 冻融循环对固化黄土内摩擦角的影响

试验得到不同 SH掺量下固化黄土经冻融循环后的内摩擦角，按式（4）计算内摩擦角变化率，即

式中：Dn为固化黄土经 n次冻融循环后的内摩擦角变化率；φn为固化黄土经 n次冻融循环后的内摩擦角；φ0为黄土冻融前的内摩擦角。

计算得到的固化黄土内摩擦角变化率如图 5所示。

图5 不同 SH掺量的固化黄土内摩擦角变化率与冻融循环次数的关系Fig. 5 Relationship between internal friction angle ofsolidified loess and number of freeze-thaw cyclesvarying with SH content

由图5可以看出，不同掺量的 SH固化剂均可以明显提高黄土的内摩擦角，加入 8%、10%、12%、14%、16%SH掺量固化黄土的内摩擦角比纯黄土的内摩擦角分别提升 了 105.51%、156.19%、174.10%、192.01%、198.94%。固化黄土在 3～4次冻融循环中内摩擦角降低程度较大，在 5次冻融循环后下降幅度变低并趋于稳定。经过 15次冻融循环后，8%SH掺量的固化黄土试件较纯黄土减少了28.20%，而10%、12%、14%、16%的 SH掺量的固化黄土试件较纯黄土分别提升 了 43.59%、59.55%、98.12%、103.67%。表明当掺量达到 10%后，虽历经 15次冻融循环，仍然可以提升黄土的内摩擦角。

SH固化黄土抗剪强度指标衰减的原因应是冻融循环过程中黄土产生大量冰晶，进而土体发生膨胀，而融化过程中冰晶开始消融，土体发生收缩变形；反复性冻融作用下和膨胀收缩过程中，固化黄土的粒间联结产生了不可逆的损伤，破坏颗粒间的胶结力和咬合力，导致黏聚力与内摩擦角均降低。但5次循环后固化黄土的结构可能趋于稳定，黏聚力和内摩擦角也渐趋于稳定。

3.4 与其它固化剂结果比较

查对张丽萍［18］的研究，发现由多种无机和有机材料组成、对生态环境无破坏、对环境无影响的复合材料EN-1以及CONAID、LUKANG和SSA固化黄土的效果与SH大致相同，EN-1和LUKANG固化剂对黑麦草生长胁迫较小，CONAID和SSA固化剂显著抑制黑麦草生长。

经与文献［19］研究结果做对比，历经15次冻融循环后，10%水泥掺量可以提升黄土强度28.03%，而10%SH相应提升黄土强度34.43%，表明黄土经SH固化后较水泥更能抵抗冻融循环的破坏。当水泥掺量高于8%时，黑麦草种子的萌发受到显著抑制［20］，而SH固化剂不会抑制黑麦草的生长［21］，较水泥更具有环保性。目前SH和水泥的价格分别为650元/t和400元/t。SH价格稍贵的原因是SH是一种新型材料，目前处于试验研究阶段，没有规模化生产，所以价格仍偏高，待其大规模生产后价格会再降低一些；水泥已被大量使用所以价格较低。

4 结 论

（1）固化剂SH可以显著提高黄土的抗压强度。SH掺量越高，固化黄土的抗压强度越大，经冻融循环后抗压强度损失率越小，质量损失率越低，试样完整性越好。

（2）固化剂SH可以明显增强黄土的抗剪强度。固化黄土的抗剪强度在3～4次冻融循环后减少最大，其中黏聚力比内摩擦角降幅稍大，5次冻融循环后黏聚力和内摩擦角下降幅度减小并渐趋于稳定。

（3）当SH固化剂掺量达到14%时，历经15次冻融循环，依然可以提高黄土的抗压强度、黏聚力和内摩擦角。实际工程建设中，为抵抗冻融循环对黄土结构物的破坏，建议SH掺量选择14%。

（4）从SH与水泥固化黄土结果看，经15次冻融循环后，SH提升黄土强度更大，不会抑制植物的生长，具有一定的优势。