凍融循環作用下EPS輕質土力學特性試驗研究

顧浩宇, 梅利芳

(湖北工業大學土木建筑與環境學院, 湖北 武漢 430068)

在我國,凍土面積約為215萬km2,約占我國領土面積的22.3%[1],凍土問題一直被古今中外工程地質學者關注,其造成的工程問題屢見不鮮。使用常規材料鋪設的路基,在經歷數次凍融循環后便會逐漸喪失承載力,為此尋求經濟有效的抗凍填筑材料尤為迫切。EPS輕質土是以原料土為主要材料,將水泥、EPS顆粒、纖維等材料按照一定的比例制作而成的人工混合土,由于混入EPS顆粒,使得該材料具有輕質耐久的特點,水泥作為固化劑,其強度也較為理想。由于其輕質高強且強度具有可調節的特點,可以根據工程需要,通過改變原材料的配比制得不同密度、強度和流動性的混合土[2]。為探究凍融作用對路基土的性能影響,程卓[3]等在路基土中添加粉煤灰等土工材料,結果表明經過多次凍融后,隨著粉煤灰添加,混合土的內摩擦角以及粘聚力等呈現出先升高后下降的趨勢。許雷[4]等通過開展不同含水率下對膨脹土進行凍融循環試驗,結果表明在經歷凍融循環后,土體中水分的相態變化會引起水分體積變化,同時土顆粒也會發生膨脹變形。李卓[5]等針對極端氣候條件情況下對南京附近的黏土進行了一系列試驗,結果表明凍融作用可解析為對土體的結構損傷作用,試樣的含水率越高,環境溫度越低,水結冰的條件越充足,土體中的孔隙水在結冰的過程中產生的凍脹力就越大,凍融循環產生的溫度應力也越大。張向東[6]等通過對EPS顆粒輕質土的抗凍性研究,得出了EPS的添加使得混合土的凍脹率降低,并通過對比得出了EPS添加量在0.1%～0.3%時,可以取得較為理想的抗凍脹效果。馮志密[7]等通過對負溫條件下的EPS輕質土開展了無側限抗壓強度試驗,結果表明:不同摻量的EPS輕質土在不同溫度環境下其應力應變關系具有非線性、多階段性以及軟化特性。

近年來隨著相關技術日趨成熟,EPS輕質土作為填充材料得到了大量應用,但是現有研究對輕質土在凍融條件下的特性研究鮮有報導。筆者通過對凍融作用下的EPS輕質土試樣開展了相關試驗,對其物理及相關力學性能進行分析,以期為工程設計與施工提供一定的參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本文所采用的原料土取自武漢江夏區某工地基坑內,取土處距離地面5 m左右。固化劑為42.5級普通硅酸鹽水泥,EPS顆粒為廠家生產,粒徑約為1～2 mm,堆積密度為(0.02～0.04) g/cm3,純顆粒密度為0.024 g/cm3,原料土基本物理性質指標見表1。

表1 試樣土基本物理性質指標

1.2 試樣制備與養護

在試樣制作之前,對原料土進行烘干,隨后粉碎過篩備用。各材料摻量均以干土質量為基準,水泥用量為干土質量的6%, 10%, 14%;EPS顆粒含量為干土質量的1%、1.5%、2%、2.5%,含水率為30%。

制作試樣時,首先將干土和水泥置于攪拌機內攪拌5 min,攪拌均勻后加水繼續攪拌10 min,然后將EPS顆粒添入,攪拌5分鐘后得到均勻密實的EPS顆粒輕質混合土,將輕質土分3層填入制樣器(直徑為39.1 mm,高度為80.0 mm)中,每一層擊實25次。隨后將試樣放入養護箱中養護,養護溫度(20±2)℃,相對濕度大于95%,養護周期28 d。制作完畢的試樣見圖1。

圖1 輕質土試樣

1.3 試驗方案

試樣養護完畢后,進行凍融循環試驗。為防止凍融循環時造成水分流失,每個試樣均用保鮮膜包裹后放入低溫箱(圖3),凍結溫度為-20 ℃,凍結12 h后再將試樣置于養護箱中融化12 h,此為1次凍融循環,共進行9次凍融循環。

圖2 無側限壓力儀 圖3 低溫箱

在每經過1、3、6、9次凍融循環后對試樣的體積和質量進行測量記錄,凍融前試樣的體積和質量記作v0和m0,凍融循環后試樣的體積和質量記作v1和m1,則試樣的凍脹率和質量損失率分別為

(v1-v0)/v0和(m1-m0)/m0

對經歷0、1、3、6、9次凍融循環后的試樣進行無側限抗壓強度測試,所用儀器為校內實驗室內提供的全自動無側限壓力儀(圖2),下壓速率1 mm/min,各試樣測試時間控制在5～10 min。

2 試驗結果分析

2.1 凍脹率

圖4為EPS摻量1%,水泥摻量不同時,凍脹率與凍融循環次數關系圖。輕質土的凍脹率隨著凍融次數的增加呈現出一種先增后減的趨勢。在第3次凍融后,輕質土凍脹率達到最大值,隨后逐漸下降。當輕質土中的水泥含量越高時,其凍脹率越低,這說明水泥的摻量直接影響輕質土的抗凍脹能力。一方面輕質土在經歷凍融后其體積發生膨脹的本質是土體內孔隙水凍結后體積擴大,這些冰分布在土體內部的各個通道及孔隙內,凍結后體積擴大從而使土體發生膨脹;而水泥經過水化后形成的水化產物跟土顆粒緊緊吸附在EPS顆粒表面,組成了一個個顆粒小團體,這些顆粒小團體通過水泥的膠結作用,緊密的聯結在一起。當土體內部水分凍結體積擴大時,這些小顆粒團體之間所構成的關系網便會牢牢鎖住欲膨脹的冰,限制其體積向外膨脹。水泥含量越多,土體內部形成的膠結網狀結構[8]也會越多,膠結作用越明顯,有效限制了內部孔隙水凍結后的體積膨脹。

圖4 不同水泥摻量下的輕質土凍脹率與凍融循環次數關系

圖5為水泥摻量6%,EPS顆粒摻量不同時,凍脹率與凍融循環次數的關系圖。值得注意的是,當EPS含量從1%增至2.5%時,其凍脹率峰值由0.97%降至0.294%,EPS摻量越大,試樣的凍脹率越小。隨著凍融循環次數的增加,4種EPS含量的輕質土其凍脹率均呈現出先增大然后減小的趨勢。與分析凍脹率與水泥含量關系不同的是,前者均是在經歷三次凍融循環后凍脹率均開始下降,而后者則是兩種情況,在EPS含量較少的1%和1.5%的情況下,輕質土試樣均是經三次凍融后其凍脹率便逐步下降;而EPS含量較多的2%和2.5%輕質土試樣,經歷6次凍融后才開始下降,造成這一現象的原因是EPS顆粒的添加只置換了同體積的網狀膠結結構,使得這種網狀結構占比減小,弱化了試樣結構的整體性以及強度[8],所以在EPS顆粒含量較高的情況下,試樣經歷凍融時,并沒有足夠的水化膠結結構來有效限制其體積的膨脹,只能由EPS顆粒利用其自身具有的可壓縮性以及顆粒內部的孔隙來共同容納由于凍脹產生的體積增量,所以試樣會經歷6次左右凍融才會達到其凍脹率峰值,而EPS顆粒含量較少時試樣在水化膠結產物以及EPS顆粒的共同作用下完全能夠容納水凍結的體積增量,所以在第三次凍融后凍脹率便會開始下降。

圖5 不同EPS顆粒摻量下的輕質土凍脹率與凍融循環次數關系

2.2 質量損失率

輕質土質量的損失反映了其經凍融后的損傷程度[10],圖6為水泥摻量為14%和10%時,EPS添加量不同的試樣質量損失率與凍融次數關系圖。從圖中我們可以看出,從1次凍融到3次凍融后,試樣的質量損失率陡然上升,從第三次至第九次凍融循環時,試樣的質量損失率仍在增加,但上升速率逐漸趨于平緩。造成這種現象的原因是由于在凍融初期,輕質土試樣內部各孔隙相對獨立,內部水份自由度較低,不能自由遷移,水凝結成冰時體積擴張所產生的膨脹力加速了土體的損傷,造成土體表面顆粒加速脫落;到了凍融循環的中后期,由于水結冰造成的體積擴張逐漸貫通土體內部各個孔道,使得內部孔道相互聯通,融化后孔隙水可以自由遷移,分布更均勻,減少了凍融循環時產生凍脹力,降低土體內部結構重新分布,減小了土體結構損傷。

(a) 水泥含量14%

(b)水泥含量10%

結合圖6,可以發現當EPS含量為2%時,兩種水泥含量不同的試樣質量損失率均為最小值,此時輕質土能夠發揮較好的抗凍效果。

2.3 EPS顆粒和水泥對強度影響機制分析

根據試驗過程中所發現不同配比的試樣在經歷凍融循環后均表現出類似特征,由于水泥在試樣中充當固化劑作用,為了更直觀體現EPS顆粒對抗凍融循環效果,弱化水泥對試樣的固化作用,筆者選取水泥含量為6%的試樣進行分析。圖7a為水泥含量6%、EPS含量1%的試樣在經歷不同凍融循環次數下的應力應變曲線圖。試樣在為經歷凍融循環之前,峰值應力可達到930 kPa,一次凍融循環后,試樣強度迅速降低至700 kPa,強度降低約22%,隨著凍融循環次數的增加,試樣強度下降趨勢逐漸變緩,第三次凍融循環后和第一次相比,峰值應力只下降了3.4%,9次凍融后的試樣強度下降了31.7%。圖7b為EPS摻量為2%的試樣經歷不同凍融循環次數后的應力應變曲線圖,在EPS摻量增加一倍后,一次凍融后的試樣強度與凍融的試樣強度相比,峰值強度降低幅度明顯減小,EPS添加量為2%時,未經凍融的試樣峰值強度為618 kPa,第一次凍融后試樣強度為566 kPa,降低約8.4%。經歷9次凍融循環后,試樣強度下降了28%。

在經歷第一次凍融循環后,試樣的峰值強度大幅下降,在之后的凍融循環中,其峰值應力降低趨勢趨于平緩,這是由于在添加了EPS顆粒后,EPS顆粒與原土體中的土顆粒進行置換,增大了孔隙率,同時EPS顆粒內部也分布著大量閉合及開放的孔隙,當土體中的水凝結成冰時,使得土體內部體積膨脹,同時試樣中的水泥持續水化也消耗了一部分孔隙水,試樣繼續凍融時,土體內部水凝結成冰所擴展的空間也越來越有限,同時EPS與土顆粒進行置換所增大的土體內部的空隙消納了部分膨脹的體積,故隨著凍融次數增加,其強度損失速率會逐漸平緩。

(a) 水泥6%、EPS1%

(b) 水泥6%、EPS2%

在輕質土中,水泥起骨架作用,承擔了大部分的荷載[10]。為研究水泥對輕質土凍融后對其強度的影響,選取水泥含量分別為14%、10%,6%,EPS含量均為1%的試樣,組成3組平行試樣進行對比。圖8a為水泥含量14%、EPS含量1%的試樣應力應變圖,由于水泥含量較高,經第一次凍融后試樣的峰值應力從1864 kPa下降到1808 kPa,下降了56 kPa,峰值應力均集中在2%附近。在經歷過3次凍融循環后,到第6次凍融后試樣強度下降較大,由1733 kPa降至1431 kPa,下降了17.4%,第6次凍融循環之后,應力應變曲線下降趨勢具有一致性;圖8b為水泥含量10%EPS含量為1%的試樣在不同凍融循環次數下的應力應變曲線圖。在水泥含量減少時,凍融1次后的試樣的峰值應力與未凍融試樣的峰值應力相比,下降幅度較大,由原來的1342 kPa下降至1248 kPa,下降了7%,水泥的減少使得土體內部的膠結網狀結構減少,強度較高的骨架結構也減少,使得輕質土限制土體內部體積膨脹的能力下降,承載力也大幅下降。水泥含量越多,這種硬凝的效果就越好,在經歷多次凍融循環下,其強度損耗比低于水泥含量較低的輕質土試樣。

(a)水泥14%、EPS1%

(b)水泥10%、EPS1%

(c)水泥6%、EPS1%

2.4 凍融循環次數對抗壓強度影響分析

圖9為EPS摻量為6%時,不同水泥摻量下的輕質土試樣其抗壓強度隨凍融次數的變化關系圖。

圖9 抗壓強度與凍融循環次數關系

從圖9中可以看出水泥添加量為14%的輕質土試樣,其初始強度雖高,但其抗壓強度下降速率很高,經9次凍融后的試樣的抗壓強度只有未凍融試樣的75%;水泥含量為6%的輕質土試樣,初始強度只有水泥含量為14%的試樣的一半,但下降速率卻較為平緩,經9次凍融后,其最終抗壓強度約為初始強度的65.3%。基于試驗基礎,對圖9的數據點進行擬合建立無側限抗壓強度與凍融次數的關系模型,凍融循環次數c為自變量,無側限抗壓強度為因變量,擬合相關指數R2=0.93,擬合效果較好。無側限抗壓強度與凍融次數的關系式如下:

q=kc+m

式中:q為無側限抗壓強度;k和m均為擬合參數,與凍融次數以及水泥摻量有關。

隨著凍融次數的增加,輕質土的無側限抗壓強度也會降低,水泥添加量的不同影響的是截距以及斜率,水泥添加量較低,初始強度低,試樣經凍融后強度下降速率較為緩慢;當水泥添加量較高時,初始強度就會較高,但強度下降的速率較快,所以當水泥添加量處于10%時,可認為此時試樣配比接近最優,試樣的初始強度以及強度下降速率均可以達到較為理想的數值。表2為EPS摻量一定、水泥摻量變化時試樣強度隨著凍融次數變化的各擬合參數。

表2 輕質土強度與水泥摻量的擬合參數

圖10為水泥摻量為6%時,不同EPS摻量的輕質土試樣的抗壓強度與凍融次數關系圖。

圖10 抗壓強度與凍融循環次數關系

在試驗的基礎上,將圖中散點進行擬合建立無側限抗壓強度與凍融次數的關系模型圖,凍融次數為自變量,無側限抗壓強度為因變量,擬合相關指數R2=0.90,無側限抗壓強度與凍融循環次數關系為:

q=ac2+bc+t

式中:q為無側限抗壓強度;a、b、t均為擬合參數,與EPS含量有關;c為凍融循環次數。

當EPS摻量越高時,輕質土試樣在經歷凍融循環后,其無側限抗壓強度下降速率越小,但當EPS添加量增多時,試樣的初始無側限抗壓強度會降低,從圖中可知,當EPS含量為2%和2.5%時,試樣強度下降趨勢類似,所以我們認為EPS添加量控制在2%以內可以得到較好的抗凍效果,添加量超過2%的意義不大。表3為水泥添加量一定,不同EPS摻量的輕質土試樣的無側限抗壓強度隨著凍融次數而變化的擬合參數。

表3 輕質土強度與EPS摻量的擬合參數

3 結論

1)水泥和EPS顆粒能夠顯著降低輕質土的凍脹率,水泥摻量越高,其凍脹率越低。隨著凍融次數的增加,輕質土凍脹率會呈現出先增后減的趨勢。

2)質量損失率反映了輕質土凍融后的損傷程度,EPS顆粒的添加能有效減少輕質土的質量損失,試驗結果表明在EPS顆粒添加量在2%時,可有效降低其質量損失,添加量超過2%后其效果不明顯。

3)EPS顆粒本身具有的孔隙結構可容納輕質土內部孔隙水凍結后造成的體積膨脹,隨著摻量的增加,輕質土抵抗凍脹變形的能力越強,由此也降低了凍融循環后的強度損失;水泥在輕質土承擔著骨架作用,承受大部分荷載,水泥摻量越高,輕質土內部結構聯結越緊密,抗凍脹能力越強,輕質土經凍融循環后的強度損失也越少。

4)建立無側限抗壓強度與凍融循環次數的定量關系,基于兩種函數的相關系數R2為0.93和0.9,均能反映輕質土在經歷凍融循環后其無側限抗壓強度的劣化規律。