水泥改良砂土冻融循环特性试验研究

冯 冬 冬

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 滨海新区 300000)

0 引 言

水泥改良土作为一种成熟的建筑材料被广泛应用于路基处理、基坑加固和边坡防护等工程中，且取得了良好的使用效果[1].但是在实际工程中，水泥土的各项性能指标往往受众多因素影响且在不同地区也有差异.国内外众多学者对水泥土的研究发现，其力学性能受水泥配比、龄期、含水率、土质等因素的影响较大，同时，水泥土在不同环境温度下，其力学性能也易发生变化.因此有必要对水泥土的力学性能及冻融循环特性进行研究.宋爱苹[2]等对水泥土及掺粉煤灰水泥土的冻融循环特性进行了研究，结果表明：水泥土及掺粉煤灰水泥土经历冻融循环后其强度均有所降低，但掺粉煤灰可以有效降低冻融循环对水泥土的强度损失；杨胜波[3]等对水泥改良粉土的耐久性能进行了实验研究，结果表明：4%以上的水泥配比下，水泥土的水稳定性、强度及冻胀融沉率基本满足规范要求.王许诺[4]等通过无侧限抗压强度实验，探究了冻结水泥土的力学性能，结果表明：冻结温度、水泥配比和养护龄期等因素中，冻结温度对水泥土的抗压强度影响显著.宁宝宽[5]等对冻融循环条件下水泥土的强度进行研究，发现冻融循环对水泥土强度劣化明显，但存在一个最优水泥配比使水泥土的抗冻性最好.张经双[6]等通过对水泥土的冻融循环实验，测得了不同冻融循环次数下，水泥土的强度、模量和应变能密度，并建立了3个因素与冻融循环次数的衰减方程.侯淑鹏[7]等对冻融循环条件下水泥土的损伤劣化特征进行了研究，建立了抗压强度与循环次数的经验公式并通过扫描电镜对经历了冻融循环后的水泥土微观结构进行分析.崔宏环[8]等通过不同龄期的冻融循环实验，分析了循环次数对水泥土强度、质量以及变形模量的损失规律.李清宪等[9]通过对水泥土冻融实验及三轴实验分析了水泥土经冻融循环后的应力应变曲线为软化型曲线，且其静强度随循环次数的增加呈指数函数递减.陈四利[10]、王天亮[11]、赵振亚[12]研究了冻融循环次数对水泥土抗压强度及变形特征的影响，并根据实验结果建立了水泥土冻融循环强度损伤回归方程.

众多文献表明，在北方季节性冻土地区，水泥土加固路基的冻胀、融沉现象十分严重，如何保证水泥土的力学性能与抗冻融耐久性能良好是推广水泥土材料进一步发展的关键因素，因此本文以北方寒区常见的砂土为研究对象，通过无侧限抗压强度实验和冻融循环实验，探究水泥配比、龄期以及冻融循环次数对水泥改良砂土强度与变形特性的影响，为水泥土加固路基在冻土区的使用提供理论参考.

1 实验材料与方案

1.1 实验材料

实验材料取自张家口市某基坑场地，土样呈黄色，土样基本物理性质及颗粒级配曲线如图1表1所示.

表1 土样基本物理性质

图1 砂土的颗粒集配曲线

由颗粒级配曲线可知：粒径大于2 mm的颗粒含量占总土重的31%，粒径大于0.5 mm的颗粒含量占总土重的51%，按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[13]分类法命名此砂土为粗砂土.

水泥采用金隅水泥厂生产的P.O.32.5级普通硅酸盐水泥，初凝时间120 min，终凝时间240 min，水采用自来水.

1.2 试件制备

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)[14]相关内容，选取Φ100×100的圆柱形试件，试验制备过程如下：

(1)将砂土过5 mm土壤筛，去除砂土中较大的石子颗粒，放入100 ℃的烘箱中烘干备用.

(2)通过击实试验，得到不同水泥配比的最大干密度和最优含水率如表2所示，采用相应的含水率制作水泥土试件.

表2 不同水泥配比的最优含水率和最大干密度

(3)将烘干土样分层喷水至最优含水率并放入密封袋中密封，以保证含水率均匀，24 h之后将土样与水泥混合并搅拌均匀，放入模具中，在压力机下静压成型.

(4)将试件脱模并用保鲜膜包裹后放入恒温恒湿养护箱中养护至相应龄期，之后进行无侧限抗压强度和冻融循环实验.

1.3 实验设计

1.3.1 无侧限抗压强度实验

在砂土中掺入体积比为11%、14%、17%、20%的水泥，以表2中不同水泥掺入比的最优含水率制样，压实度参考《公路路面基层施工技术细则》[15](JTG/TF20-2015)的相关内容选取压实度为95%，龄期为7d、14d、28d.其中每个配比做3个平行试件，测试结果取其平均值.

无侧限抗压强度实验采用微机控制万能试验机，加载方式为位移控制，速度为1 mm/min.实验过程如图2所示.

图2 无侧限抗压强度实验 图3 冻融循环实验

1.3.2 冻融循环实验

选取水泥掺量为11%、14%、17%、20%，压实度为95%，养护龄期为28 d.参考北方地区冻土的温度变化，设定冻结温度为-15 ℃，融化温度为20 ℃，冻融方式为气冻水溶.将水泥土试件放入高低温交变箱并设置循环周期为24 h，即冻结时间为12 h，融化时间为12 h，此为一次冻融循环，循环次数设置为0、3、6、9、15.到达循环次数后，将试件取出并称量其质量，之后用万能实验机测其抗压强度.其中每个配比做3个平行试件，测试结果取其平均值.实验过程如图3所示.

2 实验结果与分析

2.1 水泥掺量及龄期对水泥土抗压强度的影响

图4为水泥掺量与抗压强度的关系曲线图及抗压强度增长率，从图中可以看出，在不同养护龄期下，水泥土的抗压强度随水泥掺量的变化趋势基本相同，都是随着水泥掺量的增加而增加，但其强度增长率有所不同.对于龄期为7 d的水泥土，其抗压强度增长率随水泥掺量的增加而减小，分别为70.2%、25.3%和2.2%.而对于龄期14 d的水泥土，其抗压强度在水泥掺量11%到17%时的强度增长趋势随水泥掺量的增加而增加，在17%到20%时的抗压强度增长率呈下降趋势.对于龄期28 d的水泥土，其抗压强度增长率在本次研究的水泥掺量范围内均随水泥掺量的增加而增加.造成上述结果的原因是由于水泥土的强度主要来源于水泥的水化作用，当水泥掺在11%～14%时，水泥的水化作用使土颗粒之间的粘聚力不断增大，从而增加了水泥土的抗压强度.当水泥掺量在17%～20%时，水泥的水化作用还没有完全发挥，水化产物多以絮状和凝状物存在，并没有形成很坚硬的水泥石结构，从而使其强度基本没有增长[16]，这在龄期7 d时表现的十分明显.而对于龄期28 d的水泥土，其水泥水化作用时间较长，从而使高水泥掺量下水泥土强度迅速增长.总的来说，水泥掺量对水泥土强度的影响在不同龄期下有所不同，水泥掺量越大，水泥土在高龄期下的强度增长率越高.

图4 水泥掺量与抗压强度关系及其强度增长率

图5为水泥改良砂土龄期与抗压强度的关系曲线及强度增长率，从图中可以看出，不同水泥掺量的龄期-抗压强度曲线趋势基本一致，都是随着龄期的增加，水泥土抗压强度呈直线增加，同时也可以看出，水泥改良砂土在7 d～14 d的抗压强度增长率略大于14 d～28 d的抗压强度增长率，这说明水泥水化作用随龄期的增加呈减小的趋势，龄期对水泥土强度的影响在早期表现的更明显.

图5 养护龄期与抗压强度关系及其强度增长率

2.2 冻融循环对水泥土强度特性的影响

2.2.1 冻融循环对水泥改良砂土质量的影响

水泥改良砂土在经历冻融循环后的质量损失率计算如式(1)：

(1)

其中：Δmi为水泥改良砂土试件经历i次冻融循环后的质量损失率，m0为水泥改良砂土试件未经冻融循环时的质量，mi为水泥改良砂土试件在经历i次冻融循环后的质量.

图6为不同水泥掺量及不同冻融循环次数下水泥改良砂土的质量损失率，从图中可以看出，随着循环次数的增加，水泥改良砂土的质量损失率呈先增大减小的趋势，各水泥配比均在循环次数9次时达到最大值.同时可以看出，随着水泥掺量的增加，水泥改良砂土的质量损失率呈减小的趋势，例如在冻融循环次数为3次时，4种水泥配比下的强度损失分别为0.65%、0.45%、0.30%、0.04%.除此之外，当水泥掺量在17%～20%时，循环次数15次时水泥土试件质量损失率为负(即水泥土试件质量增加).造成上述现象的原因是因为水泥土在冻融循环作用下会发生冻胀、融沉等现象，从而造成水泥土质量的损失.但随着水泥掺量的增加，土体内部的粘结程度变大，水泥土试件的质量损失也会显著变小.总的来说，冻融循环会使水泥改良砂土的质量发生一定损失，但损失程度较小，此外，水泥掺量也会显著影响水泥改良砂土经冻融循环后的质量损失.

图6 水泥改良砂土质量损失率

2.2.2 冻融循环次数对水泥改良砂土强度特性影响

图7为水泥改良砂土冻融循环次数与无侧限抗压强度的关系曲线，从图中可以看出，水泥改良砂土在循环次数0到6次时，不同水泥掺量下的水泥土强度下降幅度明显，而在循环次数6次到9次时下降幅度减缓，在循环次数9次到15次时其强度基本保持平缓.同时也可以看出，当水泥掺量为11%到14%时，水泥土在不同循环次数下的强度损失较大，而在水泥掺量17%到20%时，不同循环次数下的水泥土强度损失较小，特别是循环次数9～15次时，高水泥掺量(17%～20%)下的水泥土强度反而有所上升.究其原因，这是因为水泥土试件在饱和状态下冻结后，其内部水分发生膨胀，进而挤压水泥土内部的毛细孔壁，当膨胀应力大于毛细孔壁的压应力时，就会使水泥土的孔隙增大，进而使水泥土内部形成许多微裂缝隙，当水泥土试件融化时，增大的孔隙又会使更多的水分子渗入，再次冻结时其内部孔隙会进一步增大.在经历多次冻融循环后，水泥土内部微小裂纹彼此连通，使水泥土试件发生表面脱落，产生裂缝等现象，进而降低了水泥土的抗压强度[17].

图7 水泥改良砂土冻融循环次数与抗压强度的关系曲线

2.2.3 强度损失率

水泥改良砂土在经历冻融循环后的强度率可由式(2)计算：

(2)

其中：Δfi为水泥改良砂土试件经历i次冻融循环后的强度损失率，f0为水泥改良砂土未经冻融循环时的无侧限抗压强度，fi为水泥改良砂土在经历i次冻融循环后的无侧限抗压强度.

图8为不同水泥掺量以及不同冻融循环次数下水泥土的强度损失率，从图中可以看出，在相同循环次数下，水泥掺量越高，其强度损失率就越低，例如在循环次数3次的情况下，四种配比的水泥土强度损失率分别为22.9%、16.8%、12.8%和12.7%.同时可以看出，在水泥掺量17%和20%情况下，不同循环次数的水泥土强度损失基本相同，列如在循环次数15次时，水泥掺量17%和20%的抗压强度损失率分别为16.2%和15.9%，强度损失率仅相差0.3%.此外，随着冻融循环次数的增加，水泥土的强度损失率均有所增加，例如在水泥掺量14%时，循环次数从3次到15次，其强度损失分别为16.8%、23.8%、27.2%，29.3%.同时可以看出，水泥掺量11%到14%的水泥土强度损失较大，水泥掺量17%到20%水泥土强度损失较小，综合考虑上述结论，可以得出水泥改良砂土在水泥掺量17%时抗冻效果较好且水泥掺量较经济，同时考虑到水泥掺量过大还会引起水泥土路面产生干缩和温缩现象，使水泥土产生裂缝，因此在考虑水泥土冻融耐久性时应选择水泥掺量14%～17%比较合理.

图8 不同循环次数下水泥改良砂土的强度损失率

2.2.4 冻融循环对水泥改良砂土应力应变的影响

为探究水泥改良砂土在经历冻融循环后的应力应变曲线特征，选取水泥配比17%时，不同冻融循环次数的应力应变曲线如图9所示，从图9可以看出，不同冻融循环次数下，水泥改良砂土的应力应变曲线为典型的应变软化型曲线，即应力随着应变的增加呈先增加后减小的趋势，试件破坏模式为脆性破坏，同时可以看出，水泥改良砂土在不同循环次数下，都存在一个峰值应力，使水泥改良砂土的强度最大.因此，可以把水泥改良砂土的应力应变曲线分为四个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性阶段及残余阶段.随着循环次数的增加，水泥土在弹性阶段的斜率呈下降趋势，在残余阶段的应力越来越小.同时可以看出，随着冻融循环次数的增加，水泥土到达峰值应力时的应变基本没有变化，这说明冻融循环对水泥改良砂土的应变影响不显著.

图9 不同循环次数下水泥改良砂土的应力应变曲线

3 结 论

本文通过无侧限抗压强度实验及冻融循环实验，探究了不同水泥掺量和不同龄期下水泥改良砂土抗压强度的变化规律以及冻融循环对水泥改良砂土力学特性的影响，得出如下结论：

(1)随着水泥掺量的增加，水泥改良砂土的无侧限抗压强度均有所提高，此外水泥掺量越大，水泥土在高龄期下的强度增长率越高.

(2)随着龄期的增加，水泥改良砂土的无侧限抗压强度基本呈线性增长，水泥改良砂土在7 d到14 d的强度增长率大于14 d到28 d的强度增长率，即龄期对水泥改良砂土抗压强度的影响在早期表现的比较明显.

(3)冻融循环会使水泥改良砂土试件的质量发生一定损失，但损失程度较小；水泥掺量越高，其质量损失率就越小.

(4)随着冻融循环次数的增加，不同水泥掺量的水泥改良砂土抗压强度呈曲线趋势减小，并且在一定循环次数后其强度基本保持平缓.综合考虑各水泥掺量的强度损失，得出水泥改良砂土在水泥掺量14%～17%时抗冻效果较好，且水泥掺量较经济.

(5)水泥改良砂土在不同循环次数下的应力应变曲线为应变软化型曲线.随着冻融循环次数的增加，水泥改良砂土的峰值应力不断减小，但其到达峰值应力时的应变基本没有变化.