自密实固化土的冻融循环力学特性试验研究

邵应峰， 周云东， 黄安国， 王 响， 高玉峰

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098； 2.河海大学土木与交通学院，南京 210098）

自密实固化土是利用沟槽、基坑开挖产生的废弃土作为原料，再掺入一定比例的固化剂和水，经充分拌合后形成的具有高流动性及自密实性能的一种填筑材料，它既可作为道路路基材料用于路基工程中，还可用于各类沟槽、基坑的回填和地基加固处理中. 利用自密实固化土进行实际工程建设具有以下几个优点：可对废弃土进行资源化利用，减少废弃土的外运，降低能源消耗与工程造价，体现了低碳理念；采用无扬尘的湿法施工，降低了对环境的污染；仅靠自身重力即可在狭小和异形的空间中保证填筑体的均匀密实，且在填筑过程中无须振捣，不仅可减少噪音对环境的影响，还可缩短工期；在低水泥掺量下仍具有较高的强度，大幅提高了填筑质量.

季节性冻土在我国分布广泛［1］，季节性冻土一般会在冬季冻结、夏季全部融化，土体每年至少要经历一次冻融循环，而土中水分发生冻结和融化后会导致土体原有的物理力学性质发生改变，最终会影响土体的安全性和耐久性［2-4］. 因此，众多学者［5-8］展开了关于冻融循环后土体力学特性的试验研究. 谈云志等［9］通过试验探究了冻融循环对不同初始含水率和初始压实度的改良粉土强度及孔隙结构的影响规律. 王天亮等［10］通过试验探究了冻融循环次数对水泥改良土和石灰改良土的强度和应力-应变关系的影响. 陈四利等［11］通过试验探究了冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度及渗透系数的影响. 侯淑鹏等［12］通过试验分析了不同冻融循环次数后水泥土试样的单轴抗压强度和质量的变化，并探讨了冻融循环条件下水泥土的损伤劣化机制. 张淑玲等［13］对粉煤灰土和水泥土在冻融循环作用下的力学特性变化规律进行了对比研究. 郑旭等［14］对MgO 碳化固化土与水泥固化土在冻融循环作用下的物理特性与力学特性变化规律进行了对比研究.赵振亚等［15］通过试验分析了冻融循环对水泥红黏土强度和应力-应变关系的影响. 陈四利等［16］通过试验探究了水泥土的抗压强度和疲劳寿命随冻融循环次数、水泥掺量的变化规律. 张经双和段雪雷［17］通过试验探究了冻融循环对水泥土损伤特性和能量耗散的影响. 崔宏环等［18］通过试验探究了冻融循环次数对不同养护龄期的水泥改良土力学性能的影响规律.

综合来看，目前鲜有学者对自密实固化土的冻融循环力学特性进行研究. 为了提高自密实固化土的流动性，自密实固化土的掺水率往往较高，若在季节性冻土区利用自密实固化土进行工程建设，冻融循环将是影响其长期性能的重要因素之一，故研究自密实固化土的冻融循环力学特性对于其耐久性的评价及推广应用非常重要. 鉴于此，本研究通过室内试验分析了不同流动度、不同水泥掺量的自密实固化土在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度，并建立了自密实固化土的冻融循环强度损伤模型，以便于根据实际工程中流动度、强度、极限冻融循环条件的要求对自密实固化土进行配合比设计.

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

原料土取自江苏省南通市的某工程现场，属于粉质黏土. 原料土的基本物理力学性质见表1.

表1 原料土的基本物理力学性质Tab.1 Basic physical and mechanical properties of raw soil

试验使用的固化剂为P·O42.5型号水泥，该水泥的部分性能检测结果见表2.

表2 水泥的部分性能检测结果Tab.2 Test results of some properties of cement

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

流动度是衡量自密实固化土流动性的物理指标，随着掺水率的增大而增大，故通过调节掺水率可控制自密实固化土的流动度. 为了研究冻融循环对不同流动度、不同水泥掺量的自密实固化土无侧限抗压强度的影响，需先制备水泥掺量分别为10%、12.5%、15%、18%、22%，掺水率分别为50%、52%、54.5%、55%、55.5%、56%、57%、58%、60%的自密实固化土试样，然后根据试验内容从中选取几组不同配合比的自密实固化土试样进行冻融循环试验. 本研究中，水泥掺量指的是自密实固化土中水泥的质量占烘干的原料土质量的百分比，掺水率指的是自密实固化土中水的质量占烘干的原料土质量的百分比. 自密实固化土试样的编号为Cx-Fy，其中x、y分别代表了该自密实固化土试样中的水泥掺量和流动度，例如水泥掺量为15%、流动度为160 mm的自密实固化土试样的编号为C15-F160.

1.2.2 试样的制备及养护

首先将取回的原料土样进行烘干处理，按照设计的配合比将烘干的原料土、水、水泥搅拌均匀并测定混合料的流动度，再将试样装入直径为50 mm、高为100 mm 的模具中，将装有试样的模具放入养护箱中养护24 h后取出拆模，检查自密实固化土试样的完整性. 然后将自密实固化土试样重新放入养护箱中继续养护，到规定龄期（28 d）后进行冻融循环试验. 养护箱设置为标准养护环境：温度（20±2）℃，湿度95%.

1.2.3 冻融循环试验方法

目前国内还没有关于自密实固化土冻融循环试验的规范，本研究是在参照文献［19］的基础上开展冻融循环试验的，具体方法如下：首先将养护至28 d的自密实固化土试样密封后放入-15 ℃的低温试验箱中冷冻12 h，再将自密实固化土试样放入20 ℃的养护箱中融化12 h，此即一个冻融循环周期，如此反复，分别对自密实固化土试样进行0、3、6、10次的冻融循环，最后取出不同冻融循环次数下自密实固化土的试样并测定其无侧限抗压强度，同时根据公式（1）计算经过不同冻融循环次数后的自密实固化土试样的强度衰减率α.

式中：α为强度衰减率，%；q0为冻融循环前试样的无侧限抗压强度，kPa；qn为经n次冻融循环后试样的无侧限抗压强度，kPa.

1.2.4 流动度及无侧限抗压强度的测定方法

测定自密实固化土流动度的具体方法为：首先将搅拌均匀的自密实固化土缓慢装入内径为80 mm、净高为80 mm的空心圆筒中并填满，然后将圆筒垂直向上缓慢提起，令自密实固化土自由流动1 min，再用直尺测量自密实固化土相互垂直两个方向的最大水平直径，取其平均值作为自密实固化土的流动度.

采用万能试验机测定自密实固化土的无侧限抗压强度，选用应变控制模式，加载速率为1 mm/min.

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环次数与不同配合比的自密实固化土强度衰减率的关系

随机选取6 组不同配合比的自密实固化土试样（C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165）进行冻融循环试验，并计算每组试样经过不同冻融循环次数后的强度衰减率α，同时利用幂函数分别对这6组试样在不同冻融循环次数下的强度衰减率进行非线性拟合，结果如图1所示. 由图1可知，试样C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165 在经历10 次冻融循环作用后的强度衰减率分别为11.95%、12.75%、18.88%、21.99%、24.30%、35.04%，这说明在相同冻融循环条件下，不同配合比的自密实固化土的极限冻融循环次数是不同的. 从图1中的拟合曲线可以看出，6组试样在不同冻融循环次数下的强度衰减率拟合曲线的斜率均为正值且斜率在逐渐减小，这说明随着冻融循环次数的增加，这6组试样的强度衰减率均逐渐增大，但是强度衰减率的增加幅度在逐渐减小，由此可以说明，随着冻融循环次数的增加，冻融循环对自密实固化土无侧限抗压强度的影响程度在逐渐减小.

图1 冻融循环次数与不同配合比的自密实固化土强度衰减率的关系Fig.1 Relationship between the freeze-thaw cycle times and the strength decay rates of self compacting solidified soils with different mix ratios

2.2 冻融循环对不同流动度的自密实固化土无侧限抗压强度的影响

为了研究冻融循环对不同流动度的自密实固化土无侧限抗压强度的影响，对水泥掺量均为12.5%，流动度分别为124、165、235 mm的3组自密实固化土试样进行冻融循环试验，并计算每组试样经过不同冻融循环次数后的强度衰减率，结果如图2 所示. 由图2 可以看出，自密实固化土试样C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235经历3次冻融循环作用后的强度衰减率分别为7.99%、8.12%、17.54%，经历6次冻融循环作用后的强度衰减率分别为8.88%、10.50%、16.87%，经历10 次冻融循环作用后的强度衰减率分别为11.95%、12.75%、17.43%. 以上结果表明，在相同的水泥掺量和冻融循环次数条件下，自密实固化土试样的强度衰减率随着流动度的增加而增加，即流动度越高，冻融循环对自密实固化土的影响越大. 分析原因可能是：一方面是因为流动度越高，自密实固化土的孔隙水含量就越高，在受到冷冻作用时，孔隙水因结冰而体积变大，进而会破坏自密实固化土的孔隙，使自密实固化土的结构受到更大的损伤；另一方面是因为在相同的水泥掺量条件下，自密实固化土的无侧限抗压强度会随着流动度的增大而减小，所以其抵抗冻融循环破坏的能力会随着流动度的增大而减小. 因此，为保证自密实固化土在季节性冻土区的长期性能，在对其进行配合比设计时，建议不要选择过高的流动度，以尽量避免由过高的流动度导致的冻融损伤.

图2 冻融循环对不同流动度的自密实固化土无侧限抗压强度的影响Fig.2 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different fluidity

2.3 冻融循环对不同水泥掺量的自密实固化土无侧限抗压强度的影响

为了研究冻融循环对不同水泥掺量的自密实固化土无侧限抗压强度的影响，对流动度均为165 mm，水泥掺量分别为10%、12.5%、15%、18%、22%的5组自密实固化土试样进行冻融循环试验，并计算每组试样经过不同冻融循环次数后的强度衰减率，结果如图3 所示. 由图3 可以看出，自密实固化土试样C10-F165、C12.5-F165、C15-F165、C18-F165、C22-F165经历3次冻融循环作用后的强度衰减率分别为11.06%、8.15%、10.25%、8.31%、15.56%，经历6 次冻融循环作用后的强度衰减率分别为17.53%、10.50%、15.86%、18.66%、28.80%，经历10次冻融循环作用后的强度衰减率分别为21.99%、12.75%、18.89%、24.30%、35.04%. 以上结果表明，在相同的流动度和冻融循环次数条件下，自密实固化土的强度衰减率随着水泥掺量的增加先减小后增大，并且当水泥掺量为12.5%时，自密实固化土的强度衰减率最小. 出现上述现象的原因可能是：在流动度相同的条件下，自密实固化土的无侧限抗压强度和密实程度均会随着水泥掺量的增大而增大，但其孔隙率则会随之减小［20］，所以在水泥掺量较低的情况下，自密实固化土抵抗冻融循环破坏的能力会随着水泥掺量的增大而增大，但当水泥掺量增大到一定程度时，自密实固化土的孔隙率因变得过小而导致其无法适应孔隙水结冰时的体积变化，进而会导致其产生更大的冻融破坏. 因此，为保证自密实固化土在季节性冻土区的长期性能，在对其进行配合比设计时，建议采用的水泥掺量为12.5%.

图3 冻融循环对不同水泥掺量的自密实固化土无侧限抗压强度的影响Fig.3 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different cement contents

3 自密实固化土的力学模型

为给应用在季节性冻土区的自密实固化土的配合比设计提供参考，在以上试验结果的基础上，分别构建了自密实固化土的无侧限抗压强度模型和冻融循环强度损伤模型.

3.1 自密实固化土的无侧限抗压强度模型

将水泥掺量分别为10%、12.5%、15%，掺水率分别为50%、52%、55%、58%、60%的15组自密实固化土试样的无侧限抗压强度值进行多元非线性曲面拟合，可以得到自密实固化土的无侧限抗压强度模型，结果如公式（2）和图4所示.

图4 自密实固化土的无侧限抗压强度模型图Fig.4 Model diagram of unconfined compressive strength of self-compacting solidified soil

式中：z为自密实固化土养护28 d 后的无侧限抗压强度，kPa；x为水泥掺量，%；y为掺水率，%. 依靠该模型，可以根据实际工程的需求，为在不同的水泥掺量条件下需达到某一特定无侧限抗压强度的自密实固化土的配合比设计提供参考.

3.2 自密实固化土的冻融循环强度损伤模型

将C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165这9组不同初始强度的自密实固化土试样经过0、3、6、10次冻融循环后的强度衰减率进行非线性曲面拟合，可以得到自密实固化土的冻融循环强度衰减率模型，结果如公式（3）所示.

式中：z为自密实固化土经历x次冻融循环后的强度衰减率，%；x为冻融循环次数，次；y为初始强度，kPa.参照混凝土耐久性试验标准，以25%的强度衰减率作为极限冻融条件，依靠该模型可预测不同初始强度的自密实固化土的临界冻融循环次数.

将C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165这9组不同初始强度的自密实固化土试样经过0、3、6、10次冻融循环后的无侧限抗压强度值进行非线性曲面拟合，可以得到自密实固化土的冻融循环强度损伤模型，结果如公式（4）和图5所示.式中：z为自密实固化土经历y次冻融循环后的无侧限抗压强度，kPa；x为初始强度，kPa；y为冻融循环次数，次. 依靠该模型，可以根据实际工程的需求，为在不同的冻融循环次数下需达到某一特定无侧限抗压强度的自密实固化土的配合比设计提供参考.

图5 自密实固化土的冻融循环强度损伤模型图Fig.5 Freeze-thaw cycle strength damage model of self-compacting solidified soil

4 结论

通过试验研究了冻融循环对不同流动度、不同水泥掺量的自密实固化土无侧限抗压强度的影响，得到以下结论：

1）随着冻融循环次数的增加，冻融循环对自密实固化土无侧限抗压强度的影响程度在逐渐减小.

2）相同的冻融循环次数和水泥掺量的条件下，自密实固化土抵抗冻融循环破坏的能力随着流动度的增大而减小.

3）相同的冻融循环次数和流动度条件下，自密实固化土抵抗冻融循环破坏的能力随着水泥掺量的增大呈先增强后减弱的趋势，当水泥掺量为12.5%时，自密实固化土抵抗冻融循环破坏的能力最强.

4）构建了自密实固化土的冻融循环强度损伤模型，根据该模型可为不同冻融循环次数下需达到某一特定无侧限抗压强度的自密实固化土的配合比设计提供参考.