凍融環(huán)境下納米黏土改性濱海水泥土三軸力學(xué)特性研究

崔孝華

（蕪湖市正泰工程建設(shè)監(jiān)理（咨詢）有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

凍土在我國(guó)許多地區(qū)分布廣泛，主要分為多年性凍土、季節(jié)性凍土和短時(shí)性凍土[1]。土體內(nèi)部孔隙水在凍融作用下發(fā)生遷移和相變，使得土體微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變導(dǎo)致土體出現(xiàn)凍脹融沉現(xiàn)象，土體力學(xué)性能劣化[2]。凍融循環(huán)作用是凍土地區(qū)地下工程發(fā)生病害的重要因素[3]。為克服凍融循環(huán)對(duì)土體的劣化作用，工程中常用水泥等對(duì)土體進(jìn)行改良[4]。

工程中常用水泥改良土體，但是隨著水泥摻量的增加土體脆性增大，易出現(xiàn)裂縫[5]。納米黏土表面具有大量的自由原子和分子，因此可以從物理和化學(xué)角度提升土體表面活性，促進(jìn)土體發(fā)生反應(yīng)，從而改善土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和提升土體強(qiáng)度[6]。Arabani等[7]在水泥穩(wěn)定砂中摻入納米黏土并進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明在28d齡期下，當(dāng)納米黏土摻量為2%時(shí)改性水泥穩(wěn)定砂的抗壓強(qiáng)度提高48%。楊靜在水泥土中摻入納米黏土并進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明納米黏土的加入可以提高水泥土的抗剪強(qiáng)度、粘聚力和摩擦角。

目前，關(guān)于凍融作用對(duì)水泥土影響的研究主要集中于水泥土強(qiáng)度劣化規(guī)律、凍融循環(huán)溫度、時(shí)間與應(yīng)力關(guān)系等[8]，而在凍融環(huán)境下水泥土微觀參數(shù)定量分析的研究成果較少。本文以水泥土和納米黏土改性水泥土（下文簡(jiǎn)稱“納米水泥土”）為研究對(duì)象，通過三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探究不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土抗剪強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，分析凍融循環(huán)作用對(duì)水泥土和納米水泥土劣化的影響[9]。

1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

本文的研究用土是紹興濱海軟土，取自紹興濱海新城濱江區(qū)，取土深度為1～1.6m。土體呈灰褐色，濱海軟土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。本試驗(yàn)所用納米黏土系湖北某科技有限公司生產(chǎn)，整體呈米白色粉末狀，納米黏土的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。水泥為古越牌通用硅酸鹽水泥PC32.5，水泥的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 濱海軟土物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 納米黏土主要技術(shù)指標(biāo)

表3 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試樣制備

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019），本試驗(yàn)制樣過程在室內(nèi)常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，具體步驟如下：

（1）將試驗(yàn)用土放入烘箱烘干，烘干后的土過2mm篩以去除土中大顆粒和雜質(zhì)。

（2）以干土質(zhì)量比為準(zhǔn)進(jìn)行配比，其中水泥摻量為20%，納米黏土摻量為20%，混合土含水率為80%。

（3）將配置后的混合土分3層裝入三軸模具（內(nèi)直徑39.1mm、高80mm）中并振實(shí)，每次振搗40下。

（4）在三次振搗完后，用刮刀將試樣頂面和底面刮平，用濾紙和橡皮筋包住，帶模具放入水中養(yǎng)護(hù)7d。

2 試驗(yàn)方案

2.1 凍融循環(huán)方案

將養(yǎng)護(hù)后的土樣用保鮮膜密封，形成密閉的凍融環(huán)境，防止與外界進(jìn)行水分交換。本試驗(yàn)選取0次、3次、5次、7次和10次對(duì)土體凍融循環(huán)。凍結(jié)溫度設(shè)定為-5℃，融化溫度為+5℃。凍融循環(huán)過程為24h，其中冷凍與融化均為12h，從而構(gòu)成一次完整的凍融循環(huán)過程。試驗(yàn)方案見表4。

表4 水泥土與納米水泥土試驗(yàn)方案

2.2 力學(xué)測(cè)試方案

試驗(yàn)儀器采用的是南京某科技有限公司生產(chǎn)的TKA-TTS-3S型的全自動(dòng)應(yīng)力路徑三軸儀。對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，圍壓分別選取100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為1mm/min，剪切應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)停止試驗(yàn)。

2.3 微觀測(cè)試方案

掃描電鏡測(cè)試儀器采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡。當(dāng)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)束后將試樣掰碎，拾取破碎面上土樣，進(jìn)行風(fēng)干后作為電鏡掃描樣。利用離子濺射儀對(duì)電鏡掃描樣表面進(jìn)行噴金處理增加導(dǎo)電性，最后將制備完成的電鏡掃描樣置于電子掃描顯微鏡中[10]。對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的改性水泥土進(jìn)行掃描電鏡成像，放大倍數(shù)為1000倍。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖1可知未凍融的試樣表現(xiàn)出明顯的軟化特性，偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。隨著凍融次數(shù)的增加，水泥土的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸由軟化型向硬化型過渡，偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，且增大的速率逐漸減小。

圖1 凍融作用下水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

在相同凍融次數(shù)下，隨著圍壓的增大水泥土偏應(yīng)力應(yīng)變曲線由軟化特性逐漸向硬化特性轉(zhuǎn)變，且多次凍融循環(huán)后表現(xiàn)更為明顯。這說明圍壓的大小對(duì)凍融后的水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線具有重要的影響，高圍壓增加顆粒間的聯(lián)結(jié)力，減緩了在剪切破壞時(shí)裂紋和裂隙的生成[11]。

圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)的納米水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。在不同圍壓下納米水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均表現(xiàn)為軟化型，偏應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。這是由于納米黏土的摻入提高了土體表面的活性，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，生成了更多的水硬性膠凝物質(zhì)[12]。

圖2 凍融作用下納米水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同凍融循環(huán)次數(shù)下的水泥土和納米水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表4所示。水泥土和納米水泥土的黏聚力都隨著凍融次數(shù)的增加而減小，水泥土在凍融10次后的黏聚力較未凍融的下降了27%，納米水泥土在凍融10次后的黏聚力較未凍融的下降了17%。凍融循環(huán)10次后，納米水泥土黏聚力是水泥土的117%，表明納米黏土的加入減弱了凍融作用對(duì)水泥土黏聚力的影響。

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的水泥土和納米水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

凍融循環(huán)過程中，水泥土的內(nèi)摩擦角變化幅度不大，而納米水泥土的內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)的增加而減小[13]。其原因可能是納米黏土的加入加快了水泥的水化反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物，未凍融時(shí)納米水泥土的內(nèi)摩擦角明顯大于水泥土[14]。隨著凍融作用的進(jìn)行，納米水泥土內(nèi)部大顆粒開始破裂，納米黏土廣泛分布于內(nèi)部孔隙中[15]。由于納米黏土顆粒主要呈粒狀結(jié)構(gòu)，且體型較小，進(jìn)而減小了納米水泥土內(nèi)部顆粒與顆粒的咬合力[16]，因此在凍融10次后，納米水泥土的內(nèi)摩擦角小于水泥土。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的水泥土和納米水泥土進(jìn)行三軸試驗(yàn)試驗(yàn)和電鏡掃描測(cè)試，得出以下結(jié)論：隨著凍融次數(shù)的增加，試樣的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型過度到應(yīng)變硬化型；摻入20%納米黏土后，納米水泥土的破壞偏應(yīng)力、摩擦角和黏聚力均有所提高，其中在100kPa圍壓下，納米水泥土和水泥土的破壞偏應(yīng)力分別為467kPa和432kPa；納米黏土的摻入提升了水泥土的抗凍融劣化能力。凍融循環(huán)10次后，納米水泥土黏聚力約為未凍融的84%，水泥土黏聚力約為未凍融的73%。