冻融循环下引江济淮河道水泥改性膨胀土性能试验研究

赵永永

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 引言

膨胀土因其强度低、含水率和压缩性高等原因，容易造成安全隐患，甚至引发工程事故[1-2]。通过物理或化学手段对膨胀土进行改性，是提高其力学性质的有效手段[3-5]。

黄英豪等[6]采用相变材料改良膨胀土，对改良后膨胀土的冻融特性进行了研究。安爱军等[7]基于蒙内铁路工程存在的膨胀土进行改良，通过核磁共振和电镜扫描等手段对改良后膨胀土的微观结构进行了分析。巩齐齐等[8]通过崩解性砂岩对膨胀土进行改良，研究了改良后膨胀土的裂缝发展规律。庄心善等[9]对风化砂改良膨胀土的动力特性做了研究。张雁等[10]利用煤矸石对膨胀土进行改良，确定了最佳掺量，并对最佳掺量下的改良膨胀土的空隙特征值进行了测定。李国维等[11]对崩解性软岩改良膨胀土的可行性进行了研究，研究表明改良膨胀土的强度稳定性得到了提升。商拥辉等[12]通过数值手段研究了改良膨胀土路基的动力特性。董柏林等[13]利用大型固结仪研究了碎石改良膨胀土的力学特性，研究发现，掺入25%以上的碎石改良效果较好。

本文基于引江济淮工程实际，利用水泥对膨胀土进行改性，对素膨胀土和不同掺灰比的水泥改性膨胀土进行了冻融循环试验，研究了冻融循环作用对试样的含水率和体积的变化。在冻融循环过程中，通过无侧向压缩试验，对素膨胀土和不同掺灰比的水泥改性膨胀土的力学性质进行了研究。

2 试验准备

引江济淮工程(安徽段)在引江济巢段、江淮沟通段有超过100 km的河段分布有弱、中等膨胀潜势的膨胀土(岩)及少量崩解岩。水泥改性土换填是提高河道边坡稳定性最经济有效的方式之一。本文的试验对象为引江济淮工程安徽段膨胀土，通过水泥对膨胀土进行改性，对在冻融循环下水泥改性膨胀土的力学特性做了研究。

2.1 试样制备

试验所用的膨胀土来自引江济淮工程(安徽段)的引江济巢段施工工地，为中膨胀土，外观呈现棕黄色。表1为该膨胀土的基本物理指标。表2为该膨胀土的颗粒组成含量。水泥为普通硅酸盐水泥。

表1 膨胀土基本物理指标

表2 膨胀土颗粒组成含量 %

试验试样为圆柱形，具体制作步骤如下:(1)将土料取回经风干后进行筛分；(2)添加水泥，水泥与膨胀土质量的比值即为掺灰比，依据设定的掺灰比进行配置；(3)根据含水率的不同往试样中均匀加水，加水完成后在初凝开始前立即进行制样。试样分5层击实，压实度控制为90%。试样尺寸设置为高度120 mm，直径60 mm，制样完成后分组养护28 d。试验所用的试样数量为42个。

2.2 研究方案

依据相关研究和实际工程经验，水泥改性膨胀土的掺灰比设置3种，分别为4%、6%和8%，同掺灰比0%的素膨胀土进行冻融循环试验和无侧限抗压试验，以对比不同掺灰比水泥改性土与素膨胀土的力学性质差异，以及不同冻融循环次数对试样的影响情况。

试样养护完成后即可开始进行冻融循环试验。冻融循环模型试验装置的温度控制精度为±1℃，且在试验过程中可通过补水进行温度控制。对试样进行12次的冻融循环，一次循环过程为试验开始后先将试样放置在-10℃的环境中冻结12 h，之后再在常温条件下将试样融化12 h。

为了在变形测量过程中考虑到试样发生不均匀变形，沿试样高度设置5个断面进行试样的直径测量，设置2个垂直断面以测量试样高度，最后对测量结果进行平均。含水率的测定通过试验结束后对试样进行称重来计算。

冻融循环次数对试样力学特性的影响规律也是本研究的目的之一，通过无侧限压缩试验对冻融循环次数分别为 0、1、2、3、5、7、9 和 12 次的试样应力应变状态进行确定。无侧限压缩试验的控制方式选用应变控制，加载速率为1.5 mm/min。

3 结果与分析

3.1 冻融循环过程中的试样含水率变化

图1展示了在冻融循环过程中试样水分的损失情况。从图中可以看出，水分损失与冻融循环次数呈现正相关。随着循环次数的增加，各试样的水分损失逐渐增大，最大值不超过5%。在冻融循环次数相同时，水分损失率最大的为素膨胀土试样。在试验初期，三种水泥改性膨胀土的水分损失率较为接近，在试验末期，水分损失率从大到小的掺灰比依次为4%、6%和8%，这说明水泥能降低在冻融循环条件下膨胀土的水分损失，掺灰比越高，水分损失越小。

图1 冻融循环过程中试样的水分损失

3.2 冻融循环和对试样体积的影响

图2展示了冻融循环过程中各试样的体积变化情况。从图中可以看出，在冻融循环过程中，水泥对膨胀土的变形有抑制作用。未掺入水泥的膨胀土即素膨胀土试样的体积变化较大，在试验结束时，达到了2.5%左右，变化幅值在试验初期较大，后面趋于稳定，约为1.5%。相较于素膨胀土试样，掺入水泥的改性膨胀土的体积变化率较小，约为-1.5%～0.5%之间，水泥在冻融循环过程中对膨胀土的变形抑制效果显著，亦呈现出掺灰比越高体积变化率越小的一般性规律。这是由于，通过往膨胀土中掺入水泥后，土中含的水会与掺入的水泥两者之间会发生水化反应，使得土体由之前的离散状态逐渐演变为胶结状态，导致了土体性质的变化，降低了土体的胀缩特性，提高了强度。

图2 冻融循环过程中试样的体积变化

3.3 冻融循环条件下的水泥改性土力学特性

冻融循环在自然界中是一种常见的强风化作用，对土石结构的力学性质有着极大的影响。本文通过无侧限压缩试验，对不同循环次数下试样的力学参数进行了测定。

3.3.1 应力-应变曲线

图3展示了在冻融循环条件下素膨胀土和3种不同掺灰比的水泥改性土的应力应变曲线。从图中可以看出，土体应力应变曲线形式为“软化型”，通过不同掺量的水泥对膨胀土进行改性，均可以显著提高土体强度，但是与素膨胀土试样的应力应变曲线相比，改性土的塑性表现较差，这说明水泥在提高土体强度的同时，亦降低了其塑性。

图3 膨胀土应力-应变曲线

就同一试样而言，呈现出冻融循环次数增加而峰值应力减小的一般特征，且降低幅度在第一次循环之后最为明显，之后随着循环次数增加，峰值应力的降低幅度较小。就水泥改性膨胀土而言，如图3b、3c、3d所示，强度随着冻融循环次数增加的同时，其试样变形能力也逐渐提高，即曲线由“瘦高”向“矮胖”转变，虽然强度减少，但是随着应变的增加，应力降低没有冻融循环前来得那么快，这说明，冻融循环作用不仅降低了水泥改性膨胀土的强度，亦提升了其韧性。

3.3.2 无侧限抗压强度

将冻融循环作用后的试样无侧向抗压强度与其未受到冻融循环作用的初始强度比值定义为F，图4展示了在不同冻融循环次数下各试样的F变化情况。从图中可以看出，表现出随冻融循环次数增加而F值减小的一般性规律，且F的减小幅度在第一次冻融循环之后表现得最为明显，之后随着冻融循环次数的增加，F降低的幅度逐渐减小，最后趋于稳定。对比不同试样发现，掺入水泥能有效减缓冻融循环作用对无侧限抗压强度的影响，且随着掺灰比的增加，减缓作用越来越明显。这是由于掺灰比越大，即改性土试样中存在的水泥成分越多，土颗粒之间的胶结作用则会越明显，土体越牢固，受冻融循环的影响则越小。

图4 F随冻融循环次数的变化

3.3.3 弹性模量

将冻融循环作用后的试样应变为1%时的弹性模量与其未受到冻融循环作用的试样应变为1%时的初始弹性模量比值定义为Q，图5展示了在不同冻融循环次数下各试样的Q变化情况。从图中可以看出，表现出随冻融循环次数增加而Q值减小的一般性规律，且Q的减小幅度在第一次冻融循环之后表现得最为明显，之后随着冻融循环次数的增加，Q降低的幅度逐渐减小，最后趋于稳定。与素膨胀土试样相比，掺入水泥能有效减缓冻融循环作用对弹性模量的影响，且随着掺灰比的增加，减缓作用逐渐增加，但不同掺灰比下的弹性模量差异不是非常大。

图5 Q随冻融循环次数的变化

3.3.4 破坏应变

根据以上研究，膨胀土的应力应变曲线属于软化型曲线，在该曲线中，破坏应变则对应应力应变曲线中峰值轴应力所对应的轴向应变。图6展示了不同试样的破坏应变随冻融次数增加的变化情况。从图中可以看出，素膨胀土的破坏应变较高，且随着冻融循环次数的增加，其破坏应变呈现出先增大后减小最后趋于稳定的趋势。相对于素膨胀土试样而言，水泥改性膨胀土的破坏应变较小，且随着冻融循环次数的增加虽然略有波动，但变化不大。破坏应变与掺灰比呈现负相关趋势，掺灰比越大，破坏应变越低，这亦证明了前文的结论，往膨胀土中掺入水泥进行改性，在增大土体强度的同时，亦降低了其塑性。

图6 应变破坏随冻融循环次数的变化

4 结论

本文结合引江济淮工程的具体工程实际，通过水泥对膨胀土进行改性，对素膨胀土和不同掺灰比的水泥改性膨胀土进行了冻融循环试验，研究了冻融循环作用对试样的含水率和体积的变化。在冻融循环过程中，通过无侧向压缩试验，测定了素膨胀土和不同掺灰比的水泥改性膨胀土的力学性质。得出主要结论如下:

(1)在冻融循环过程中，试样的水分损失与冻融循环次数呈现正相关趋势，随着循环次数的增加，各试样的水分损失逐渐增大。通过掺入水泥，对在冻融循环过程中的试样水分损失和体积变化情况均有改善效果。

(2)冻融循环作用降低土体的强度的同时，增大了土体韧性，使其变形能力有所提高。

(3)通过不同掺量的水泥对膨胀土进行改性，均可以显著提高土体强度，但改性土的塑性表现较差，掺入的水泥量越多，破坏应变越小，掺入水泥在提高土体强度的同时，亦降低了塑性。

(4)掺入水泥能有效减缓冻融循环作用对土体无侧限抗压强度和弹性模量的影响，且随着掺灰比的增加，减缓作用越来越明显。