基于冻融作用的固化硫酸盐渍土-混凝土界面力学行为

丑亚玲， 原冰月

(1.兰州理工大学， 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室， 兰州 730050；2.兰州理工大学， 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 兰州 730050)

硫酸盐渍土在中国西北季节冻土区广泛分布，且会在工程中大量涉及。硫酸盐渍土具有盐胀、溶陷、腐蚀等不良工程性质，这些不良工程性质的存在，常会导致各种建(构)筑物产生相应的工程病害，如沉陷、开裂等[1-2]。尤其对于广泛分布着硫酸盐渍土的中国西北地区，其赋存状况复杂、治理困难等给工程识别及建设带来了极大的挑战[3-4]，该地区的工程项目如道路、机场等很多处于黄土状硫酸盐渍土地区，且大面积暴露于地表，由于受太阳辐射、蒸发蒸腾、降水、气温变化等气候因素的影响及人类工程活动的扰动[5-6]，浅层盐渍土的物理力学性质及工程行为对外界环境变化极其敏感且长期处在动态的变化之中。近年来，随着西部大开发战略的深入，大量工程在西部季节冻土区建造和运营，为了减少工程病害，往往对黄土状硫酸盐渍土进行固化处理。因此，研究固化盐渍土与结构物的相互作用迫在眉睫。

土与结构接触面问题是岩土工程的热点研究之一[7]。早期，国外学者通过室内外试验研究了土与结构接触面力学行为并通过理论推导建立了结构面接触模型[8-9]。中国研究者也在此研究方向上取得了突出的成果[10-11]。以上研究成果主要是针对融土与结构的相互作用的，近些年学者们逐渐开展了考虑冷生过程的土与结构接触面力学行为的研究。何鹏飞等[12-13]基于直剪试验，研究了冻土-混凝土界面冻结强度特征、形成机理及冻融作用对冻土-混凝土界面冻结强度及剪切行为的影响， 研究结果可用于模拟寒冷地区岩土工程结构的性能，如桩基、挡土墙、大坝等及带有混凝土衬里的灌溉渠道等。孙利成等[14]利用直剪试验研究了黏土与混凝土接触面的力学特性，发现在不同法向应力下，土体的含水率对接触面的力学特性影响较大。徐方等[15]进行了黏土-水泥土接触面直剪试验研究，研究发现随水泥土接触面粗糙程度的增加，接触面摩擦角增大，接触面黏聚力约等同于黏土黏聚力。成浩等[16]探究了颗粒粒径大小对接触面抗剪强度及强度参数的影响，发现随粗粒土土颗粒粒径的增大，抗剪强度增大，且增大土颗粒粒径对接触面表观黏聚力提高明显，而对接触面最大内摩擦角无明显作用。丑亚玲等[17]探究了冻融作用下氯盐渍土-结构接触面力学特性的变化，并建立了接触面界面力学模型。孙兆辉[18]通过直剪试验研究发现盐渍土与混凝土冻结接触面剪切破坏形状与盐渍土的类型、含量有关。俞长隆[19]认为盐渍土的含盐量增大时，接触面的冻结强度会降低，且氯化钠较硫酸钠而言，在冻结强度中的降低作用更明显。秦虎等[20]发现盐渍土本身及土-混凝土试样的抗剪强度在冻结条件下受到土体含盐量的作用，且对黏聚力的影响较内摩擦角更大。朱树顺[21]探究了硫酸盐渍土与混凝土块、钢块接触面力学性能在冻融次数及含盐量因素下的变化情况，在冻融次数一定时，接触面抗剪强度随着含盐量的增大表现出先减小后增大再减小的规律，不含盐时，硫酸盐渍土与混凝土块及钢块界面的抗剪强度随冻融循环次数的增加，表现为先增大后减小，而含盐时呈现出先增大后减小再增大的规律。以上研究成果较为丰富，但较多表现为盐渍土与结构界面特性研究，针对冻融作用下固化盐渍土与结构相互作用的研究较少，此外，冻融作用对不同材料基础(结构)-盐渍土界面特性也会产生不良影响，盐渍土体和结构物在共同承担外荷载时会产生一系列变形现象，乃至会使整个工程结构产生不可逆转的破坏，且固化土体与结构物接触面的力学行为是确定盐渍土地区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。因此，现利用直剪仪进行固化盐渍土与混凝土接触面在冻融条件下的试验研究，以望为相关地区工程修筑设计提供理论指导。

1 试验材料及方法

1.1 盐渍土及固化盐渍土的制备

本试验由过筛黄土与无水硫酸钠人工配置硫酸盐渍土，黄土基本性质参数见表1。试验前使用直径61.8 mm，高度20 mm的模具预先加工强度等级为C30的混凝土块，待养护完成后将表面粗糙度打磨一致。根据土体含盐量对盐渍土的分类标准，室内试验按含盐量分别配置：0(素土)、1%和2%(中盐渍土)、3%和5%(强盐渍土) 、7%(超盐渍土)，含盐量均为盐的质量与干土质量之比。通过重量法测得黄土中可溶盐含量极低，未进行洗盐处理，所以未配置弱盐渍土。固化剂采用石灰-硅灰、石灰-稻壳灰、石灰-粉煤灰。试验首先对含盐量分别为1%、2%、3%的盐渍土进行固化处理，研究不同固化剂的加固效果，然后对固化剂中的最优组合进行不同含盐量固化硫酸盐渍土-界面力学特性的研究。盐渍土的具体配制：①将试验所用的自然风干黄土碾碎，之后过0.5 mm孔筛，并测定初始含水率；②由初始含水率计算称量干土质量，同时称取一定的无水硫酸钠加入干土中，搅拌至两者混合，随后装入保鲜袋放到密封箱内，并放于阴凉处10 d促使土和盐分充分吸附；③放置时间结束后，向土样中加入足量蒸馏水，使其进一步充分混合，之后将硫酸土样在自然条件下风干；④风干完成后将土样碾碎过0.5 mm筛，再配置为17%含水率的土样(制样过程中考虑到水分的挥发，配置土样含水率略高于最优含水率)。试验所用不同含盐量的盐渍土均按以上步骤配置，配置好的硫酸盐渍土用保鲜袋密封保存。固化盐渍土配制：①取风干完成后的盐渍土加入拟定的石灰掺量以及蒸馏水，搅拌均匀后闷料24 h；②在制样前30 min内加入设定的硅灰掺量(稻壳灰和粉煤灰也采用同样的方法掺入)及蒸馏水，搅拌充分后制样，随后放入恒温恒湿养护箱中养护28 d。

表1 黄土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of loess

1.2 试验方法

为保证试样冻融循环结束后直接进行剪切试验，在剪切盒下盒放入完成打磨的混凝土块，其次将养护完成的固化土样用压实装置压入剪切盒中，以上步骤完成后将整个剪切盒用用保鲜膜多层包裹后放入冰箱进行冻融，在温度设定-20 ℃的冰箱中冻结12 h后放在室温(20～25 ℃)下融化12 h，为一次冻融循环。冻融循环次数设定为0、1、3、6、8、10次。

采用应变控制式直剪仪(ZJ型)进行直接剪切试验，在剪切试验进行的过程中依次施加100、200、300、400 kPa的竖向荷载及设定0.8 mm/min的剪切速率。

2 试验结果分析

2.1 不同固化剂对土体力学特性的影响

熟石灰的主要成分是Ca(OH)2。硅灰、稻壳灰以及粉煤灰中含有活性物质二氧化硅，石灰作为碱性激发剂的加入，土体会呈现出碱性环境，此时硅灰、稻壳灰及粉煤灰中含有的活性物质溶解，可与前者所含成分反应生成凝胶产物进而使土体强度提高。根据课题组前期研究成果：在改良硫酸盐渍土盐-冻胀特性方面，石灰-硅灰双掺改良效果远超单掺石灰和单掺硅灰改良[22]。因此，参考前期研究成果，采用双掺固化剂，即：固定石灰掺量5%，石灰与硅灰、粉煤灰及稻壳灰的比例控制为1∶2，即分别取5%石灰+10%硅灰、5%石灰+10%稻壳灰、5%石灰+10%粉煤灰(其中固化剂的掺灰量为固化剂材料的质量与干土质量之比)。由前文所述，取含盐量为1%、2%、3%的盐渍土来研究不同种类固化剂的固化效果，获取固化剂的最优组合方案，在此基础上进行冻融条件下固化盐渍土与混凝土块界面特性研究。

固化剂的加入可使土体的结构、化学组成及土颗粒之间的联结关系发生改变，剪切面的力学行为也随之受到影响。图1给出了含盐量为2%的盐渍土被不同固化剂固化后剪切面破坏特征。对比可以发现，固化剂为石灰-硅灰时，其剪切面粗糙程度相对于另外两种固化剂处于中间程度，石灰-粉煤灰固化土剪切面粗糙程度更光滑，石灰-稻壳灰剪切面粗糙程度更粗糙，在剪切时，粗糙程度过大或过小都更易于破坏。图2为不同固化剂对固化盐渍土剪应力与剪切位移的影响，不同含盐量下，石灰-硅灰作用下固化盐渍土在竖向荷载p不断增加的过程中，随剪切位移的增大峰值剪应力逐渐增大，曲线上表现为应变硬化特征，无明显的峰值剪应力。

图1 含盐量为2%的固化盐渍土直剪试样剪切破坏面Fig.1 Shear failure surface of direct shear specimen of solidified saline soil with salt content of 2%

图2 盐渍土及固化盐渍土在不同竖向荷载下剪应力-剪切位移曲线Fig.2 Shear stress shear displacement curve of saline soil and solidified saline soil under different vertical loads

固化1%盐渍土时，土体的剪切应力曲线为应变软化型，随竖向荷载的增大曲线上呈现出较明显的峰值应力，且应力应应变软化性能逐渐减小，竖向荷载达到400 kPa时两者的应力曲线表现为应变硬化特征，无明显的峰值剪应力。石灰-稻壳灰及石灰-粉煤灰固化2%盐渍土时在100、200 kPa有较为明显剪应力峰值，此时剪切应力曲线表现为应变软化特征，竖向荷载达到300 kPa及以上时，土体应力-应变曲线为应变硬化特征，无明显剪应力峰值，这与盐渍土的应力应变曲线类似。固化3%盐渍土时后两类固化剂也表现为应变硬化特征。在相同应变水平下，固化盐渍土的剪切应力明显大于不加固化剂盐渍土的剪切应力，且石灰-硅灰固化土的各竖向荷载的峰值剪应力比石灰-稻壳灰和石灰-粉煤灰固化土的大，表明石灰-硅灰固化效果较另外两种固化剂更好。这主要是由于石灰-硅灰改良盐渍土最明显的特征是土体中生成了较多的水化硅酸钙等胶凝物质，大部分孔隙和裂隙被微团粒和水化产物填充，土颗粒发育成团聚体，彼此镶嵌，整体性更强。表2为盐渍土和固化盐渍土在不同竖向荷载下的峰值剪切应力及剪切面黏聚力和内摩擦角。可以看出：

表2 盐渍土以及不同固化盐渍土峰值剪应力和抗剪强度指标Table 2 Peak shear stress and shear strength indexes of saline soil and different solidified saline soil

(1)盐渍土及固化盐渍土的峰值剪应力随着竖向荷载的增大而增大，与1%盐渍土黏聚力相比，石灰-硅灰、石灰-稻壳灰、石灰-粉煤灰作用下盐渍土黏聚力分别提高了16.5、-4、-18.5 kPa(固化后黏聚力出现负的增量可能是由于过量的稻壳灰及粉煤灰减弱了盐渍土颗粒之间的粘结)；与2%盐渍土黏聚力相比，石灰-硅灰、石灰-稻壳灰、石灰-粉煤灰作用下盐渍土黏聚力分别提高了48.5、24.5、13.5 kPa；与3%盐渍土黏聚力相比3类固化剂下盐渍土黏聚力依次提高71.5、51、37 kPa，相同条件下石灰-硅灰固化土的黏聚力最大。

(2)盐渍土的内摩擦角基本为28°～29°，而固化盐渍土的内摩擦角一般为33°～35°。与1%盐渍土相比，石灰-硅灰、石灰-稻壳灰、石灰-粉煤灰作用下盐渍土内摩擦角分别提高5.1°、5.5°、5.3°；3类固化剂下盐渍土内摩擦角相比于2%盐渍土下的依次提高5.3°、6.5°、6.1°；类似的与3%盐渍土比较，3类固化剂下盐渍土体内摩擦角依次提高7.1°、7.4°、6.9°。加入不同的固化剂使得盐渍土体的抗剪强度得到了提高，特别是在黏聚力的提高上较为显著，内摩擦角变化不大。

加入石灰-稻壳灰及石灰-粉煤灰后盐渍土体的强度指标与峰值应力均低于石灰-硅灰固化土的对应值，因此选用5%石灰与10%硅灰双掺作为固化剂来进行硫酸盐渍土与混凝土块接触面的试验研究。

2.2 冻融对固化硫酸盐渍土-混凝土接触面强度参数的影响

固化硫酸盐渍土-混凝土块界面在经历冻融作用后，接触面颗粒的联结作用会发生改变，进而影响接触面处的力学行为。图3为不同含盐量下固化盐渍土-混凝土块界面黏聚力和内摩擦角随冻融次数的变化。

图3 冻融次数对界面强度参数影响Fig.3 Effect of freezing and thawing times on interface strength parameters

随不断增加的冻融循环次数，不同含盐量下固化土-混凝土界面内摩擦角表现出先增大后减小再增大的变化规律[23]。先增大是由于硅灰、石灰加入盐渍土后改变了土体颗粒级配同时经历首次冻融后土体体积会发生一定的膨胀，对混凝土块表面会有压实作用，从而导致内摩擦角增大，随冻融次数的不断增加土体的孔隙结构会而发生变化，即会把一部分大粒径分解为小粒径，同时受土体中水分迁移的影响土体内部结构会发生改变及土颗粒重分布[24]，降低土颗粒骨架之间的联结作用，降低了土体与混凝土块接触面的滑动摩擦力，同时土体中会因部分结晶盐的存在，出现盐胀情况，密实度会有所降低，所以其值也会变小。随着冻融循环次数继续增加，其接触面内摩擦角再次增大，是由于在多次冻融作用下会因土体中结晶盐的析出及较多碎屑物质的存在使土体之间的摩擦力在一定程度上得到了增强。不同含盐量下固化土-混凝土块界面黏聚力随冻融次数的增加表现出逐渐减小的变化规律， 这缘于冻融次数的不断增加土体密实度因冻胀作用逐渐降低，进而导致接触面其值的减小。

图4为冻融作用下5%石灰+10%硅灰固化土-混凝土块界面黏聚力及内摩擦角随含盐量的变化，不同冻融次数下固化土-混凝土接触面的内摩擦角随着土体含盐量的增大呈现出先增大后减小的变化规律。这是缘于硅灰中含大量活性SiO2，石灰作为碱性激发剂的加入，当盐渍土中的石灰和硅灰接触后，SiO2可与Ca(OH)2发生水化反应生成凝胶物质，同时硫酸根离子可与水化产物生成的胶凝物质结合生成钙矾石晶体，从而土体结构间接触连结，摩擦角增大；随含盐量的继续增加土体会因较多盐分的存在而发生盐胀现象，界面内摩擦角会随之降低，在不同冻融次数下，界面内摩擦角含盐量阈值为3%，如图4(a)所示，由此可见，仅就界面内摩擦角而言，5%石灰与10%硅灰双掺对3%含盐量硫酸盐渍土的改良效果较好。

在不同冻融循环次数下接触面黏聚力随着含盐量的增加，也呈现出先增加后减小的变化规律[图4(b)]，含盐量阈值为2%，此规律的出现是因为石灰中的钙离子、镁离子可与土中的钾离子、钠离子发生交换，土颗粒表面吸附的水膜变薄，电位降低，颗粒之间更加紧密结合，加强了固化土的凝聚结构，土体更加密实；但随着盐渍土含盐量增大，使土中多余的钾、钠离子等游离于盐渍土中，从而导致土的松散。同样的，仅就界面黏聚力而言，5%石灰与10%硅灰双掺对含盐量为2%的硫酸盐渍土改良效果较好。

图4 含盐量对界面强度参数影响Fig.4 Effect of salt content on interface strength parameters

2.3 冻融作用对接触面剪应力与相对剪切位移的影响

接触面间的咬合力能够带动周围土体产生剪切错动带[25]，为使固化盐渍土与接触面之间具有咬合力，故将试验所用的混凝土块一致打磨粗糙。以含水量17%、含盐量为3%的固化硫酸盐渍土-混凝土试样在不同冻融次数及竖向荷载下的剪应力-剪切位移曲线为例。

图5给出了不同竖向荷载下，含盐量为3%的固化盐渍土-混凝土接触面经历不同冻融次数后的应力-位移曲线，整体呈非线性变化。冻融作用下，接触面剪应力-位移曲线可分为四个阶段：①线弹性变形阶段：在试验剪切的初始阶段，剪应力与位移成正比；②强化阶段：接触面强度随剪切位移的增加不断增大，直到剪切强度达到峰值；③软化阶段：当接触面抗剪强度达到峰值后，接触面的剪应力随剪切位移的增大开始逐渐减小；④流动阶段：最终接触面剪应力为残余应力，接触面强度达到残余强度，接触面剪应力随剪切位移的不断增大而不再发生改变，致使接触面最终发生剪切破坏。

图5 17%含水率、3%含盐量固化土-混凝土块界面在不同法向应力下的剪应力-剪切位移曲线Fig.5 Shear stress shear displacement curve of solidified soil concrete block interface with 17% water content and 3% salt content under different normal stresses

图6为不同竖向荷载下，含盐量为3%的固化盐渍土-混凝土接触面峰值剪应力与冻融次数的关系曲线，从图可知：经历一次冻融后，峰值剪应力有所增大，主要是由于首次冻融作用增强了土体与混凝土块之间的接触，结合图3内摩擦角、黏聚力随冻融次数的变化规律，根据抗剪强度理论，固化盐渍土-混凝土接触面峰值强度随冻融次数的增加，呈现出先增大后减小再趋于稳定的变化规律。

图6 冻融次数对峰值剪应力的影响Fig.6 Effect of freezing and thawing times on peak stress

3 结论

(1)3类固化剂对于盐渍土体抗剪强度的提高主要体现在黏聚力方面，内摩擦角的变化幅度并不大，且石灰-硅灰固化效果较石灰-粉煤灰及石灰-稻壳灰的固化效果要显著。

(2)石灰-硅灰固化硫酸盐渍土与混凝土界面内摩擦角随着冻融循环次数的增加先增大后减小再增大，黏聚力随着冻融次数的增加逐渐减小；在相同的冻融次数下，接触面的内摩擦角及黏聚力均随着含盐量的增大先增大后减小，含盐量阈值分别为3%及2%，即：在本试验范围内5%石灰+10%硅灰对含盐量为2%～3%的硫酸盐渍土改良效果最好。

(3)冻融作用下石灰-硅灰固化土与混凝土块接触面剪应力-剪切位移分为线弹性变形阶段、强化阶段、软化阶段和流动阶段。随冻融次数的增加，界面峰值强度呈现出的变化趋势为：先增大后减少再逐渐趋于稳定。