自密實固化土的凍融循環力學特性試驗研究

邵應峰， 周云東， 黃安國， 王 響， 高玉峰

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 2.河海大學土木與交通學院，南京 210098）

自密實固化土是利用溝槽、基坑開挖產生的廢棄土作為原料，再摻入一定比例的固化劑和水，經充分拌合后形成的具有高流動性及自密實性能的一種填筑材料，它既可作為道路路基材料用于路基工程中，還可用于各類溝槽、基坑的回填和地基加固處理中. 利用自密實固化土進行實際工程建設具有以下幾個優點：可對廢棄土進行資源化利用，減少廢棄土的外運，降低能源消耗與工程造價，體現了低碳理念；采用無揚塵的濕法施工，降低了對環境的污染；僅靠自身重力即可在狹小和異形的空間中保證填筑體的均勻密實，且在填筑過程中無須振搗，不僅可減少噪音對環境的影響，還可縮短工期；在低水泥摻量下仍具有較高的強度，大幅提高了填筑質量.

季節性凍土在我國分布廣泛［1］，季節性凍土一般會在冬季凍結、夏季全部融化，土體每年至少要經歷一次凍融循環，而土中水分發生凍結和融化后會導致土體原有的物理力學性質發生改變，最終會影響土體的安全性和耐久性［2-4］. 因此，眾多學者［5-8］展開了關于凍融循環后土體力學特性的試驗研究. 談云志等［9］通過試驗探究了凍融循環對不同初始含水率和初始壓實度的改良粉土強度及孔隙結構的影響規律. 王天亮等［10］通過試驗探究了凍融循環次數對水泥改良土和石灰改良土的強度和應力-應變關系的影響. 陳四利等［11］通過試驗探究了凍融循環次數對水泥土抗剪強度、抗壓強度及滲透系數的影響. 侯淑鵬等［12］通過試驗分析了不同凍融循環次數后水泥土試樣的單軸抗壓強度和質量的變化，并探討了凍融循環條件下水泥土的損傷劣化機制. 張淑玲等［13］對粉煤灰土和水泥土在凍融循環作用下的力學特性變化規律進行了對比研究. 鄭旭等［14］對MgO 碳化固化土與水泥固化土在凍融循環作用下的物理特性與力學特性變化規律進行了對比研究.趙振亞等［15］通過試驗分析了凍融循環對水泥紅黏土強度和應力-應變關系的影響. 陳四利等［16］通過試驗探究了水泥土的抗壓強度和疲勞壽命隨凍融循環次數、水泥摻量的變化規律. 張經雙和段雪雷［17］通過試驗探究了凍融循環對水泥土損傷特性和能量耗散的影響. 崔宏環等［18］通過試驗探究了凍融循環次數對不同養護齡期的水泥改良土力學性能的影響規律.

綜合來看，目前鮮有學者對自密實固化土的凍融循環力學特性進行研究. 為了提高自密實固化土的流動性，自密實固化土的摻水率往往較高，若在季節性凍土區利用自密實固化土進行工程建設，凍融循環將是影響其長期性能的重要因素之一，故研究自密實固化土的凍融循環力學特性對于其耐久性的評價及推廣應用非常重要. 鑒于此，本研究通過室內試驗分析了不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土在不同凍融循環次數下的無側限抗壓強度，并建立了自密實固化土的凍融循環強度損傷模型，以便于根據實際工程中流動度、強度、極限凍融循環條件的要求對自密實固化土進行配合比設計.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

原料土取自江蘇省南通市的某工程現場，屬于粉質黏土. 原料土的基本物理力學性質見表1.

表1 原料土的基本物理力學性質Tab.1 Basic physical and mechanical properties of raw soil

試驗使用的固化劑為P·O42.5型號水泥，該水泥的部分性能檢測結果見表2.

表2 水泥的部分性能檢測結果Tab.2 Test results of some properties of cement

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設計

流動度是衡量自密實固化土流動性的物理指標，隨著摻水率的增大而增大，故通過調節摻水率可控制自密實固化土的流動度. 為了研究凍融循環對不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土無側限抗壓強度的影響，需先制備水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%，摻水率分別為50%、52%、54.5%、55%、55.5%、56%、57%、58%、60%的自密實固化土試樣，然后根據試驗內容從中選取幾組不同配合比的自密實固化土試樣進行凍融循環試驗. 本研究中，水泥摻量指的是自密實固化土中水泥的質量占烘干的原料土質量的百分比，摻水率指的是自密實固化土中水的質量占烘干的原料土質量的百分比. 自密實固化土試樣的編號為Cx-Fy，其中x、y分別代表了該自密實固化土試樣中的水泥摻量和流動度，例如水泥摻量為15%、流動度為160 mm的自密實固化土試樣的編號為C15-F160.

1.2.2 試樣的制備及養護

首先將取回的原料土樣進行烘干處理，按照設計的配合比將烘干的原料土、水、水泥攪拌均勻并測定混合料的流動度，再將試樣裝入直徑為50 mm、高為100 mm 的模具中，將裝有試樣的模具放入養護箱中養護24 h后取出拆模，檢查自密實固化土試樣的完整性. 然后將自密實固化土試樣重新放入養護箱中繼續養護，到規定齡期（28 d）后進行凍融循環試驗. 養護箱設置為標準養護環境：溫度（20±2）℃，濕度95%.

1.2.3 凍融循環試驗方法

目前國內還沒有關于自密實固化土凍融循環試驗的規范，本研究是在參照文獻［19］的基礎上開展凍融循環試驗的，具體方法如下：首先將養護至28 d的自密實固化土試樣密封后放入-15 ℃的低溫試驗箱中冷凍12 h，再將自密實固化土試樣放入20 ℃的養護箱中融化12 h，此即一個凍融循環周期，如此反復，分別對自密實固化土試樣進行0、3、6、10次的凍融循環，最后取出不同凍融循環次數下自密實固化土的試樣并測定其無側限抗壓強度，同時根據公式（1）計算經過不同凍融循環次數后的自密實固化土試樣的強度衰減率α.

式中：α為強度衰減率，%；q0為凍融循環前試樣的無側限抗壓強度，kPa；qn為經n次凍融循環后試樣的無側限抗壓強度，kPa.

1.2.4 流動度及無側限抗壓強度的測定方法

測定自密實固化土流動度的具體方法為：首先將攪拌均勻的自密實固化土緩慢裝入內徑為80 mm、凈高為80 mm的空心圓筒中并填滿，然后將圓筒垂直向上緩慢提起，令自密實固化土自由流動1 min，再用直尺測量自密實固化土相互垂直兩個方向的最大水平直徑，取其平均值作為自密實固化土的流動度.

采用萬能試驗機測定自密實固化土的無側限抗壓強度，選用應變控制模式，加載速率為1 mm/min.

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環次數與不同配合比的自密實固化土強度衰減率的關系

隨機選取6 組不同配合比的自密實固化土試樣（C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165）進行凍融循環試驗，并計算每組試樣經過不同凍融循環次數后的強度衰減率α，同時利用冪函數分別對這6組試樣在不同凍融循環次數下的強度衰減率進行非線性擬合，結果如圖1所示. 由圖1可知，試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165 在經歷10 次凍融循環作用后的強度衰減率分別為11.95%、12.75%、18.88%、21.99%、24.30%、35.04%，這說明在相同凍融循環條件下，不同配合比的自密實固化土的極限凍融循環次數是不同的. 從圖1中的擬合曲線可以看出，6組試樣在不同凍融循環次數下的強度衰減率擬合曲線的斜率均為正值且斜率在逐漸減小，這說明隨著凍融循環次數的增加，這6組試樣的強度衰減率均逐漸增大，但是強度衰減率的增加幅度在逐漸減小，由此可以說明，隨著凍融循環次數的增加，凍融循環對自密實固化土無側限抗壓強度的影響程度在逐漸減小.

圖1 凍融循環次數與不同配合比的自密實固化土強度衰減率的關系Fig.1 Relationship between the freeze-thaw cycle times and the strength decay rates of self compacting solidified soils with different mix ratios

2.2 凍融循環對不同流動度的自密實固化土無側限抗壓強度的影響

為了研究凍融循環對不同流動度的自密實固化土無側限抗壓強度的影響，對水泥摻量均為12.5%，流動度分別為124、165、235 mm的3組自密實固化土試樣進行凍融循環試驗，并計算每組試樣經過不同凍融循環次數后的強度衰減率，結果如圖2 所示. 由圖2 可以看出，自密實固化土試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235經歷3次凍融循環作用后的強度衰減率分別為7.99%、8.12%、17.54%，經歷6次凍融循環作用后的強度衰減率分別為8.88%、10.50%、16.87%，經歷10 次凍融循環作用后的強度衰減率分別為11.95%、12.75%、17.43%. 以上結果表明，在相同的水泥摻量和凍融循環次數條件下，自密實固化土試樣的強度衰減率隨著流動度的增加而增加，即流動度越高，凍融循環對自密實固化土的影響越大. 分析原因可能是：一方面是因為流動度越高，自密實固化土的孔隙水含量就越高，在受到冷凍作用時，孔隙水因結冰而體積變大，進而會破壞自密實固化土的孔隙，使自密實固化土的結構受到更大的損傷；另一方面是因為在相同的水泥摻量條件下，自密實固化土的無側限抗壓強度會隨著流動度的增大而減小，所以其抵抗凍融循環破壞的能力會隨著流動度的增大而減小. 因此，為保證自密實固化土在季節性凍土區的長期性能，在對其進行配合比設計時，建議不要選擇過高的流動度，以盡量避免由過高的流動度導致的凍融損傷.

圖2 凍融循環對不同流動度的自密實固化土無側限抗壓強度的影響Fig.2 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different fluidity

2.3 凍融循環對不同水泥摻量的自密實固化土無側限抗壓強度的影響

為了研究凍融循環對不同水泥摻量的自密實固化土無側限抗壓強度的影響，對流動度均為165 mm，水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%的5組自密實固化土試樣進行凍融循環試驗，并計算每組試樣經過不同凍融循環次數后的強度衰減率，結果如圖3 所示. 由圖3 可以看出，自密實固化土試樣C10-F165、C12.5-F165、C15-F165、C18-F165、C22-F165經歷3次凍融循環作用后的強度衰減率分別為11.06%、8.15%、10.25%、8.31%、15.56%，經歷6 次凍融循環作用后的強度衰減率分別為17.53%、10.50%、15.86%、18.66%、28.80%，經歷10次凍融循環作用后的強度衰減率分別為21.99%、12.75%、18.89%、24.30%、35.04%. 以上結果表明，在相同的流動度和凍融循環次數條件下，自密實固化土的強度衰減率隨著水泥摻量的增加先減小后增大，并且當水泥摻量為12.5%時，自密實固化土的強度衰減率最小. 出現上述現象的原因可能是：在流動度相同的條件下，自密實固化土的無側限抗壓強度和密實程度均會隨著水泥摻量的增大而增大，但其孔隙率則會隨之減?。?0］，所以在水泥摻量較低的情況下，自密實固化土抵抗凍融循環破壞的能力會隨著水泥摻量的增大而增大，但當水泥摻量增大到一定程度時，自密實固化土的孔隙率因變得過小而導致其無法適應孔隙水結冰時的體積變化，進而會導致其產生更大的凍融破壞. 因此，為保證自密實固化土在季節性凍土區的長期性能，在對其進行配合比設計時，建議采用的水泥摻量為12.5%.

圖3 凍融循環對不同水泥摻量的自密實固化土無側限抗壓強度的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different cement contents

3 自密實固化土的力學模型

為給應用在季節性凍土區的自密實固化土的配合比設計提供參考，在以上試驗結果的基礎上，分別構建了自密實固化土的無側限抗壓強度模型和凍融循環強度損傷模型.

3.1 自密實固化土的無側限抗壓強度模型

將水泥摻量分別為10%、12.5%、15%，摻水率分別為50%、52%、55%、58%、60%的15組自密實固化土試樣的無側限抗壓強度值進行多元非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的無側限抗壓強度模型，結果如公式（2）和圖4所示.

圖4 自密實固化土的無側限抗壓強度模型圖Fig.4 Model diagram of unconfined compressive strength of self-compacting solidified soil

式中：z為自密實固化土養護28 d 后的無側限抗壓強度，kPa；x為水泥摻量，%；y為摻水率，%. 依靠該模型，可以根據實際工程的需求，為在不同的水泥摻量條件下需達到某一特定無側限抗壓強度的自密實固化土的配合比設計提供參考.

3.2 自密實固化土的凍融循環強度損傷模型

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強度的自密實固化土試樣經過0、3、6、10次凍融循環后的強度衰減率進行非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的凍融循環強度衰減率模型，結果如公式（3）所示.

式中：z為自密實固化土經歷x次凍融循環后的強度衰減率，%；x為凍融循環次數，次；y為初始強度，kPa.參照混凝土耐久性試驗標準，以25%的強度衰減率作為極限凍融條件，依靠該模型可預測不同初始強度的自密實固化土的臨界凍融循環次數.

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強度的自密實固化土試樣經過0、3、6、10次凍融循環后的無側限抗壓強度值進行非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的凍融循環強度損傷模型，結果如公式（4）和圖5所示.式中：z為自密實固化土經歷y次凍融循環后的無側限抗壓強度，kPa；x為初始強度，kPa；y為凍融循環次數，次. 依靠該模型，可以根據實際工程的需求，為在不同的凍融循環次數下需達到某一特定無側限抗壓強度的自密實固化土的配合比設計提供參考.

圖5 自密實固化土的凍融循環強度損傷模型圖Fig.5 Freeze-thaw cycle strength damage model of self-compacting solidified soil

4 結論

通過試驗研究了凍融循環對不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土無側限抗壓強度的影響，得到以下結論：

1）隨著凍融循環次數的增加，凍融循環對自密實固化土無側限抗壓強度的影響程度在逐漸減小.

2）相同的凍融循環次數和水泥摻量的條件下，自密實固化土抵抗凍融循環破壞的能力隨著流動度的增大而減小.

3）相同的凍融循環次數和流動度條件下，自密實固化土抵抗凍融循環破壞的能力隨著水泥摻量的增大呈先增強后減弱的趨勢，當水泥摻量為12.5%時，自密實固化土抵抗凍融循環破壞的能力最強.

4）構建了自密實固化土的凍融循環強度損傷模型，根據該模型可為不同凍融循環次數下需達到某一特定無側限抗壓強度的自密實固化土的配合比設計提供參考.