水泥固化土抗凍性能影響因素分析

李學德，林慶梅，彭旭華，蘇葉平，趙泱軍

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.江蘇省科佳工程設計有限公司揚州分公司，江蘇 揚州 225101；3.重慶市水利局，重慶 401147)

水泥固化土是將含有一定含水率的土體與水泥混合，經水化反應后形成堅硬的水泥固化體，從而使加固土體的土工特性得到改善。水泥土的強度指標，通常由水泥土試樣(一般為直徑5 cm、高10 cm的圓柱體)的無側限壓縮試驗來檢驗[1-2]。國內多位學者以水泥作為外摻劑，針對不同地基土進行了力學特性和微觀結構等試驗分析，分別提出了不同的最佳水泥摻入比[3-4]。綜合前人研究的成果，分析了水泥摻量、含水率等因素對水泥固化土的強度、變形和滲透等特性的影響，結果表明，水泥固化土的抗壓強度主要取決于水泥用量，其次是原料土的含水率[5-9]。由于固化土的無側限抗壓強度容易測定，所以過去對該內容研究較多，但對于固化土的耐久性能特別是固化土抗凍性能研究得較少[10-11]。抗凍性是評價固化土結構耐久性的重要指標，分析影響水泥固化土抗凍性能的因素，對研究其結構耐久性有著重要意義。影響水泥固化土抗凍性能的因素較多，本文主要研究土壤含水率及水泥摻量對其抗凍性能的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗設計

由于水泥固化土抗凍性能的研究成果較少，本文通過試驗數據分析水泥固化土抗凍性能與影響因素的關系，根據不同的使用環境，確定不同的土壤含水率及水泥摻量[12]，具體試驗配比見表1。

表1 試驗方案 單位：%

1.2 試驗方法

目前，對于水泥固化土的抗凍性試驗還沒有統一的標準，本次參照混凝土抗凍性試驗標準及相關文獻資料[13-15]，按照無側限抗壓強度試件(φ50 mm)成型方法制作試件，試件脫模后，立即放到標準養護箱內進行養護至28 d 齡期。養護完成后，將固化土試件放入水中浸泡24 h ，測定其無側限抗壓強度，同時與未浸泡試件的強度進行比較，研究固化土的水穩定性。進行凍融循環試驗前，先將固化土試件放入水中浸泡24 h，使其吸水飽和，將試件的表面水擦干后稱取重量，然后放入低溫試驗箱中，在-17～-20℃條件下凍結 4 h，凍結完成后把試件取出，放入(20±3)℃的水中融解4 h，將這一過程作為一次凍融循環。

2 試驗結果

2.1 水穩定試驗

固化土試件標準養護 28 d，浸水飽和后及未做浸水處理的試件的無側限抗壓強度值見表2。

表2 水泥固化土抗壓強度值 單位：MPa

2.2 凍融循環試驗

固化土試件標準養護 28 d，經過n次凍融循環后，各組試件質量見表3。

3 數據分析

3.1 水穩定性能分析

材料的水穩定性能用軟化系數來表示，其取值在0～1之間。若軟化系數越大，則說明材料的水穩定性能越好。固化土軟化系數γ，可按式(1)計算：

(1)

式中γ——軟化系數；f——試件在浸水飽和狀態下的28 d無側限抗壓強度，MPa；F——試件在標準養護狀態下的28 d無側限抗壓強度，MPa。

本次試驗固化土試件浸水后計算的軟化系數見表4。

表3 水泥固化土經過n次凍融循環后質量 單位：g

表4 水泥固化土水穩定性能

對于長期處于潮濕環境下特別是處在水中的重要建筑物，要求選用材料的軟化系數需大于0.85。而對于處在潮濕較輕環境下或次要建筑物，其材料的軟化系數不宜低于0.70。本次試驗試件其軟化系數均大于0.70，且除水泥摻量4%試件外，其余試件軟化系數均在0.80以上，說明水穩定性能良好。

3.2 抗凍性能分析

雖然水泥加入土體后與水發生水解水化反應，生成CaSiO4、CaAl2O3等凝膠狀的水化產物，膠結土壤顆粒，并改善了土壤中的孔隙結構，提高了土體強度。但是由于水泥固化土內部不密實并且含有原始細微損傷，當承受凍融作用后，試件內部在原始細微損傷的基礎上產生大量的細微裂紋，并且會隨著凍融循環次數的增加而不斷發展，到一定程度時會導致水泥固化土性能的劣化，抗凍性能降低。

參照混凝土抗凍設計規范，以質量損失率衡量固化土的抗凍性能。質量損失率可按式(2)計算，以3個試件試驗結果的平均值作為測定值：

(2)

式中Wn——n次凍融循環后試件質量損失率，%；G0——凍融前的試件質量，g；Gn——n次凍融后的試件質量，g。

當試件的質量損失率超過5%時，表明試件已被凍融破壞，凍融循環結束。經過n次凍融循環后，固化土試件質量損失率見表5。

表5 水泥固化土經過n次凍融循環后質量損失率 %

3.2.1土壤含水率對抗凍性能的影響分析

試驗中部分試件經15次凍融循環后，達到破壞狀態，本次以經10次凍融循環后，試件的質量損失率為研究對象。由表5可知，經過10次凍融循環后，試件的質量損失率隨著土壤含水率的增加先減小后增大。當土壤含水率為16%時，平均質量損失率為1.32%；當含水率為20%時，平均質量損失率為1.22%；當含水率為22%時，平均質量損失率為1.32%；當含水率為18%，接近土壤的最優含水率時，平均質量損失率最小為1.09%。土壤含水率與質量損失率關系見圖1。

(3)

R2=0.92

圖1 土壤含水率與質量損失率關系

3.2.2水泥摻量對抗凍性能的影響分析

由表5可知，經過10次凍融循環后，試件的質量損失率隨著水泥摻量的增大而減小。當摻量為4%時，平均質量損失率為3.30%；當摻量為8%時，平均質量損失率為0.86%；當摻量為12%時，平均質量損失率為0.36%；當摻量為16%時，平均質量損失率最小為0.32%。水泥摻量與質量損失率關系見圖2。

圖2 水泥摻量與質量損失率關系

通過圖2，水泥摻量與質量損失率符合函數(y=axb+c)關系，根據試驗結果進行回歸分析，計算相關參數值。設水泥摻量對10次凍融循環后質量損失率的影響函數為Q(c)。利用回歸分析得到Q(c)的擬合函數為：

Q(c)=62.2580c-2.1448+0.1181，R2=0.98

(4)

3.2.3綜合影響分析

由于土壤含水率及水泥摻量2個因素單位不同，不能直接比較其對水泥固化土抗凍性能的影響，因此采用相對數值法分析，將兩因素進行同一歸化[16]。由表5中數據，兩因素對質量損失率的影響見圖3(橫坐標為各因素取值與各自最大取值的比值)。

圖3 水泥固化土質量損失率影響因素分析

由試驗結果可知，水泥摻量對水泥固化土抗凍性能影響較大，質量損失率隨著水泥摻量的增大而減小，但并不是摻量越大越好，當水泥摻量超過一定值時，抗凍性能隨摻量增加，提高幅度變得不明顯；土壤含水率對水泥固化土抗凍性能影響較小，當接近土壤最優含水率時，內部水分能與水泥發生充分水化反應，水泥固化土抗凍性能最優，當含水率繼續增大時，多余的水分結冰膨脹會增大對固化土結構內部凍害的影響，降低固化土的抗凍性能。

4 結論

a)通過試驗結果可知，除4%水泥摻量的水泥固化土試件浸水軟化系數小于0.80，但均大于0.70以外，其余摻量均大于0.80，說明水泥固化土水穩定性能較好。

b)通過結果分析可知：水泥摻量對水泥固化土抗凍性能影響顯著，隨摻量增大，抗凍性能變好，但并不是摻量越大越好，當水泥摻量超過一定值時，抗凍性能變化不明顯；土壤含水率對水泥固化土抗凍性能影響較小，當接近土壤最優含水率時，水泥固化土抗凍性能最優。