凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土強度及變形特性研究

胡建林，高鵬飛，張玉龍

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000；2.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)

0 引言

凍土是由土顆粒、冰水混合物和氣體共同構成的3項復合體，可分為短時凍土、季節性凍土和永久凍土，其中季節性凍土地區在我國的分布十分廣泛，占全國面積的53.5%[1]。在北方季節性凍土地區，路基土經過反復凍融，破壞了其原始的水熱平衡，致使路基產生不均勻沉降，路面出現裂縫、波浪和塌陷等病害，嚴重危害了道路的通行。因此，人們通過大量的試驗研究，在路基土中加入水泥、粉煤灰和新型固化劑等材料，以求提高路基土的凍融耐久性。其中水泥作為一種常見的固化劑，在加入土中后可明顯提高路基土的強度與凍融耐久性[2]。對于水泥土的抗凍性能研究，眾多學者進行了廣泛的分析。陳四利等[3]對水泥土的凍融耐久性進行了分析，結果表明，凍融循環會導致水泥土的抗剪強度、抗壓強度降低，而滲透系數提高。張淑玲等[4]對凍融循環后水泥土的力學性能進行了分析，結果表明，干凍下水泥土的抗壓強度明顯高于濕凍，并通過對水泥土凍融破壞的分析解釋了水泥土的抗凍機理。張經雙等[5]對不同齡期水泥土進行了凍融循環試驗，結果表明，不同齡期的水泥土經過15次凍融循環后其強度均下降了50%以上。王天亮等[6]對凍融循環作用下水泥土的變形特性進行了研究，分析表明水泥土的應力-應變曲線為應變軟化型。寧寶寬等[7]對不同土質、不同水泥配比的水泥土做了凍融循環試驗，結果表明，黏土水泥土的抗凍性大于淤泥質水泥土，且存在一個最優水泥配比使水泥土的抗凍性最好。上述研究表明，水泥土較普通土體凍融循環耐久性已有明顯的提高，但其在低水泥配比下的抗凍性依舊較差，且受土質、水泥配比和齡期等因素的影響較大。為此，尋找一種合適的水泥合成材料是目前季凍區亟待解決的問題。研究表明，在水泥土中加入微硅粉[8]、赤泥-鋼渣[9]、玄武巖纖維[10]和橡膠粉[11]等摻合料可提高水泥土的強度與凍融循環耐久性，但上述摻合料因造價較高或施工不便難以應用到實際工程中。

鐵尾礦是鐵礦石篩選后剩余的廢棄物，是目前尾礦壩的重要組成。鐵尾礦的大量堆砌不僅會造成尾礦壩面臨坍塌、潰壩的風險，而且會產生重金屬流失、環境污染等問題。因此，對鐵尾礦的再生利用是今后綠色發展的重要目標。

基于固體廢料二次利用的思想。本文嘗試在水泥土中加入鐵尾礦砂，探究鐵尾礦砂對水泥土強度以及抗凍能力的影響，并與素水泥土進行比較。為寒區工程凍融耐久性做一些有益的探索。

1 試驗

1.1 試樣材料

本次試驗所用水泥為張家口市金隅水泥廠生產，強度等級為32.5的礦渣硅酸鹽水泥，土樣取自張家口市某基坑，土質為典型的粉質黏土，土樣的基本物理性質見表1，顆粒級配曲線如圖1所示；鐵尾礦砂為某鋼廠經篩選后的顆粒廢棄物，其化學組成見表2，顆粒級配曲線如圖2所示。

表1 土樣的基本物理性質

圖1 土的顆粒級配曲線

表2 鐵尾礦砂的化學成分

圖2 鐵尾礦砂的顆粒級配曲線

1.2 試樣制備

根據《土工試驗方法標準》[12]對重塑土的制備要求，將土樣烘干并過2 mm土壤篩，鐵尾礦砂過2.36 mm砂石篩，去除鐵尾礦砂中較大的顆粒雜質。采用靜壓法制備無側限抗壓強度試驗的試件，試件尺寸為φ100 mm×100 mm。通過不同配合比的擊實試驗得到水泥土的最優含水率和最大干密度，見表3。水泥土試件采用最優含水率制作。首先將素土與鐵尾礦砂充分混合后加水至最優含水率并放入保鮮袋中密封24 h，以保證含水率均勻。之后加入水泥充分攪拌，分3層放入鋼型模具中靜壓成型。試件成型后靜置4 h脫模并放入養護箱中進行標準養護。

表3 不同配比水泥土擊實試驗

1.3 試驗設計

(1)無側限抗壓強度試驗設計

無側限抗壓強度試驗參考《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[13]的相關內容，將養護一定齡期的水泥土試件稱重,測量尺寸后在萬能試驗機上進行無側限抗壓強度試驗，加載速率為1 mm/min，試件破碎后取部分碎塊測量其含水率。

(2)凍融循環試驗設計

參考文獻[14],并根據北方季凍區氣候變化幅度，選定凍結溫度為-20 ℃，融化溫度為25 ℃。具體操作步驟如下：將養護到齡期的水泥土試件放入20 ℃的恒溫水箱中浸泡48 h，之后開始進行凍融循環實驗。將水泥土試件放入低溫試驗箱中凍結12 h，凍結完畢后在常溫(25 ℃)環境下融化12 h，此為1次凍融循環。每次循環完成后測量水泥土試件的質量及高度變化，之后進行無側限抗壓強度試驗，以單軸抗壓強度指標評價水泥土抵抗凍融循環能力的大小。循環次數為0、3、6、9、15次。

1.4 試驗方案

試驗包括無側限抗壓強度試驗和凍融循環試驗。為對比不同鐵尾礦砂和不同水泥配比對水泥土無側限抗壓強度的影響，得到鐵尾礦砂的最優配合比，根據相關規范[15]，選取水泥配比為8%、12%、16%、20%，鐵尾礦砂配比為0%、10%、20%、30%、40%，養護齡期為28 d，壓實度為95%，每個配比做3個平行試件，測試結果取其平均值，各配比的計算公式如下

(1)

(2)

式中：αT為鐵尾礦砂配比，%；αC為水泥配比，%；mC、mT、mS分別為水泥質量、鐵尾礦砂質量和素土質量，kg。

凍融循環試驗探究循環次數以及水泥配比對鐵尾礦砂水泥土耐久性的影響，選定凍融循環次數為0、3、6、9、15次，水泥配比為8%、12%、16%、20%，鐵尾礦砂配比為無側限抗壓強度實驗中鐵尾礦砂的最佳摻入量，同時選取鐵尾礦砂配比0%的素水泥土進行對比，養護齡期為28 d，按照壓實度95%制作試件，其中每個配比做3個平行試件，測試結果取平均值。

2 試驗結果分析

2.1 鐵尾礦砂水泥土無側限抗壓強度分析

圖3為不同水泥配比下鐵尾礦砂配比與水泥土無側限抗壓強度柱狀圖，從圖3中可以看出，在相同水泥配比下，水泥土的抗壓強度隨鐵尾礦砂配比的增加呈先增大后減小的趨勢，在鐵尾礦砂配比為20%時，水泥土的強度提升最大，在鐵尾礦砂配比為40%時強度提升最小。同時可以看出，隨著水泥配比的增加，鐵尾礦砂對水泥土的強度提升逐漸減小，例如在水泥配比8%時，不同鐵尾礦砂水泥土的強度增長率分別為45%、76%、66%、32%，而在水泥配比20%時，水泥土的強度增長率僅為6.5%、14%、8%、4%。究其原因，這是因為鐵尾礦砂在水泥土中的骨架填充作用，使得水泥土的結構更加密實[16]，從而提高了水泥土的抗壓強度。當水泥配比過大時，水泥土自身水化反應形成的孔隙結構較為致密，鐵尾礦的填充作用反而不明顯。除此之外，摻入過多的鐵尾礦砂會使土體中的黏性顆粒相對減少，土體自身的黏聚力降低，從而導致水泥土的抗壓強度在鐵尾礦砂配比超過20%后呈下降趨勢。

圖3 鐵尾礦砂水泥土無側限抗壓強度及強度增長率

2.2 凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土應力應變曲線

從上述分析可以得出，鐵尾礦砂摻入量在20%時，各配比下的水泥土抗壓強度最高，其強度增長率也最大，因此，選取鐵尾礦砂20%的水泥土進行凍融循環試驗。2種水泥土在凍融循環作用下的應力應變曲線如圖4和圖5所示。其中n為凍融循環次數。從圖4和圖5中可以看出，相同水泥配比下，2種水泥土的應力應變曲線大部分分布在循環次數為0的曲線下方，這說明凍融循環會對2種水泥土的內部結構造成一定程度的損傷，導致其力學性能發生變化。對比2種水泥土在不同水泥配比下的應力應變曲線得知，素水泥土在水泥配比8%～12%時損傷較大，不同凍融循環次數的曲線相差比較明顯，而在水泥配比16%～20%時，不同凍融次數的曲線有較大部分重疊，水泥土損傷較小。而鐵尾礦砂水泥土在不同循環次數下的應力應變曲線均處于一定范圍之內，各曲線相差較小。因此，可以認為鐵尾礦砂水泥土在凍融循環作用下的應力應變優于素水泥土，同時水泥配比越高，水泥土抵抗凍融循環的能力就越強。

2.3 凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土脆性指數

從圖4和圖5中可以看出，2種水泥土的應力-應變曲線都可視為應變-軟化型曲線，具有明顯的峰值點，破壞方式為典型的脆性破壞。因此，可以用脆性指數(I)[17]來表征鐵尾礦砂水泥土和素水泥土的應力應變特性，其公式如下

圖4 凍融循環作用下素水泥土應力應變曲線

圖5 凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土應力應變曲線

(3)

式中：f(σ,ε)為水泥土應力應變曲線函數；σp為水泥土的峰值強度；σr為水泥土的殘余強度；εp為水泥土的峰值應變；εr為水泥土的殘余應變；0≤I≤1。

脆性指數可定義為水泥土在荷載作用下受到破壞時，釋放的彈性能與峰值點之間所存儲的總能之比。由脆性指數的定義可知，水泥土在達到峰值點后釋放的彈性能越大，其在失穩破壞后釋放的能量就越大，水泥土脆性就越大。

2種水泥土的脆性指數如圖6所示。由圖6可以看出，素水泥土和鐵尾礦砂水泥土的脆性指數都會隨著凍融循環次數的增加而持續增加，但增加速率逐漸變緩，在循環次數達到9次之后，脆性指數逐漸趨于平緩。同時，水泥配比越大，水泥土的脆性指數越大。這說明，增大水泥配比雖然可以提高水泥土的抗壓強度，但脆性也會顯著增加，導致水泥土在破壞時殘余強度變小。此外，對比2種水泥土的脆性指數可以看出，素水泥土的脆性指數大部分分布在0.4～0.9，而鐵尾礦砂水泥土的脆性指數則在0.25～0.6，即加入鐵尾礦砂可以使水泥土的脆性指數降低，使其在破壞后釋放的能量減小，殘余強度增加。

圖6 2種水泥土的脆性指數

2.4 凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土的峰值應力

為進一步分析2種水泥土在凍融循環作用下的力學特性，取水泥土應力應變曲線上的峰值點作為2種水泥土的峰值應力，建立循環次數與峰值應力的關系曲線，如圖7所示。由圖7可以看出，2種水泥土的峰值強度都會隨循環次數的增加呈先減小后略微增大的趨勢，具有明顯的拐點。在水泥配比8%和12%時，素水泥土到達拐點的循環次數為9次和6次，而鐵尾礦砂水泥土到達拐點的循環次數均為6次。在水泥配比16%和20%時，2種水泥土均在循環次數3次后強度不再下降。這說明隨著水泥配比的增加，水泥土到達拐點對應的凍融循環次數明顯減少。同時，在相同水泥配比下，加入鐵尾礦砂可以使水泥土的拐點有提前的趨勢。此外，在低水泥配比下，素水泥土在到達拐點后強度無明顯增長，而鐵尾礦砂水泥土在到達拐點后強度增長明顯。即鐵尾礦砂可以明顯提高水泥土在到達拐點后的強度。

2.5 凍融循環作用下鐵尾礦砂水泥土強度變化機理

凍融循環會對水泥土的強度造成一定程度的劣化，這是因為水泥土在凍結時，土體內部的孔隙水會發生相變，使其體積增大約9%，從而產生了較大的膨脹應力，在與土體作用中很容易產生應力集中，從而使土體結構產生微裂隙。而水泥土在常溫狀態下融化時，土體中的液態水會向結構裂縫中遷移，產生靜水壓力[18]，進一步使水泥土內部產生裂縫，致使土體的孔隙持續增大。反復的凍結融化使水泥土內部由最初的微小裂紋逐漸演變成貫穿整個試件的宏觀裂縫，進而使水泥土在外力作用下產生極大的變形，致使其強度降低。同時，根據Fick第二定律可知[19]，土體在未凍結時，其表層和內部的液態水含量是不一致的，在養護過程中易產生內外含量差，而水泥土在凍融循環過程中，土體內部的水分子在液相與固相轉換時會產生吸熱放熱現象，使水泥土內部產生溫差，加快了其裂隙的發展。

水泥土在凍融過程中，其強度并不會持續減小，而是有一定的閾值，超過這個閾值后強度反而有所回升。這是因為在多次凍融循環后，土體內部的孔隙會產生一定程度的擴展，凍脹融沉產生的變形就會有一定的空間，固態水與土體之間的應力集中也會顯著減小，從而使水泥土的強度衰減逐漸降低[20]。此外，在水泥土中加入鐵尾礦砂可以有效填充水泥土內部的孔隙，形成以水泥為骨架，鐵尾礦砂為中心，土顆粒包裹并填充水泥土內部孔隙的結構，增加了水泥土的密實性，阻止了液態水在裂隙中的流通。從而使水泥土在凍融循環作用下的強度劣化減小。同時，參考文獻[21-22]表明，凍融循環會使水泥土的內部結構發生重組，顆粒之間的摩擦力增大，而鐵尾礦砂顆粒的表面凹凸不平，更有利于摩擦效應的發揮，致使鐵尾礦砂水泥土在一定凍融循環次數后的強度回升十分明顯。

3 結論

(1)相同水泥配比下，鐵尾礦砂摻入量在20%時對水泥土的強度提升最大，最高強度增長率為76%。同時，鐵尾礦砂對水泥土的增強效應在低水泥配比時表現得更明顯。

(2)凍融循環會對鐵尾礦砂水泥土和素水泥土的應力應變造成一定程度的損傷，但鐵尾礦砂水泥土較素水泥土來說其應力應變曲線劣化程度較小。

(3)2種水泥土的脆性指數均會隨凍融循環次數的增加呈先增加后逐漸趨于平緩的趨勢，但鐵尾礦砂水泥土的脆性指數明顯小于素水泥土。

(4)2種水泥土的峰值強度均隨凍融循環次數的增加呈先減小后略微增大的趨勢，但鐵尾礦砂水泥土在凍融循環作用下的強度回升十分明顯。