煤渣改良路基填料冻融力学行为的机理分析

彭 成,莫 彪,傅中志,刘宵凌,胡泽源,李佳宝

(1.南华大学 土木工程学院，湖南 衡阳 421001;2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210000;3.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏 南京 210000)

0 引 言

红黏土是广泛分布在我国云贵高原、两湖两广等地区的一类特殊性土体[1]，在青藏地区也有分布。红黏土微观结构的基本结构单元可分为两类：一类是占绝对优势的复合多孔性单元，另一类是占少量的由铁质胶结或残余碎屑颗粒组成的刚性单元[2]。红黏土工程特性敏感、不稳定，易发生收缩开裂及强度劣化现象[1]，而又常在路基工程中充当路基填料使用，因此有必要对其进行改良优化。

同时，在青藏季节性冻土区路基路面施工中存在或长或短的冻胀及融化过程，土体在经历冻融后其内部孔隙结构会发生变化，从而导致其物理和力学性质发生相应的改变[3]。很多学者对各类土进行了冻融循环试验探究其物理及力学特性[4-7]，也有涉及红黏土的冻融循环作用后的物理力学性质影响试验研究[8]，但对于季冻区的改良土的研究还可以进一步加深。

此外，土体经历冻融过程中，土颗粒间的相对位置以及接触方式会发生变化，对于研究这种微观结构变化的各种新技术层出不穷。目前，通常采用的微观研究的试验方法有：CT扫描、核磁共振试验、扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)试验、X射线衍射、压汞测孔测试等等[9-14]。

综上所述，本研究旨在通过对煤渣改良路基填料开展冻融循环试验、常规三轴压缩试验(consolidation undrained triaxial test，CU)、电镜扫描以及微观定量分析,探究冻融循环作用下路基填料的力学特性及微观结构变化，期为季冻区的路基工程的设计、施工及运营提供参考依据。

1 试验方案

1.1 试样材料

试验选用的红黏土取自青藏地区某在建道路工程，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行室内物理试验测得其相关试验参数，如表1所示。

表1 红黏土物理性质Table 1 Physical properties of red clay

1.2 试验设备

试验过程用到的仪器设备如图1所示。

1.3 试样制备及试验步骤

首先，将取样回来的原状土2 mm筛分，与过5 mm筛的煤渣按质量分数为0%、5%、10%和15%混合，密封静置24 h后用三瓣饱和器分五层击实，每层从同一高度无初始速度锤击30下，逐层刮毛处理，并确保试样的密度相同，制作成标准试样。将制作好的试样放入保湿缸中养护7 d，尽可能的恢复其原状结构。测量试样的质量及几何尺寸，并记录，然后将试样用保鲜膜密封，并贴上标签，将试样放置在冻融循环测试机中开展冻融循环试验，温度控制在-20～20 ℃，温度从20 ℃下降到-20 ℃再上升到20 ℃为一次冻融循环，一次循环为24 h。冻融0、1、3、6和9次后取出试样再次测量质量、直径、高度、记录，然后进行100 kPa、150 kPa和200 kPa围压下的固结不排水试验(CU)，最后对试样进行电镜扫描试验以及图像分析。试验流程如图2所示。

图1 主要试验仪器Fig.1 Main test instruments

图2 试验流程图Fig.2 Experiment flowchart

1.4 试验方案

本试验主要研究冻融循环下煤渣改良路基填料的力学性能。共60个试样，按不同煤渣掺量分为4类，每类中3个试样为一组，分别进行0、1、3、6和9次冻融循环，而后将3个试样分别在100、150和200 kPa围压下进行固结不排水三轴试验(见表2)。

表2 常规三轴压缩试验的试验方案Table 2 Test protocol for conventional triaxial compression test

2 试验结果分析

2.1 三轴试验

2.1.1 应力应变曲线

图3显示了经历冻融循环下试样的应力-应变曲线。从图3(a)可以看出，随着煤渣掺量的增加，应力-应变曲线从弱应变软化型演变为弱应变硬化型，最终呈现强应变硬化型，这表明煤渣的掺入能够有效改良地基填料，改良效果与煤渣掺量呈正相关性。图3(b)选取了15%煤渣掺量冻融循环9次后的(n=9)应力应变曲线，可以看到不同围压下曲线的形态大致相同，随着围压的增大，试样的偏应力同样增大，曲线的初始增长阶段的速率也在提高，这表明围压大小对于土样的承载力有提升效果。如图3(c)所示，当围压与煤渣掺量相同时(w=10%，σ3=100 kPa)，不同冻融循环次数下的应力-应变曲线形状大致相似，但破坏应力明显降低(应变软化型曲线的破坏应力为峰值处应力值，而应变硬化型取ε=15%对应应力)。这意味着冻融循环作用对改良路基填料应力-应变曲线的形状影响有限，但对土样的破坏应力具有显著的衰减作用。

图3 冻融循环作用下改良路基填料的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of improved subgrade packing under freeze-thaw cycle

2.1.2 抗剪强度指标

根据应力应变曲线绘制了摩尔应力圆，得到了试样的黏聚力与内摩擦角如图4所示。从图4(a)可以看到，随着冻融次数的增加，试样的黏聚力一直在下降，冻融1、3次对试样的黏聚力影响最大，下降最快，冻融6次后，曲线趋于平稳；同时，随着煤渣掺量的增加,试样的黏聚力增大。这表明冻融循环作用对试样劣化作用明显，但是破坏程度有限，而煤渣的掺入对冻融循环的劣化作用有一定的改善。从图4(b)可知，冻融循环作用对试样的内摩擦角影响不明显，煤渣的掺入虽整体提高了试样的内摩擦角，但提高幅度较小。

图4 抗剪强度指标Fig.4 Shear strength index

2.2 SEM试验

2.2.1 不同放大倍数下试样的扫描电镜结果

将试验试样(w=5%)分别放大1 000、3 000、5 000、8 000、10 000和20 000倍得到扫描电镜图像，如图5所示。从图像可以看到，放大10 000倍的图像中试样的粗糙程度以及孔隙和裂缝信息最多、最明显，因此利用放大10 000倍的图像进行图像处理，提取所需信息进行定量分析；放大8 000倍的图像骨架结构更加全面，从而采取放大8 000倍图像进行定性分析。

图5 不同放大倍数下试样微观结构Fig.5 Microstructure of specimens at different magnifications

2.2.2 微观定性分析

从图6可以看出，随着冻融循环次数的增加，试样的内部孔隙以及结构发生了明显的变化。主要表现在土体颗粒间的黏结减弱，大块的块体减少，裂隙发育快，孔隙多而大；同时，其接触方式也发生了变化，接触形式由面-面接触形式逐渐过渡为边-面接触，最后发展为边-边或点-面接触的形式。究其原因，反复的冻胀和融缩过程导致试样内部颗粒间的咬合作用减弱，内部团簇体分解碎散化，颗粒间的间隙逐步增大，试样的整体性降低，试样的微观破坏越来越明显。

图6 不同冻融循环次数试样放大8 000倍电镜扫描图像(5%煤渣掺量)Fig.6 SEM images of specimens magnified 8 000 times for different freeze-thaw cycles (5% cinder admixture)

2.2.3 微观定量分析

采用自动分割法中的最大类间方差法对试样不同冻融循环次数下电镜扫描图像进行二值化(如图7)处理[15]，求取其最佳阈值分别为0.372 5、0.345 1、0.376 5、0.419 6和0.372 5；将处理后的图像导入图像处理(image pro plus，IPP)软件，着色、统计其孔隙面积、孔隙周长平面孔隙度等。统计结果如表3所示。

图7 图像二值化处理Fig.7 Image binarization

从表3可以看到，冻融循环作用对于微观结构的影响明显。随着冻融循环的增加，不论是总的孔隙面积、周长，还是最大的孔隙面积、周长、平面孔隙度都随之增大，从微观角度定量分析得出结论进一步验证了冻融循环作用下改良路基填料的力学特性规律。

表3 微观结构测量结果Table 3 Results of microstructural measurement

将平面孔隙度与冻融循环次数的数量关系绘图，如图8所示。可以看到，随着冻融循环次数的增加，平面的孔隙度也随之增大。冻融循环1次时，其增长程度最大，往后增长程度降低，冻融循环6次后，平面孔隙度增长程度趋于零。同时，对平面孔隙度的变化曲线进行非线性拟合，得到的拟合方程如式(1)。

φ=11.81+5.07×n-0.28×n2

(1)

式中：φ为平面孔隙度，n为冻融循环次数。

图8 不同冻融循环次数下的平面孔隙度变化拟合曲线Fig.8 Fitting curve of plane porosity change under different freeze-thaw cycles

3 结 论

以煤渣改良路基填料为研究对象，开展冻融循环试验与常规三轴压缩试验(CU),分析了煤渣改良路基填料在冻融循环下的力学性能；同时对试验后的试样进行电镜扫描试验以及图像分析，探寻了冻融循环作用对煤渣改良路基填料微观结构的影响，主要研究结果如下：

1)掺入煤渣能够有效改良路基填料，改良效果与煤渣掺量呈正相关性。

2)冻融循环次数对改良路基填料应力-应变曲线的形状影响不大，但对土样的破坏应力具有显著的衰减作用。

3)随着冻融循环次数的增加，土体颗粒间的黏结减弱，大块的块体减少，裂隙发育快，孔隙增大增多；随着冻融循环次数的增加，接触方式也发生了变化，部分接触形式由面-面接触形式逐渐过渡为边-面接触，最后发展为边-边或点-面接触的形式。

4)随着冻融循环次数的增加，不论是总的孔隙面积、周长，还是最大的孔隙面积、周长和平面孔隙度都增大。