寒区路基新型含赤泥固化剂改良土强度特性的研究

崔宏环 朱超杰 杨尚礼 胡淑旗

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾实验室，张家口 075000；2.河北建筑工程学院，张家口 075000)

0 引 言

赤泥亦称红泥，铝土矿提炼氧化铝后排出的工业固体废物，是一种碱性物质，它会随着雨水的冲淋溶解出碱从而污染地表水和地下水[1].目前大量的赤泥不能有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的影响[2]，在这种环境下，汪双清、朱建华[3]基于地质成岩作用原理和地球化学工程学方法，通过加入赤泥、煤矸石等多种工业废料改变土壤的化学性质促进物理结构的改善和力学性能的提高，设计加工而成的一种新型固化剂，最初称为土壤岩凝剂，后由公司生产改称土凝岩(后均称为土凝岩)，它是一种环保清洁固化剂，主要环保指标体现在使用DHT土凝岩每代替1万吨水泥的用量，将减少5200吨CO2气体的排放量；每代替1万吨石灰使用量，可减少8000吨CO2气体的排放量；每减少1万立方米的碎石用量，能够使约700平方米的植被得到保护.已有相关学者对土凝岩做了部分研究，其中裴国陆[4]对土凝岩力学性能进行了研究，得出土凝岩掺量在8%和10%时可以满足A、B级基层抗压强度要求.在季冻区的适用性方面，崔宏环等[5，6]将土凝岩改良土与水泥改良土进行对比研究，发现土凝岩改良土在季节性冻土区的干缩温缩性能性高于水泥改良土，在季冻区具有较好的适用性.

季冻区关于强度损失机理方面，郑郧等[7]所做的研究表明，冻融循环造成土体试件内部发生水分迁移，使土体的孔隙形态、颗粒排列等结构性要素发生显著改变.肖东辉，张泽等[8-9]通过对不同黄土的冻融循环发现冻融循环后土体的结构发生弱化，改变了黄土的原有骨架和结构，从而使强度和耐久性削弱.土凝岩的固土机理为：凝聚成型——化学结构调整——岩化三个阶段[2]，与岩石性质颇为相似.岩化作用是利用土凝岩中的凝岩成分与土体中的矿物形成聚合物，土壤与土凝岩混合接触后，在水和外力的作用下，发生化学反应与物理作用，使土凝岩中的胶联剂与土壤中的元素发生化学反应，形成以化学键链接的一种立体网状结构，随着时间的推移，化学键的调整使土壤凝聚体中的化学结构逐渐稳固，最终达到岩化作用.

周创兵、贾海梁[10-12]等，在分析多孔岩石冻融疲劳损伤模型时发现孔隙率增加是冻融循环对岩石造成的最直接损伤，并以孔隙率的变化为损伤指标建立了砂岩冻融循环损伤演化方程.张慧梅等[13]对孔隙结构进行了微观的分析，她利用CT扫描技术分析了红砂岩的冻融损伤，得出了损伤变量和名义承载体积与有效承载体积之间的关系.而经过冻融循环后，试件质量的增加量是对孔隙率变化的间接反应，本文对试件质量的变化规律展开分析.

众多研究表明，在季冻区路基强度损失的主要原因是冻融循环改变了土体的结构.因此本篇文章在前人的基础上，对新型固化剂土凝岩改良土试件冻融损伤数据进行研究分析，总结土凝岩改良土受冻融循环后的强度变化规律，分析其冻融耐久性，为新型路基固化剂土凝岩在寒区的普及运用提供理论依据与指导.

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用原土取自张小线K5+750-K7+520延边路基土，通过基础试验得出土壤的基本参数见表1，试验用水为张家口市自来水.

表1 试验土体基本物理指标

表2 不同掺量固化剂物理指标

1.2 试验方法

本文按照JTGE51-2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的试验方法进行实施，试件大小φ50mm×50mm的圆柱体抗压试件，保持与实际路基施工中压实度一致，本文控制试样压实度为95%，土凝岩和水泥掺量分别为4%、6%、8%、10%，采用标准养护条件养护，养护龄期分别为28d、90d，养护最后一天进行浸水养护，为模拟季冻区冻融循环最不利的影响，本试验冻融循环采用气冻水融的方法，这样做的目的是模拟最不利冻融循环所造成的损害，冻融循环次数设定为0、1、3、5、7、10、16次，冻结温度根据张家口当地气候条件选取-18℃，冻结12h后放入20±2℃的水中融化，融化12h止，达到冻融循环次数后进行无侧限抗压强度试验.每组试件设5个平行试件，当试件达到试验条件后进行加载，试验数据处理时运用了数理统计方法进行偏差分析，剔除异点后取平均值.

2 试验现象及结果分析

2.1 土凝岩改良土与水泥改良土的对比

由于土凝岩是一种新型固化剂，因此选择了相同配比的水泥改良土进行对比，对7d无侧限抗压强度及经历不同冻融循环次数的抗压强度进行分析.其中4%土凝岩掺量的改良土不能很好的满足实际使用要求，因此只用于下文预测验证，试验分析不再涉及.

通过图1可以看出，土凝岩改良土的无侧限抗压强度均高于水泥改良土，10%固化剂掺量的土凝岩改良土无侧限抗压强度已经达到了3.75MPa，要高于水泥改良土将近0.4MPa；7d无侧限抗压强度相差最小的为6%固化剂掺量的土凝岩改良土，强度仍高于水泥改良土0.13MPa，说明土凝岩改良土的7d无侧限抗压强度整体要优于水泥改良土，且二者均满足公路路基设计规范(JTGD30-2015)路基的填筑要求.

图1 水泥改良土与土凝岩改良土7d无侧限抗压强度对比

通过图2可以看出，土凝岩改良土在经历冻融循环后的强度变化与水泥改良土具有相同变化趋势，其中90d龄期10%固化剂掺量的土凝岩改良土与水泥改良土，在经历冻融循环前后强度相差较大达到1.68MPa.冻融循环前后抗压强度变化最小的为90d龄期固化剂掺量6%的改良土为0.95MPa.因此随着两种改良土固化剂掺量的增多，经历冻融循环后强度差值也随着增大.

(a)28天标养试件水泥改良土与土凝岩改良土经历冻融循环后强度对比

两种改良土在经历0-3次冻融循环时，土凝岩改良土的无侧限抗压强度要高于水泥改良土，而当冻融循环次数到达5次以后，土凝岩改良土无侧限抗压强度要低于水泥改良土，说明新型土凝岩固化剂在前期冻融循环时无侧限抗压强度要优于水泥改良土.

2.2 冻融循环对无侧限抗压强度的影响

通过上文的分析发现，新型固化剂土凝岩改良土无侧限抗压强度优于水泥改良土，虽然长期冻融性能低于水泥改良土，但依然能达到水泥改良土经历相同冻融后无侧限抗压强度的90%，因此有必要对土凝岩改良土展开分析.试验结果如表3所示：

表3 土凝岩改良土28d与90d的无侧限抗压强度

根据前人的研究中得到启发[14]，笔者根据无侧限抗压强度损失速率的快慢，将冻融循环造成的强度损失分为快速损失阶段及缓慢损失阶段，其中0～5次冻融循环为强度的快速损失阶段；5～15次冻融循环为缓慢损失阶段.

通过图3(a)可以看出，28天标准养护的试件经过冻融循环后，试件的无侧限抗压强度整体呈下降趋势，其中经历第1次冻融循环后，试件抗压强度下降的尤为明显，当冻融循环次数达到第5次时，无侧限抗压强度略有上升，但是总体趋势仍处于下降状态.原因分析：土凝岩的固化作用不是将土体颗粒胶结在一起，而是将土体颗粒固化成岩，属于岩化的一个过程.28d养护期间是岩化作用与冻融损伤对试件强度影响的博弈过程，前5次冻融造成的强度损伤要大于岩化的强度增强，因此，强度呈降低趋势，随着时间的增长岩化继续发生，对强度贡献值逐渐大于冻融损伤，所以强度开始有微上升现象.然而这个增长并不是持续的，如图3(b)养生90d岩化作用已经完成，不再随时间增加继续进行，因此没有出现强度增长的趋势.

(a)28天标准养护龄期关系图 (b)90天标准养护龄期关系图

2.3 冻融循环对质量增加量的影响

如图所示，6%土凝岩掺量的改良土经16次冻融循环后，试件表面产生轻微的脱落现象，当冻融循环次数小于16次时，试样表面无脱落现象，与8%、10%土凝岩掺量的改良土试件现象一致，均属于裂纹破坏模式，说明土凝岩改良土的水稳定性能较好，这是由于土凝岩改良土进行了岩化反应，性质与岩石有很大的相似性，出现了裂纹破坏.试件融化阶段在20℃温水中进行，试件内部经冻融循环产生的裂隙被水填充，试件内部质量将会增加，试件质量的增加量可以间接的反映试件内部孔隙变化的状况，因此本文采用试件质量的增加量这一指标表示试件内部经冻融循环的影响程度：

m增=m后-m前

(1)

式(1)中：m增为试件质量增加量，g；m后为试件冻融循环后的质量，g；m前为试件冻融循环前的质量，g.

通过图4可以看出，龄期28d的土凝岩掺量为8%和10%的土凝岩改良土试件，质量的增加量一直随着冻融循环次数的增加而增长，根据图5可以发现试样在经历干湿循环过程中试样的完整性并未遭到破坏说明质量变化是由于土凝岩改良土的冻融损伤引起的.6%、8%与10%土凝岩掺量的改良试件中，28d养护龄期的试件在冻融循环次数达到13次时，质量的增加量继续增大，而90d养护龄期试件的质量的增加量开始下降，这是因为龄期90d时土凝岩达到完全的岩化，随着时间的增加，岩化作用不再发生，冻融循环次数在13次时，土体结构达到了新的平衡，因此质量的增加量不再随冻融循环次数增加而增大；龄期28d的土凝岩改良试件，随着冻融循环次数(时间)的增加岩化反应继续发生，质量的增加量依然随冻融循环次数增加而增大.

(a)28天标养龄期关系曲线 (b)90天标养龄期关系曲线

(a)6%土凝岩掺量改良土试件经过3、7、15次冻融循环后的图像

3 两种固化剂改良土经历冻融循环后的强度预测

根据表3试验结果，对无侧限抗压强度p进行对数处理分析,并进行数据拟合，拟合公式为式2，结果见图6.

(a)龄期28d土凝岩改良土logρ拟合曲线 (b)龄期90d土凝岩改良土logρ拟合曲线

logρ=A+BN+CN2

(2)

式(2)中p为无侧限抗压强度，MPa；N为冻融循环次数，N；A、B、C为冻融循环相关拟合参数.

由图6(a)可以看出，土凝岩改良土试件在养护龄期为28d时，多项式拟合曲线效果较差，这是由于随着时间的增长，冻融循环次数的增加，土凝岩改良土内部岩化作用继续发生，导致土凝岩改良土强度出现增长的现象.因此本预测关系不适用于未完全岩化的改良土试件，28d养护龄期试件不再进行预测.图6(b)可以看出，logp与冻融循环次数之间有很好的拟合度，究其原因，土凝岩改良试件已经完全岩化，规律性较强，因此建议进行强度预测时采用完全岩化的土凝岩改良土.

(3)

式(3)中F为各个参数在掺量为C时的值；C′为参考掺量，本文取C′=10%土凝岩掺量，试验掺量的最大值，由表4可知3个参数的值，通过计算可得到模型参数与无量纲掺量比对应的模型参数比，如表5所示.

表4 90d养护龄期土凝岩改良土logρ拟合参数

表5 90d土凝岩养生龄期的模型参数无量纲比

基于表5中三种不同参数的关系，按照式(7)进行计算得出幂级数系数的计算结果见表5.

表6 90d养生龄期幂级数系数计算结果

可以根据上表中6%、8%、10%掺量土凝岩改良土各系数的计算结果，预测4%掺量改良土的各项指标对比如下图所示.

图7(a)可以看出，4%土凝岩掺量的强度指标的预测值与实际值较为接近，且(b)图通过观察预测值与实际值均匀分布在四十五度线附近，说明该预测公式有很好的适用性，为了说明预测方法的合理性，对水泥改良土也采用相同的方法预测冻融循环强度损伤作为对比.

(a)4%土凝岩掺量强度对比 (b)4%土凝岩掺量压强度对比

logρ=A+BN+CN2

(2)

图8 水泥改良土logρ与冻融循环次数拟合曲线

表7 90d养护龄期水泥改良土logρ拟合参数

表8 90d水泥改良土养生龄期的模型参数无量纲比

通过图9水泥改良土的预测对比发现，该方法有很好的的适用性，对土凝岩的预测较合理，可以实现有限的数据发挥最大的效应.特别说明的是，本文得出的预测公式对于28d养护龄期的土凝岩改良土适用性较差，可以很好的预测龄期90d的土凝岩各个掺量的改良土.

(a)4%水泥掺量强度对比 (b)4%水泥掺量强度对比

4 结 论

本文对新型固化剂土凝岩固化后的改良土进行冻融循环以及无侧限抗压强度试验，建立了可以预测经历不同冻融循环后强度及质量变化状况的预测方法，并对造成改良土强度损失的原因进行了分析，通过6%、8%和10%掺量的土凝岩改良土的数据得到计算参数，以4%土凝岩掺量改良土实验数据进行验证，又以水泥改良土强度预测作为对比，说明了该方法有较好的适用性，结合本文内容得出以下几点结论.

(1)土凝岩改良土的强度损失规律，可按照强度快速损失阶段和缓慢损失阶段分段进行分析，这样比较符合土凝岩的性质.

(2)经过和水泥改良土的对比发现，土凝岩改良土的7d无侧限抗压强度要明显优于水泥改良土.经历3次冻融之前的土凝岩改良土抗压强度要优于水泥改良土，而经历长期的冻融循环后的土凝岩改良土抗压强度要低于水泥改良土.因此建议在非季冻区或季冻区的临时性交通道路使用土凝岩改良路基较为经济.

(3)完全岩化的改良土，经冻融循环后，改良土的强度特征规律比较明显，因此当改良土中改良剂达到完全岩化或凝结硬化后，可以进行有效的强度预测.