凍融對AS型固化劑改良土工程特性的影響

王天亮，張麗玲，劉堯軍，卜建清

（1.石家莊鐵道大學a.土木工程學院；b.道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊050043；2.天大卓然設計院，石家莊050040）

土壤固化劑是在常溫下能夠直接膠結土壤顆粒表面或能夠與粘土礦物反應生成膠凝物質的土壤硬化劑。由于其具有較高性價比、高效低耗以及節約能源的特性，被廣泛應用于道路基層［1－2］、渠道防滲［3］和水利工程［4］等領域。國外在固化劑的應用和研究方面已趨于成熟，研究對象包括各種水泥和石灰添加劑［5－6］、廢物再利用［7］、新型土壤固化劑［8］。中國對固化劑的應用起步較晚，固化劑多以引進為主［2，9－10］，但是由于氣候與土壤條件以及依據的技術規范不同，多數液體固化劑不能直接使用［11］，影響了土壤固化劑的進一步推廣。因此，確定固化劑的使用條件、應用方法以及地域適用性是非常有必要的。

由于季節性凍土地區特殊的氣候環境，該地區的土壤表現出獨特的性質，給公路、鐵路等工程建設帶來不利的影響，在路基土中加入土壤固化劑來改善其抗凍性，對實際應用具有重要的意義。筆者以高液限黏性土為研究對象，研究了凍融后AS型固化劑改良土的靜動力特性，探討了土壤固化劑的抗凍融耐久性。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

1.1.1 土樣的物理性質 土樣取自哈大客運專線鞍山某土料堆填場，根據《土工試驗規程》（GB／T 50123－1999）中的有關要求，對土樣進行了顆粒粒徑分析、液塑限測定及擊實試驗，將其定為高液限黏性土質。液限48.6%，塑限21.5%，塑性指數27.1，最優含水率18.1%，最大干密度為1.80g／cm3。其顆粒粒徑分析見圖1。

圖1 素土顆粒粒徑分布曲線

1.1.2 AS型土壤固化劑 Aught－Set（奧特賽特）土壤固化劑是以水泥基為基礎的由大量無機材料（水泥熟料、粉煤灰、礦渣、石膏、石灰、鐵渣、硫酸鋁鉀、硅酸鈉、氟化鈉、碳酸鈉等以及能與土壤活性物質起反應的氧化鎂、氯化鈣、氯化鐵、明礬、磷酸等）和有機材料（如檸檬酸、聚丙烯酰胺、三乙醇胺等）混合而成的膠凝性材料，即該土壤固化劑由固體固化劑和液體固化劑2種材料組成。

1.2 試樣制備

當配制土樣時，先將固體固化劑按摻入比3%的量加入土中拌合均勻待用。然后將液體固化劑按照1：200的比例放入所需的水中，攪拌均勻。最后將經過稀釋后的固化劑水溶液摻入到混合料中，拌合均勻，悶料2～4h后便可以開始制備試樣。按照試驗規程，所有三軸試樣均按95%的壓實度控制干密度，利用三瓣飽和器分5層擊實而成，試樣高度H＝80mm，直徑D＝39.1mm，含水量為19.31%，放在保濕缸中進行常溫養護。

1.3 試樣方法

待試樣養護完成后，進行室內凍融循環試驗。參照季節性凍土區的溫度變化，采用5組凍融循環溫度，即冷卻溫度Tc分別為－20、－15、－10、－5和－2℃，融化溫度均為15℃。為防止凍融過程中試樣水分損失，將每個試樣用塑料薄膜封閉好后放于凍融箱內，冷卻時在恒溫冷凍箱內養護12h，融化時在5℃的恒溫箱中養護12h，此過程為一個凍融循環周期。凍融循環周期次數Nft為0、1、3、6、10次，前期研究表明8～12次循環就可以滿足研究凍融對強度等力學性質影響的要求［12］。達到凍融循環周期次數后取出部分試樣進行試驗，剩余試樣繼續做凍融循環試驗。

試驗分別在MTS810土動三軸儀和GDS非飽和土三軸儀上進行。MTS810土動三軸儀采用應力控制式單循環加載方式，振動頻率f＝4Hz，動荷載以半正弦波的形式輸入，最小動應力幅值從250kPa逐步提高，直至達到使試樣破壞的動應力，圍壓為20kPa；GDS非飽和土三軸儀為應變控制式，進行無側限抗壓強度試驗和常規三軸試驗，圍壓為20kPa，加載速率為0.5mm／min，控制應變為5%。數據采集均由與儀器相匹配的自動數據采集系統完成，所采集的數據包括時間、荷載、圍壓、孔壓和位移。

2 AS固化劑土的力學性狀分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

對養護3、7、14、28d的3%AS固化劑改良土進行無側限抗壓強度試驗，得到固化劑改良土的無側限抗壓強度隨齡期變化曲線，見圖2。

圖2 AS固化劑土無側限抗壓強度隨齡期的變化關系

由圖2可以看出，3%AS固化劑改良土的無側限抗壓強度隨著齡期的增加而不斷增長。無側限抗壓強度前7d的增長速率較快，但強度增加的速率隨齡期延長逐漸變緩。7d的無側限抗壓強度是732kPa，28d的是982kPa，7d的無側向抗壓強度達到28d強度的75%。同時，為研究齡期和凍融次數的相互關系，圖3給出了7d和28d養護齡期試樣的無側限抗壓強度與凍融次數的變化關系。試樣的7d和28d養護強度隨凍融次數的增加而減小，在經歷6次凍融后的變化趨勢趨于穩定狀態。由此可知，7d強度可以滿足施工的要求，考慮到試驗量較大，在隨后的試驗中均采用7d養護的試樣。

圖3 AS固化劑土無側限抗壓強度隨凍融次數的變化關系

2.2 應力應變關系曲線

圖4為冷卻溫度－15℃時不同凍融次數下固化劑改良土的應力應變關系曲線，Nft為凍融循環次數。在一定圍壓下，隨著剪應變增大，AS固化劑改良土應力應變曲線出現明顯的峰值，峰值后強度降低明顯，為應變軟化型曲線，試樣呈脆性破壞形式，而素土為應變硬化型曲線，呈塑性破壞形式。同時，凍融作用對曲線的影響非常明顯，隨著凍融次數的增加，曲線的峰值點和初始切線模量均隨之減小，但當達到6次凍融作用后，應力應變關系曲線基本重合。

圖4 不同凍融次數下的應力應變關系曲線（Tc＝ －15℃，σ3＝20kPa）

圖5為6次凍融循環下不同冷卻溫度的固化劑改良土的應力應變關系曲線，圍壓σ3為20kPa。在一定的凍融次數下，固化劑改良土的應力應變關系曲線的峰值點和初始切線模量均隨冷卻溫度的降低而降低，同時，隨著溫度的降低，經過凍融循環后的固化劑改良土脆性逐漸減弱。當冷卻溫度低于－5℃后，溫度不再起主要作用。

圖5 不同冷卻溫度下的應力應變關系曲線（Nft＝6）

2.3 靜強度

研究者普遍認為，凍融作用會降低土的強度，主要是由于土中水的凍結增大了土體的孔隙體積，當孔隙冰融化時，有些已增大的孔隙無法恢復到原始狀態，從而使土體疏松，土顆粒之間的連結力降低，但多次凍融是否會使土的強度繼續下降還有待于研究。筆者就未凍融土、凍融1、3、6、8、10次的結果進行了分析。對于以脆性破壞的土樣，取應力 應變關系曲線的峰值點作為土樣的峰值抗剪強度。

圖6和圖7分別為AS固化劑改良土的靜強度隨凍融次數以及冷卻溫度的變化規律。固化劑改良土的靜強度隨凍融次數的增加呈指數形式衰減，當達到一定凍融次數后達到穩定狀態，在冷卻溫度高于－5℃達到穩定狀態的次數是6次，而低于－5℃的穩定次數是3次。第一次凍融作用對改良土的影響顯著，因冷卻溫度的不同，降低幅度在10%～50%之間，如圖6和圖7所示。在第一次凍融作用下，固化劑改良土的靜強度與冷卻溫度存在良好的線性關系，而當經歷多次凍融作用后，隨著冷卻溫度的降低，靜強度變化趨于穩定狀態。

圖6 固化劑土靜強度隨凍融次數的變化關系（σ3 ＝20kPa）

圖7 固化劑土靜強度隨冷卻溫度的變化關系（σ3＝20kPa）

3 AS固化劑土的動力特性分析

3.1 變形特性

圖8為循環三軸試驗過程的動應力加載曲線，圖9為動應力σd分別為240、350kPa時的AS固化劑改良土試樣的動應力 應變關系對比曲線。從圖8可以看出，施加在試樣的動應力波形符合試驗前設定的加載形狀，即為半正弦（haversine）波。從圖9可以看出，循環荷載作用下試樣產生明顯的滯回圈，并逐漸產生累積應變，且變形增長率隨加載次數增加逐漸減小。變形穩定試樣與變形破壞試樣的動應力 應變關系差別較大，對于穩定試樣，循環荷載作用20周后動應力 應變滯回圈的面積變小，表明試樣變形已接近彈性，累積應變趨于穩定，見圖9（a）；但對于破壞試樣，循環荷載作用20周后滯回圈的面積逐漸變大，表明試樣發生脆性變形破壞，見圖9（b）。

圖8 循環加載過程中的動應力曲線（循環加載20周）

圖9 試樣的動應力 應變關系

圖10 為素土在不同動應力水平下的累積塑性應變εp與振動次數的半對數lgN關系曲線；圖11和圖12分別為冷卻溫度Tc為－5、－20℃時不同凍融次數下AS固化劑改良土的累積塑性應變εp與振動次數的半對數lgN關系曲線。由圖10可知，素土的累積塑性變形隨振次的增加呈增加趨勢，為塑性破壞形式，在動應力水平小于某值時，累積變形增加趨勢變緩；在動應力水平大于某值時，變形不斷增大直至破壞，可見存在一個臨界狀態值。由圖11和圖12可知，當動應力超過試樣的臨界值時，土樣的累積塑性變形初期發展較慢，當循環荷載作用到一定振動次數后，出現應變轉折點，土樣變形開始急劇增大，在隨后很少的振動次數范圍內就達到破壞，表現出明顯的脆性破壞特征。同時，在相同動應力水平下，經歷較少凍融次數時，固化劑改良土試樣的累積塑性應變較小，基本上為彈性應變；隨著凍融次數的增加，變形在經歷一定振動次數后急劇增大并破壞，表現出脆性破壞特征，且隨著冷卻溫度的降低，試樣達到破壞所需的凍融次數減少，如冷卻溫度－5℃時是8次，而－20℃時是6次。

圖10 不同動應力下素土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa）

圖11 不同凍融次數下固化劑土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa，σd＝450kPa，Tc＝ －5℃）

圖12 不同凍融次數下固化劑土的εp－lg N曲線（σ3＝20kPa，σd＝300kPa，Tc＝－20℃）

3.2 臨界動應力

根據每次試驗得到的εp－lgN典型曲線，判別試樣是趨于強化、破壞還是臨界狀態，并繪出由所有的臨界點回歸得到的區分破壞點和未破壞點的直線，即為臨界狀態線，從而獲得土樣的臨界動應力［13］。圖13為不同冷卻溫度下AS固化劑改良土的臨界動應力與凍融次數的關系曲線。由圖可以看出，相同冷卻溫度和圍壓下固化劑改良土的臨界動應力隨凍融循環次數的增加呈指數形式衰減，－2、－5℃時在經歷6次凍融循環后基本趨于穩定，而低于－10℃后達到穩定的凍融次數為3次，即多次凍融循環作用使得石灰土內部結構變化趨于動態平衡狀態。

圖13 AS固化劑土的臨界動應力與凍融次數關系曲線（σ3＝20kPa）

式中，σdcrb為未凍融土的臨界動應力；σdcra為凍融循環后土的臨界動應力。

依據式（1），圖14為不同凍融次數下AS固化劑改良土的臨界動應力衰減率與冷卻溫度的關系。由圖可知，衰減系數η能夠更直觀地反映凍融循環對土試樣臨界動應力的影響程度，具有工程普適性，指導工程實踐。臨界動應力衰減率隨冷卻溫度的降低而增加，隨著凍融次數的增加，衰減率的增加幅度逐漸減小。同時，相同冷卻溫度下，衰減率隨凍融次數的增加而增大，且隨著冷卻溫度的降低，其增大幅度逐漸減小，如－2℃時，衰減率隨凍融次數的增加幅度為30%；而在－20℃時，增加幅度僅為5%。

3.3 動回彈模量

圖15為不同動應力幅值下AS固化劑改良土土樣回彈模量與加載次數的關系曲線，圖16為不同凍融次數下固化劑土回彈模量隨累積應變的變化曲

為更好的研究凍融作用對固化劑改良土的影響規律，在此引入臨界動應力衰減率η。凍融循環臨界動應力衰減率反映了凍融循環作用對固化劑改良土臨界動應力的影響程度，其定義為改良土凍融前后臨界動應力之比。線。分析圖線可知，加載初期，回彈模量隨著振動次數以及累積應變的增加而迅速降低，當振動次數超過10次后或者應變超過1.0%時，回彈模量變化趨于穩定。在同一動應力水平和相同應變值下，回彈模量隨凍融次數的增加而降低，而當凍融次數超過6次后，回彈模量不再減小，趨于穩定狀態。

圖14 臨界動應力衰減率與冷卻溫度的關系曲線（σ3＝20kPa）

圖15 不同動應力幅值下回彈模量與加載次數的關系（σ3＝20kPa，Nft＝3，Tc＝－5℃）

圖16 不同凍融次數下回彈模量隨累積應變變化曲線（σ3＝20kPa，σd＝450kPa，Tc＝ －5℃）

由文獻可知［14］，路基土的回彈模量一般取循環三軸試驗中某級應力狀態下應變速率達到穩定后的數值。圖17為動荷載作用20次時，不同冷卻溫度下固化劑改良土的回彈模量Edmax與凍融次數的關系曲線。由圖可知，在同一冷卻溫度下，固化劑改良土的回彈模量隨凍融次數增加而降低，第一次凍融作用對其影響非常明顯，當經歷6次凍融作用后，變化趨勢趨于穩定，這與前面有關靜強度和臨界動應力的分析結果是一致的，因此，在實際工程中可以考慮采用固化劑改良土經歷6次凍融作用后的力學指標［15］。

圖17 回彈模量與凍融次數的關系（σ3＝20kPa）

4 AS型土壤固化劑加固機理

將一定量的AS型土壤固化劑摻入土壤中，經攪拌、壓實、淋水和自然養護等處理后，固化劑本身部分成分水化反應生成硅酸鈣、鋁酸鈣等膠凝性物質，使粘土顆粒表面形成凝結硬化殼。同時，固化劑與土壤混合后，將過多的水分在反應中“奪取”，生成含32個結晶水的鈣礬石針狀結晶體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，將土壤中大量的自由水以結晶水的形式固定下來。而且，與水作用產生大量的Ca2＋，以及激發素中含有的高價陽離子，如Fe3＋、Al3＋等，由于具有較高的離子強度，與土顆粒中的Na＋、K＋、Ca＋進行離子交換作用，使得粘土膠團表面ξ電位降低，膠團所吸附的雙電層減薄，電解質濃度增強、顆粒趨于凝聚，清除土壤內的液相和氣相，生成的硫酸鈣結晶，體積膨脹而進一步填充孔隙，同時與針狀結晶相互交叉，形成鏈狀和網狀結構而緊密結合，另外AS系列土壤固化劑能阻斷或破壞土層中的毛細管結構，從而提高了地基的強度、耐水性和抗凍性。

總之，土壤固化劑是在與土壤細微顆粒接觸時發生各種物理和化學反應，使界面形成牢固的多結晶聚集體，從而改變顆粒界面的接觸，新形成的化學結構表現出優異的力學強度和其他性能。

5 結 論

在大量三軸試驗和凍融循環試驗的基礎上，分析了凍融次數、冷卻溫度對AS型土壤固化劑改良土力學特性的影響，得出了如下結論：

1）3%AS固化劑改良土的7d無側限抗壓強度達到28d強度的75%，有效地縮短了工期。

2）AS型固化劑改良土的應力應變關系為應變軟化型曲線，呈脆性破壞形式。通過分析動應力 應變關系，可以將試樣分為變形穩定和變形破壞2種形式。在同一動應力水平下，隨著凍融次數的增加，試樣的累積塑性變形由變形穩定狀態向變形破壞發展。

3）AS型固化劑改良土的靜強度、臨界動應力以及動回彈模量均隨凍融次數的增加而降低，且第一次凍融對其影響非常明顯，且當經歷6次凍融后趨于穩定，因此，在實際工程中可考慮采用固化劑改良土凍融6次后的力學指標。

4）AS型土壤固化劑通過與土中的礦物和水分發生一系列的水化反應、置換水反應以及離子交換等化學過程，提高了土體的抗滲性、整體強度和抗凍融耐久性。

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