不同齡期下石灰改良土持水特性的溫度效應

靳奉雨，王葉嬌，孫德安，曾玲玲

(1.上海大學 土木工程系，上海 200444；2.福州大學 土木工程學院，福州 350108)

中國西北黃土高原地區太陽輻射強，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長，晝夜溫差和季節性溫差較大，存在大面積的多年凍土和季節性凍土。當溫度大幅變化時，土體會產生凍脹融沉，對該地區的巖土構筑物造成一系列不容忽視的病害，如路基的不均勻沉降，嚴重影響道路的使用性能。為改良土體的工程性能，石灰被廣泛應用于中國西北地區土質改良工程[1]?，F場的石灰改良土長期暴露在復雜氣候與環境中，產生明顯的強度衰減現象。Le Runigo等[2]對石灰改良粉砂土在不同浸水飽和時間(7、25、50、110 d)和水循環時間(110、200、320 d)下的強度耐久性進行了研究，結果表明，該改良土的強度耐久性與其滲透性相關，土體浸水后抗剪強度顯著降低。馬巍等[3]研究了凍融循環對石灰改良粉土剪切強度特性的影響，發現隨凍融循環次數的增加，石灰改良粉土剪切強度逐漸衰減。在干旱、半干旱氣候地區，上層土體通常處于非飽和狀態。土-水特征曲線對于研究非飽和土的水力特性具有重要意義。Nguyen等[4]通過對某路基現場測量發現，溫度變化會導致基質吸力發生變化，引起土體內部水分遷移，進一步引起應力場和位移場的變化，使其工程性質發生改變。因此，有必要研究溫度對改性黃土持水特性的影響。這對于不同環境下改性黃土工程力學特性的預測以及工程設計參數的選取具有重要指導意義。

目前，非飽和土持水特性的溫度效應研究多集中在未改良土。王鐵行等[5]測量了不同溫度下(5～35 ℃)黃土的土-水特征曲線，發現溫度對基質吸力的影響并不顯著，且在低含水率時溫度影響較大。蔡國慶等[6]基于熱力學理論，結合Van Genuchten土-水特征曲線模型，綜合考慮溫度對表面張力和浸潤系數的影響，建立了一種預測溫度影響的土-水特征曲線模型，并將模型計算結果與試驗結果進行對比，發現兩者基本吻合。王協群等[7]測量了不同溫度下(10～50 ℃)黃土的土-水特征曲線，發現溫度對持水特性的影響隨含水率降低而增大。葉為民等[8]通過蒸汽平衡法和滲析法發現，相同吸力下GMZ膨潤土-砂混合物的含水量隨溫度升高而減小，但溫度的影響大小取決于吸力水平。談云志等[9]研究了不同溫度下(20～40 ℃)粉土的持水特性，結果表明，溫度對持水特性的影響顯著，溫度的影響隨基質吸力增大而減小。顯然，溫度對非飽和土持水效應的影響機理并沒有形成統一認識，還需要進行深入研究。目前的研究不僅缺少對較低溫度范圍內(0～10 ℃)非飽和土持水特性的變化規律的關注，而且對于改性土持水特性的溫度效應關注不足。

筆者采用濾紙法測量了不同溫度下石灰改良黃土的持水特性曲線，并分析了溫度對不同齡期下非飽和石灰改良黃土持水特性的影響規律，為不同工程設計參數的選取提供理論依據。另外，給出了低溫下(接近0 ℃)石灰處理土持水特性的變化規律，這對于處理凍土區工程問題具有重要的實際意義。

1 試驗

1.1 試驗儀器及土樣

試驗所用土樣為甘肅蘭州Q4黃土，其基本物理指標如表1所示，為低液限粘土。土樣先在室溫下風干2周，然后，用土壤粉碎機粉碎，取粉碎后的土樣進行測試，其顆粒級配曲線和擊實曲線分別如圖1和圖2所示。

表1 黃土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of loess in Lanzhou

試驗采用生石灰對土樣進行改良。根據顆粒級配曲線可知，粒徑小于0.005 mm的顆粒累計含量為20%。依據Hilt等[10]提出的最佳石灰摻量計算公式，試驗采用2%的石灰摻量，滿足最佳石灰摻量要求。依據中國公路路基設計規范[11]，土質路基壓實度大于96%時，可基本滿足各種狀況下的設計要求。試驗選取壓實度為98%。根據圖2中的擊實曲線，土樣的制樣重量含水率取為17%，干密度為1.6 g/cm3。試驗中所使用土樣的信息均列于表2。

圖1 黃土顆粒級配曲線Fig.1 Grain-size distribution curve of the loess

圖2 黃土擊實曲線Fig.2 Compaction curve of loess

試樣干密度/(g·cm-3)初始含水率/%石灰摻量/%養護時間/d未改良土1.617養護28 d土樣1.617228養護90 d土樣1.617290

采用濾紙法測定土樣不同溫度下的土-水特征曲線。濾紙法主要受到測試環境的溫度穩定度、電子天平的精度和稱量濾紙操作的快捷性的影響。試驗所用儀器包括：恒溫恒濕箱，溫度波動≤±0.1 ℃；電子天平，精度為0.000 1 g；烘箱，控制溫度為105±5 ℃。試驗儀器如圖3所示。

圖3 試驗所需儀器Fig.3 Experimental devices

1.2 試驗步驟

1)稱取一定質量的風干土，將干土與生石灰粉充分混合，并用噴霧器噴灑去離子水至重量含水率17%并拌合。

2)將拌合后的土放入保鮮袋內密封保存12 h，使土中水分分布均勻。

3)制樣方法選擇靜態壓實，并嚴格控制土樣的最終干密度[12]。將拌合后的土裝入制樣模具中，用千斤頂將其壓成高為10 mm、直徑為61.8 mm的圓餅狀土樣，靜壓30 min，以減少卸載時的回彈。

4)土樣從模具中取出后放入飽和水汽環境中，密封養護至目標齡期(28、90 d)。

5)將Whatman No.42濾紙放入無蓋鋁盒中，在上方覆蓋一張較大的非測試濾紙，以防止灰塵落在濾紙上，影響測試精度。將鋁盒放入烘箱內，烘干12 h。

6)將達到養護齡期(28、90 d)的土樣取出，緩慢風干至目標含水率。

7)將土樣放入保鮮盒中，并在上方覆蓋塑料紗網。將烘干12 h的濾紙放置在塑料紗網上，扣緊保鮮盒，裝入塑封袋中，放入恒溫恒濕箱，并設置試驗溫度，為使濾紙中水分平衡，靜置7 d。

8)取出保鮮盒，按照ASTM D5298[13]中規定的步驟測量濾紙含水率，并測量土樣平衡后的實際重量含水率。

9)考慮試驗過程中土樣體積將發生變化，采用液體石蠟法測量土樣體積，試驗步驟與孫德安等[14]相同，并計算土樣體積含水率。

10)利用表3中濾紙的率定曲線公式計算吸力值，從而得到該溫度下的土-水特征曲線。

表3 試驗所用濾紙的率定曲線公式Table3 Calibration relationships for the filter paper in suction measurement

2 試驗結果

2.1 齡期對持水特性的影響

相同試驗溫度、不同養護齡期下，壓實黃土的土-水特征曲線如圖4所示。以20 ℃下測得的土-水特征曲線為例，在土樣體積含水率從27%到8%的風干過程中，養護28 d土樣的土-水特征曲線 高于未改良土樣的結果，說明土樣在經過石灰改良并養護28 d后持水能力升高。隨著養護齡期的增加，吸力繼續提高。當體積含水率均為27% 時，未改良土樣、養護28 d的土樣、養護90 d的土樣吸力分別為149、233和336 kPa。養護28 d的土樣和養護90 d的土樣吸力分別較未改良土樣吸力提高了56%和125%。但當體積含水率為8% 時，未改良土樣、養護28 d的土樣、養護90 d的土樣吸力分別為4 201、4 707和5 110 kPa。此時，養護28 d的土樣、養護90 d的土樣吸力較未改良土樣吸力的提升幅度降為12%和21%，表明壓實黃土經石灰改良后，土樣持水能力提高，并且持水能力隨養護齡期增加而不斷提高。另外，隨著體積含水率降低，吸力增大，石灰改良和養護齡期的影響逐漸減弱。

圖4 不同養護齡期下壓實黃土土-水特征曲線Fig.4 Water retention curves of compacted loess at different curing time

2.2 測試溫度對持水特性的影響

相同養護齡期、不同測試溫度條件下，壓實黃土的土-水特征曲線如圖5所示。可以看到，在0 ℃→5 ℃→10 ℃→20 ℃→40 ℃的溫度變化過程中，養護90 d的土樣在體積含水率為16%時對應的吸力變化路徑為3 301 kPa→2 418 kPa→2 207 kPa →1 482 kPa →864 kPa，0 ℃下的吸力較40 ℃下的吸力增大了2 437 kPa，變化幅度約為73%，表明測試溫度對土樣的持水能力具有顯著影響。隨著測試溫度升高，相同含水率下土樣吸力逐漸降低，持水能力下降。同樣在0 ℃→5 ℃→10 ℃→20 ℃→40 ℃的溫度變化過程中，養護90 d的土樣在體積含水率為8%時對應的吸力變化路徑為6 946 kPa→ 6 172 kPa→ 5 476 kPa→5 110 kPa→5 108 kPa，0 ℃下的吸力較40 ℃下的吸力增大了1 838 kPa，變化幅度為26%?？梢钥闯觯S著體積含水率降低，吸力增大，溫度效應減弱。還可以觀察到，在溫度變化量相同時，初始狀態相同的土樣吸力變化值隨溫度升高而逐漸減弱，表明土樣持水能力的溫度效應在低溫時更加顯著，這與Villar等[15]的測試結果一致。

3 結果分析

3.1 齡期和測試溫度對持水特性的影響

非飽和土內孔隙的大小和分布是影響土-水特征曲線的重要因素。養護過程中石灰改良土持水能力的提高可以歸因于石灰改良土發生火山灰反應，產生了凝膠化合物。這些凝膠化合物會覆蓋在土顆粒團聚體表面，逐漸填充團聚體間的孔隙，改變土內孔隙的大小和連通性[16]。在這個過程中，某些團聚體內部孔隙的入口可能會被堵塞，增加了收縮孔和墨水瓶孔出現的可能性。隨著土顆粒團聚體間孔隙逐漸減少以及孔隙間的連接口越來越狹窄，土體在去飽和過程中所需的吸力越來越高，這會導致在較高含水率時土樣持水能力明顯提高。但由于在團聚體內部孔隙中，火山灰反應產物較少，因此，在較低含水率時，土樣持水能力提升并不明顯。

圖5 不同溫度下壓實黃土的土-水特征曲線Fig.5 Water retention curves of compacted loess at different temperatures

火山灰反應隨土樣養護而持續進行。養護齡期為28 d時，石灰改良土的持水能力有一定程度的提升。隨著養護齡期的增加，其持水能力不斷提高。在養護時間較長的情況下，有更多的凝膠化合物產生，從而導致石灰改良土持水能力明顯提高。但當溫度較低時，氣泡幾乎未發生膨脹，孔隙水未被擠出，孔隙水大多存在于小孔隙中，去飽和過程所需的吸力較大。在這種情況下，即使孔隙結構存在一定差別，土-水特征曲線也會趨于一致[17-18]。

溫度對土體持水能力的影響主要體現在溫度影響毛細管內彎液面處表面張力[19-20]。隨著溫度的升高，表面張力降低，相同含水率下吸力逐漸減小，土樣持水能力下降。很多情況下，溫度影響表面張力的觀點不足以解釋溫度對持水特性的影響。非飽和土是由土顆粒、孔隙水和氣體組成的三相混合體。因此，溫度對吸力的影響還會受到孔隙氣體和土顆粒表面雙電層的影響。一般來說，氣體具有一定的水溶解性，孔隙水中將存在一定數量的封閉氣泡。隨著溫度升高，孔隙水中的封閉氣泡發生膨脹，氣體體積增大，將孔隙水擠出[9]。另一方面，Hopmans等[21]發現孔隙水排出的同時，封閉氣泡也會排出。隨溫度升高和吸力增大，土中封閉氣泡體積逐漸減小，溫度變化對持水曲線的影響逐漸減弱。土體孔隙中除了自由水之外，還存在一層吸附于土顆粒表面的結合水膜。雙電層理論認為，土顆粒表面一般帶有負電荷，這些負電荷會由吸附的陽離子進行中和，前者構成雙電層的內層，后者形成雙電層的外層，也就是結合水膜[22]。結合水含量會隨溫度升高而減少，并且趨勢逐漸變緩[23]。當溫度升高時，結合水分子運動加劇，當電荷之間的吸附力不足以束縛水分子時，外層的結合水就會轉變為自由水，在土體干燥過程中容易被排出。隨著溫度進一步升高，結合水膜變薄，電荷之間的吸附力增長較快，轉化為自由水排出的難度越來越大[24]。因此，隨著溫度升高，相同含水率對應的吸力逐漸下降，并且溫度效應逐漸減弱。

3.2 養護齡期和測試溫度對VG模型的影響

在現有的土-水特征曲線預測模型當中，Van Genuchten (VG)模型[25]是被應用最廣泛的模型之一。同時，考慮到試驗過程中土樣體積的變化，采用體積含水率，所使用表達式為

式中：θv為體積含水率；θs為飽和含水率；θr為殘余含水率；s為吸力值，kPa；a、n為待定參數。

通常認為，參數a表示土-水特征曲線中的進氣值，參數n則代表土-水特征曲線過渡段的斜率，將未改良土樣、養護28 d的土樣、養護90 d的土樣在不同溫度下測得的土-水特征曲線的數據代入VG模型中，得到不同溫度下的模型參數，列于表4中。由于制樣含水率在最優含水率左側，土樣的孔隙結構分布為雙峰結構，土-水特征曲線主要由土顆粒集聚體內和集聚體間孔隙控制，也會出現雙峰結構。根據雙峰孔隙結構分布的特征，可將土-水特征曲線分為對應集聚體間和集聚體內的兩孔隙段，可利用預測模型分別進行擬合[26]。該試驗依據風干過程測得的土-水特征曲線及其擬合參數很可能代表的是集聚體內孔隙段土-水特征曲線的模型參數。此時，θs代表的是集聚體內孔隙飽和時的含水率。

表4 擬合參數Table 4 Regression parameters

擬合參數a、n、θs、θr隨溫度及養護齡期的變化趨勢如圖6所示。試驗結果表明，除個別離散數據點之外，整體可以得出溫度對VG模型參數(θs、θr、a、n)的影響規律一致，即對于同一種土樣而言，隨著溫度升高，a、n有減小的趨勢，而θs、θr變化較小，該結果與王鐵行等[5]結論一致。另外，養護齡期對VG模型參數的影響為：在相同溫度下，石灰改良土樣與未改良土樣相比，石灰改良土樣的θs、a、n增大，θr減小，并且θs、a、n隨養護齡期增長而增大，θr幾乎不隨齡期變化。θs、a、n的變化可以歸因于火山灰反應隨時間持續進行，產生了更多的膠凝化合物，將土顆粒集聚體膠結起來，減小了集聚體間孔徑，使小孔隙增多。同時，某些團聚體內部孔隙的入口可能被膠凝化合物堵塞，增加了收縮孔和墨水瓶孔的可能性。θr的變化可能與土的比表面積變化有關。土樣經石灰改良后，土顆粒發生絮凝和團聚，比表面積下降[27]。這種現象主要發生在石灰改良前期，因此，θr在土樣養護齡期超過28 d的情況下幾乎不發生變化。

4 結論

1)溫度變化對黃土持水能力有一定影響。對于同種土樣而言，土樣持水能力隨溫度升高而下降，曲線逐漸趨于平緩，溫度效應減弱。當不同土樣溫度和體積含水率相同時，土樣持水能力隨石灰改良和養護齡期增加而提高。隨著體積含水率降低，吸力增大，石灰改良、養護齡期和溫度變化對黃土持水能力的影響逐漸減弱。

2)VG模型中的參數會受到石灰改良、養護齡期和溫度變化的影響。石灰改良后，θr減小，a變大，θs、n變化不大。其中，θs、a、n會隨著養護齡期增長而增大。對于同種土樣而言，隨溫度升高，θs、θr幾乎不發生變化，但a、n都有減小的趨勢。

3)孔隙水中封閉氣泡的存在和吸附結合水量的變化是影響黃土持水特性的重要原因。其中，孔隙水中封閉氣泡對持水特性的影響隨體積含水率降低而減弱。