季節凍土區水泥改良路基土的溫縮性能研究

崔宏環， 劉衛濤， 張立群

（1.河北省土木工程診斷、改造與抗災重點實驗室，河北張家口075000；2.河北建筑工程學院，河北張家口075000）

0 引言

我國季節凍土區分布在廣大的東北、西北及華北地區，占我國國土面積的53.5%［1-2］。季節凍土區土體因其低溫、易變、溫度敏感性高等特殊的工程性質，給道路帶來嚴重影響，故此很多學者致力于季節凍土區公路路基凍害及其防治研究［3-4］。張家口地區為典型季節凍土區，季節性凍融循環作用對公路工程質量的影響十分顯著，路基土體的冬季凍結和春季融化，致使春融期路基強度降低，局部或全部失去承載力，從而降低路面使用質量。目前我國大都采用優良填料來提升路面使用質量，但是由于道路沿線優質填料的缺乏，其運輸費用造成工程成本大幅增加，因此就地取材，使用固化劑改良土是十分行之有效的方法。

水泥穩定碎石這類半剛性材料作為一種散粒體材料具有較大的缺點，很容易在溫度變化及水分散失時產生很大的收縮變形，進而會形成基層的收縮裂縫［5］。在荷載及溫度作用下，基層的裂縫會反射到瀝青面層中，嚴重影響瀝青面層的使用品質及壽命［6］。目前國內外改良土的固化劑仍然以水泥、石灰、粉煤灰這些固化劑為主［7］，王天亮等［8］在凍融作用下水泥及石灰改良土靜力特性研究中指出，在寒冬季節，氣溫下降造成路基土溫度低于土壤水冰點，使得土層中孔隙水凍結成冰，體積膨脹；當氣溫回升至0℃以上時，土體便發生弱化且強度降低，產生諸如翻漿冒泥、沉陷滑塌、不均勻沉降以及失穩等現象，同時還在研究中表明水泥土的應力-應變關系為加工軟化型，水泥土以脆性破壞為主。楊林等［9］根據復合固結黏性土強度及抗裂性能的正交試驗，對優化配比條件下的復合固結黏性土與傳統石灰土的抗裂性能進行了對比分析，結果表明固結土的溫度抗裂性能與干燥抗裂性能均優于傳統的石灰穩定土。Sergeyev等［10］得出水泥土是一種復雜的多相混合巖土材料，宏觀上的工程特性都與內部微細結構的形態和變化密切相關。劉瑾等［11］針對STW型生態土壤穩定劑改良黏性土的脹縮性進行了試驗研究，得到STW型土壤穩定劑可以有效地改良黏性土的脹縮性，土顆粒粒徑的大小、穩定劑的摻量對改良黏性土的脹縮性均有不同程度的影響。唐朝生等［12］提出高溫環境下，膨脹土的裂隙發育程度較低溫環境高，存在明顯的溫度效應。孟福勝［13］通過電石灰粉煤灰穩定土抗溫縮性能試驗得到：溫度在30℃降到0℃之間時，溫縮應變緩慢增加，增長速率也保持恒定。Kaniraj等［14］通過對水泥和粉煤灰的混合加固淤泥土的配比試驗研究，得出水泥和粉煤灰加固淤泥土的最佳摻量；穆乃亮等［15］通過摻加不同劑量石灰對低液限粉質黏土進行改良試驗研究，確定了既經濟又滿足工程需要的石灰摻量，并將其應用于現場施工，取得了良好效果。姚輝［16］研究養護溫度對水泥土強度影響，發現養護溫度大于20℃時，水泥土微結構量化參數有相同的變化趨勢，且變化較小。當低于10℃時，水泥土微結構量化參數與高于20℃時有明顯差別。

姜蓉等［17］通過混合料組成設計以及不同條件下的溫度收縮系數和干燥收縮系數的測定等大量試驗，對其強度及收縮特性進行了系統性的試驗研究和分析，得出了在配比選用及收縮特性方面具有規律性和實用性的結論。于新等［18］針對目前半剛性基層易出現溫縮與干縮裂縫這一難題，試圖從降低水泥劑量的角度來減少裂縫的產生，高溫下的平均溫縮系數要明顯大于常溫和低溫。沙慶林［19］認為半剛性基層仍會遭受到很低的負溫度和很大的溫度變化率的影響，半剛性基層產生了很多溫縮裂縫，并促使瀝青面層開裂，形成很多反射裂縫。杜文鳳等［20］測試了不同溫度條件下，邊界摩擦效應對土樣縮裂過程與結果的影響；對產生裂隙的形態與數量進行定量化對比分析，提出了黏性土失水收縮產生裂隙的概念模型。周永祥等［21］提出在溫度變化過程中，除了熱脹冷縮外，固化土內部鹽析晶與水結冰，以及由此引起的液-固界面之間作用力的變化，也是引起其宏觀體積收縮或膨脹的重要原因。馬佳等［22］設計了精確控制濕度的試驗裝置，在脫濕條件下對裂土進行試驗研究，總結了裂縫出現、傳播、擴展的規律。唐朝生等［23］分析得到溫度對黏性土表面裂縫節點個數、裂縫長度、裂縫條數、塊區個數、塊區的最可幾面積、裂縫率和裂隙網絡的分維數等參數有重要影響；塊區面積分布函數的峰值隨溫度的升高而減小。崔宏環等［24］以路基改良土作為研究對象，研究了其在凍融受載耦合條件下的損傷演化規律，建立了凍融受載損傷模型。王霄翔等［25］得出超低溫凍融循環后混凝土峰值應力降低，峰值應變隨凍融循環次數的增加而增大。董慧等［26］得到水泥土凍融前后應力應變曲線均呈應變軟化型，試樣呈脆性破壞。王天亮等［27］提出經歷3次凍融作用后，其臨界動應力隨凍融次數下降趨勢變緩。

綜上所述，對于水泥改良土，已有許多知名學者進行溫度收縮試驗但并未提出有關季節凍土區多次溫度循環的溫縮理論，由于在季節凍土區土體基層是脆性材料，在溫度變化交替時易產生裂縫，該裂縫延伸到路基即形成“反射裂縫”，嚴重影響道路運營，這種裂縫將大大降低季節凍土區道路的使用壽命。

本試驗基于季節凍土區反復高低溫的氣候特點，采用水泥固化劑來改良張家口地區粉質黏土，分析溫度升高與降低時水泥土的收縮特性，通過高低溫交變試驗箱和DH3818靜態應變儀聯合測定水泥穩定土，研究經過高低溫循環作用下水泥土的溫縮性能，從而測得水泥土的多次溫縮應變與溫縮系數，從而找到水泥土溫縮性能的規律，促進水泥改良路基粉質黏土在地基工程中的推廣，以及水泥土材料在寒冷地區的進一步推廣應用，為張家口地區道路交通建設提供相應的指導。

1 試驗方案和材料

1.1 試驗方案

本課題選用（2%、4%、6%、8%）四個水泥摻量，采用應變片法進行溫度收縮性試驗［28］。試件為50 mm×50 mm×200 mm的小梁試件，標準養護7天后，放入溫度為105℃烘干箱內烘12 h至質量不再發生變化，查閱氣象資料可知張家口地區年均地表溫度在40℃左右，最低溫度-20℃左右。故此本試驗溫度變化區間為40～-20℃，設定6個溫度級別，每個級別溫差為10℃。

1.2 試驗方法

（1）應變片法

參照《公路土工試驗規程》［29］對試件表面處理：溫度補償片表面平整，不需要表面處理，一組待測試件共用一個溫度補償標準件。當所有試件和溫度補償片上的應變片連接完畢后，分別將各自的引線接入靜態應變儀（圖1）。采用橫向臥式將試件和溫度補償片一同放入設定好溫度的高低溫交變箱中（圖2），試件底面墊置可滾動的光滑鋼筋，啟動試驗控溫程序，平衡應變儀各測試通道，開始讀數并記錄應變值，采用計算機控制自動讀數并與試驗控溫程序相協調。

圖2 試件橫向臥式放置與整體連接Fig.2 Photo showing the horizontal transverse placements and integral connection of the specimens

（2）溫縮系數

式中：βs為溫度補償標準件的線膨脹系數，βs=0.30×10-6～0.34×10-6℃-1。本文中均為陶瓷材料線膨脹系數，取相同值。

1.3 試驗材料

張家口地區土質以低液限粉質黏土為主，本文試驗中所用土樣取自張家口實際工程張小線K5+750～K7+520延邊路基土，張小線為冬奧會前張家口市升級改造項目之一，路線全長38.517 km，設計時速60 km·h-1，路基寬度12 m，全線以二級公路標準建設。對試驗土料進行了基本物理性能指標試驗，包括篩分試驗、液塑限試驗、擊實試驗等。試驗結果如圖3～4所示。

通過上述試驗得知土體液限wL=30%，塑性指數Ip=12.5，位于圖4中的CL區，所以可以確定土體為低液限粉質黏土。

圖4 土樣塑性試驗結果Fig.4 Experimental relation between liquid limit wL and plastic index Ip

1.4 試驗溫度循環

溫度收縮是指在降溫過程中固相、液相和氣相三者相互作用產生的體積收縮。因為溫度收縮主要由于溫度引起的，為了準確了解改良土在試驗中的溫度變化，減小溫度不準確產生的誤差，本試驗利用智能環境檢測系統數據采集儀對改良土內部進行實時溫度監測。

圖5 是水泥改良土溫度隨時間的變化情況，從中可知每個溫度循環所需要的時間，第一次循環需要45.5 h，溫度循環過程中40℃和-20℃中間不再需要恒溫，所以之后的循環會減少3.5 h，僅需42 h。

2 水泥改良土的溫縮規律

2.1 溫縮應變特性

圖5 水泥改良粉質黏土溫度隨時間的變化Fig.5 Temperature of the cement modified silty clay changing with time

為了更好的模擬季節凍土區溫度往復變化，本試驗溫縮特性研究共進行了6次溫度循環，發現達到第三次溫度循環后水泥改良土內部機理變化趨于穩定，有了明顯的變化規律。為了節省篇幅，本文選取了第一個和第三個溫度循環下溫縮應變進行研究。

圖6 是水泥改良土第一個與第三個溫度循環下的溫縮應變，可知溫縮應變均隨著水泥摻量的增加逐漸增加，水泥改良土溫度收縮應變在升溫和降溫過程中逐漸增大，在升溫過程中溫度收縮應變呈現“波峰”的變化趨勢，在恒溫階段出現峰值，兩側溫度時出現最小值；而在降溫過程中呈現“凹谷”的變化趨勢，恒溫階段處于谷底，兩側溫度處于最大值。因為水泥改良土在升溫和降溫時內部孔隙發生不同的變化，導致不平衡式收縮；由于土體內部水的變化會改變土體孔隙的大小及均勻程度，但溫度收縮應變隨著溫度循環次數的增加逐漸增加，并由此可知隨著高低溫交替的進行土體內部孔隙不斷變化，均勻性也隨之降低。

圖6 水泥改良土溫縮應變隨溫度的變化Fig.6 Temperature shrinkage strain of the cement modified soil changing with temperature at the first（a）and the third（b）temperature cycles

根據第一個溫度循環的試驗數據，利用Origin軟件擬合得到圖7，數據呈現模型為Model：LogNormal2D。

式中：Z為溫縮應變；X為溫度；Y為摻量。擬合度R2=0.916，其 中Z0=515.923，B=346.299，C=2.786×1011，D=2.626×1018，E=1.088×106，F=686.508，G=1.141，H=1.091×106。

由圖8（a）可知，各摻量下的水泥改良土累積溫縮應變隨著水泥摻量增加而增大，且均在第三個溫度循環后趨于平穩，圖8（b）中溫度循環1～4次為降溫時的溫縮應變，5～8次為升溫時的累積溫縮應變，圖8（c）中實線為降溫時累積溫縮應變，虛線為升溫時的累積溫縮應變。由圖8（b）與（c）可得，降溫時的累積溫縮應變小于升溫時的累積溫縮應變，且溫縮應變在3次溫度循環后趨于穩定。其原因是土體在經過3次溫度循環后，土體內部孔隙比基本不會再發生變化，體積收縮趨于溫定。

圖9 數據呈現模型為Model：LogisticCum。

式中：Z為溫縮應變；X為溫度循環次數；Y為摻量。擬合度R2=0.979，其中Z0=1 357.418，B=1.195×107，C=0.894，D=0.442，E=51.062，F=7.121。在給出摻量與溫度循環次數情況下，此方程可預測累積溫縮應變，以便更好地指導實際工程。

圖7 水泥改良土溫縮應變隨溫度與摻量的變化Fig.7 Temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with temperature and cement mixing amount

2.2 溫度與溫縮系數

溫縮應變可以通過數值大小直觀得出反映土體的溫縮性能，溫縮系數則可以反映出土體對溫度的敏感程度，進一步反映土體的溫縮性能，本文為了進一步探究水泥改良土在升降溫過程中的溫縮性能，從6次試驗中選取并計算了第一個循環升溫階段和第三個循環降溫階段的溫縮系數進行研究。

由圖10（a）可知，水泥改良土的溫縮系數在中間溫度階段較為平緩，在兩側溫度-20℃與40℃時較大，且40℃時的溫縮系數大于-20℃時的溫縮系數，水泥改良土的溫縮系數在高溫階段（30～40℃）隨著水泥摻量的增加而增大。

圖8 水泥改良土累積溫縮應變隨溫度循環次數的變化Fig.8 Cumulative temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with number of temperature cycles

圖9 水泥改良土累積溫縮應變隨溫度循環次數與摻量的變化Fig.9 Cumulative temperature shrinkage strain of cement modified soil changing with number of temperature cycles and cement mixing amount

從圖10（b）中可得第三次溫度循環降溫時水泥改良土的溫縮系數與第一次循環升溫時的變化幅度不同，對比得出第一次溫度循環對水泥改良土影響較大，但隨溫度循環次數的增加對水泥改良土影響變小。在溫度變化作用下，摻量越大水泥土的溫縮特性變化幅度越大，摻量小的水泥改良土溫縮特性相較于穩定。水泥改良土內部孔隙均勻性和水化反應由于高溫和低溫的作用發生了變化，因此在高溫與低溫階段溫縮系數變化較大，中間溫度階段較為平穩。依據水泥改良土的溫縮特性并結合文獻［28］得出，水泥改良土在經歷凍融循環后，水泥摻量越大強度越高，可以得知在季節凍土區摻量6%的水泥改良粉質黏土性能較優。

2.3 溫度循環次數與溫縮系數

本試驗對水泥土的溫縮性能研究共進行了6次溫度循環，由上述可知，土體內部機理變化在經過3次溫度循環后趨于穩定，溫縮特性已較為明顯且變化規律趨于穩定。所以本文對前4次溫度循環的溫縮系數和循環次數的關系進行分析。

溫度循環次數為在溫度循環中到達某個溫度時的次數，其中奇數次為降溫時溫縮系數，偶數為升溫時溫縮系數。本文針對季節凍土區水泥改良路基土的溫縮性能進行研究，下面選擇水泥土在極端溫度40℃、-20℃與低溫-10℃、常溫20℃下溫度循環次數與溫縮系數之間關系進行分析。

圖10 水泥改良土溫縮系數隨溫度的變化Fig.10 Temperature shrinkage coefficient of cement modified soil changing with temperature at the temperature rising period of the first temperature cycle（a）and the temperature cooling period of the third temperature cycle（b）

圖11 （a）是40℃水泥土溫度循環次數與溫縮系數關系曲線，可得水泥土溫縮系數隨溫度循環次數增加逐漸降低，初次到達時溫縮系數最大，溫縮系數隨摻量增大逐漸增大，整體達到3次之后趨于穩定，此時水泥6%與2%的溫縮系數持平且低于其他摻量。

圖11 （b）為20℃水泥土溫度循環次數與溫縮系數關系曲線，溫縮系數在初次循環時較大，隨后降低在第三次時升高之后趨于平緩，升溫階段的溫縮系數小于降溫時的溫縮系數，與圖（a）對比得知，20℃水泥改良土溫縮系數整體小于40℃時的溫縮系數，摻量8%的水泥改良土溫縮系數由40℃的最大值變為小于摻量4%、6%的溫縮系數。這是由于土體內部由于高溫影響導致結合水散失水分減少，多次循環后土體內部疏松形成微裂縫，從而改變土體內部結構與機理，因此出現反常的溫縮系數變化。

圖11 （c）為-10℃水泥土溫度循環次數與溫縮系數關系曲線，發現到達-10℃后只有摻量2%的溫縮系數依然保持與40℃、20℃時的溫縮系數相同趨勢，在溫度循環次數第一次時溫縮系數較大，而其他摻量溫縮系數均已接近穩定維持在0～8×10-6℃-1之間，可見隨溫度降低溫縮系數逐漸降低。

圖11 水泥改良土溫縮系數隨溫度循環次數的變化Fig.11 Temperature shrinkage coefficient of cement modified soil changing with number of temperature cycles for various cement mixing amount at 40℃（a），20℃（b），-10℃（c）and-20℃（d）

圖11 （d）為-20℃水泥土溫度循環次數與溫縮系數關系曲線，由于-20℃處于端點且溫度從40℃降低循環，所以只有四次循環次數。發現摻量4%與6%水泥土的溫縮系數初次較高而后較小，摻量6%低于2%的溫縮系數。摻量8%的水泥土溫縮系數則在一直增加，可得在低溫環境中溫縮系數略大于正溫。

由圖11可知，溫縮系數在第一次溫度循環次數時最大，溫縮系數隨摻量增大逐漸增大，其中通過圖11（b）與（c）可得：摻量4%與6%水泥土溫縮系數從奇數降溫時的升高轉變為偶數升溫時的提高，說明溫度對水泥土的溫縮性能影響較大。在40℃與-20℃極端溫度下，水泥摻量2%與6%改良土的溫縮系數低于其他摻量，呈現出良好的溫縮穩定性。由于多次溫度循環后水泥土干密度和含水率變化較小，孔隙率相近，對水泥土骨架結構的損傷程度加強但幅度變小，故隨著溫度循環次數的增加，水泥土的溫縮性能逐漸趨于穩定。

通過上述分析可得出摻量6%的水泥改良土溫縮性能較優，下面對摻量6%水泥土的溫縮特性進行分析。

圖12 摻量6%水泥改良土溫縮系數隨溫度循環次數與溫度變化的三維云圖Fig.12 The 3-D cloud map showing temperature shrinkage coefficient of cement modified soil with cement mixing amount of 6%，changing with number of temperature cycles and temperature

由圖12可知，摻量6%的水泥改良土溫縮系數峰值在第三次溫度循環下的30℃時取得，摻量6%的水泥改良土在0℃時的溫縮系數小于正溫度階段的溫縮系數，水泥改良土溫縮系數隨著溫度降低逐漸減小。由于溫度循環尤其是在負溫影響下，水泥改良土內部水冰之間的相互轉化破壞了其原有結構，微裂縫逐漸積累擴張，致使上述結果發生。

水泥改良土初始的結合水膜較厚，土體的黏聚力低、內摩擦力小，所以水泥改良土初始溫度循環時溫縮應變與溫縮系數變化較大。由于溫度循環在密閉的系統中進行，土體沒有水分補給，使得這種破壞效應雖然逐漸增強但速率反而逐漸減弱。水泥改良土經過多次溫度循環后孔隙率逐漸接近，所以水泥改良土隨著溫度循環次數的增加溫縮特性逐漸趨于平穩。

3 結論

不同水泥摻入量的水泥土溫縮性不同，從溫縮應變、溫縮系數和溫度循環次數三個角度分析水泥土的溫縮性能，得出以下主要結論：

（1）水泥改良土在第一個溫度循環過程中，溫縮應變展現出倒置的“塔”形變化趨勢，隨著水泥摻量的增加逐漸增大，且在升溫和降溫往復過程中逐漸上升。在第三次溫度循環時，土體內部孔隙出現之前相似的變化，溫縮應變降溫和升溫過程中分別出現“凹谷”變化和“凹谷”變化。

（2）水泥改良土的溫縮應變與溫縮系數均隨摻量增大而增大，水泥土摻量2%與6%溫縮系數在低溫區間較小。因此在高低溫多次循環的季節凍土區，摻量2%與6%的水泥土在溫縮性能上表現較優，結合力學特性和溫縮特性綜合考慮，水泥摻量在6%時改良季節凍土區的粉質黏土有較好的的適用性，對道路交通建設具有指導意義。