凍融循環(huán)對(duì)化學(xué)改良黃土性能的影響

王銀梅，程佳明，高立成

（太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024）

我國(guó)西北、華北地區(qū)廣泛分布著大量的黃土，由于黃土的特殊性質(zhì)常常引起工程危害，成功實(shí)現(xiàn)黃土的固化改良具有重要的意義。

土質(zhì)化學(xué)固化改良的方法較多，就改良材料來說有傳統(tǒng)材料和新型土固化劑。目前學(xué)者們開展較多的是各種材料改良不同類型土的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，也做了部分凍融耐久性試驗(yàn)。如張立新進(jìn)行了石灰土凍脹特性試驗(yàn)研究，表明加入石灰可防止土的凍脹，最優(yōu)石灰摻量為12%－15%［1］；周永祥對(duì)自主開發(fā)的土壤固化劑YZS固化鹽漬土抗凍融性能研究，發(fā)現(xiàn)固化劑摻量會(huì)影響固化鹽漬土的抗凍性能，提高固化鹽漬土抗凍性能的關(guān)鍵因素是養(yǎng)護(hù)［2］；Aly Ahmed，蘇群等對(duì)廢石膏、PAMCATS、水泥、石灰及粉煤灰等材料固化土的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了研究工作，得到了上述固化材料可以不同程度地改良土的耐久性能，水泥較石灰的抗凍融性能較好等很多有意義的結(jié)果［3－4］。王少江采用SK－T系列渠系土壤固化劑穩(wěn)定土，試驗(yàn)結(jié)果表明，固化劑性能優(yōu)良，抗凍性良好，能夠滿足渠系工程高抗凍性要求［5］；黃志軍根據(jù)青藏地區(qū)路基處理要求，研究了凍融條件下奇極土壤固化劑處理土體的性能，認(rèn)為加入1∶100奇極土壤固化劑改良土強(qiáng)度在長(zhǎng)期凍融循環(huán)條件下有所降低，但降低幅度較小，同時(shí)加入1∶100奇極土壤固化劑和1／100水泥粉，能夠較好的改善土的使用性能，提高土的抗凍性能，可以在寒區(qū)、凍土地區(qū)推廣使用［6］。陳曉明使用XF－1型和RT－12型高分子水溶性土固化劑改善土體的耐水性，并對(duì)其原理做了探索［7］。周琦等對(duì)濱海鹽漬土經(jīng)生石灰、水泥和新型高分子材料SH固化處理，發(fā)現(xiàn)綜合使用三者來固化鹽漬土，可有效保證固化鹽漬土的耐久性，滿足濱海地區(qū)公路工程建設(shè)的使用［8］。王銀梅等進(jìn)行了新型高分子材料SH固化沙土抗凍性和固化黃土滲透性的研究，認(rèn)為SH抗凍性優(yōu)于其它同類化學(xué)固沙劑，其抗凍性良好［9］，SH對(duì)黃土抗?jié)B性有較好的改善作用等結(jié)論。

為了弄清用SH固化改良黃土后其抵抗環(huán)境因素變化作用的耐久性，即經(jīng)過不同季節(jié)的變化考驗(yàn)后，其強(qiáng)度和質(zhì)量的變化規(guī)律，開展了不同摻量的SH固化黃土凍融循環(huán)性能的試驗(yàn)研究。

1 原料及試驗(yàn)方法

1．1 黃土和改良固化劑

試驗(yàn)用土為山西太原黃土（表1），固化改良劑為自主開發(fā)的高分子材料SH。

表1 黃土的性質(zhì)

1．2 試驗(yàn)方法

1．2．1 試件的成型方法，養(yǎng)護(hù)與強(qiáng)度測(cè)試

采用?40mm×80mm的模具，設(shè)計(jì)干密度為1．6g／cm3，以手工靜壓制樣成型，脫模后放入室內(nèi)自然風(fēng)干養(yǎng)護(hù)，采用STWCY－1型無側(cè)限壓力儀測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1．2．2 凍融試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)用以評(píng)價(jià)固化土的抗凍性能，筆者參考混凝土凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將已制備經(jīng)風(fēng)干養(yǎng)護(hù)28d的固化黃土試樣分為兩組，一組為檢驗(yàn)試件繼續(xù)風(fēng)干養(yǎng)護(hù)，另一組先浸水飽和24h，然后放入－19～－22℃的的冰箱里冷凍8h，取出再放進(jìn)19～22℃的恒溫水槽融化8h，為一次循環(huán)，如此反復(fù)至規(guī)定的循環(huán)次數(shù)。分別測(cè)定檢驗(yàn)試件和凍融試驗(yàn)后試件的烘干抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量，并按下式計(jì)算強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失。

式中：Gn為n次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失百分率；R0為檢驗(yàn)試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；Rn為n次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，MPa；Dn為n次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失百分率；M0為檢驗(yàn)試件的質(zhì)量，g；Mn為n次凍融循環(huán)后試件烘干質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按前述的凍融循環(huán)試驗(yàn)方法進(jìn)行了不同摻量SH固化黃土（摻量指SH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文同）的凍融試驗(yàn)，結(jié)果與相同摻量的水泥黃土（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下文同）凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

2．1 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)的關(guān)系

圖1 SH固化黃土凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度

圖1，圖2顯示，固化黃土試樣經(jīng)過凍融循環(huán)后，土體的抗壓強(qiáng)度整體趨勢(shì)是減小的。隨循環(huán)次數(shù)的增大，強(qiáng)度損失遞增，隨SH或水泥摻量增大（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），強(qiáng)度損失減小。相同循環(huán)次數(shù)條件下，SH改良黃土強(qiáng)度高于水泥黃土，強(qiáng)度損失也較小。

對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度R與凍融循環(huán)次數(shù)N進(jìn)行回歸的結(jié)果如表3所示。

表2 SH和水泥固化黃土的凍融試驗(yàn)結(jié)果

表3 固化黃土抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系

由表3可見，SH和水泥固化黃土的抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)遞減的程度不同，前者呈指數(shù)式衰減，后者當(dāng)摻量小時(shí)以直線下降，速度較快，當(dāng)摻量增大，則呈二次函數(shù)減小。

2．2 凍融循環(huán)過程中試樣質(zhì)量變化

圖2 水泥黃土凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度

圖3，圖4為SH和水泥黃土試樣經(jīng)過凍融循環(huán)過程的質(zhì)量損失。圖中可以看出，伴隨著固化黃土凍結(jié)與融化，其中的水分結(jié)冰和溶解，反復(fù)作用后固化黃土試樣產(chǎn)生微裂隙，出現(xiàn)掉皮掉角現(xiàn)象，質(zhì)量逐漸減小，質(zhì)量損失率遞增。摻加SH或水泥的用量增大，質(zhì)量損失均有所減小，抗凍效果較小摻量為好。

圖3 經(jīng)歷凍融循環(huán)SH固化黃土試樣的重量損失

圖4 經(jīng)歷凍融循環(huán)水泥黃土試樣的質(zhì)量損失

當(dāng)SH和水泥摻量為10%時(shí)，15次凍融循環(huán)后其抗壓強(qiáng)度損失均超過25%；SH摻量增至14%時(shí)，經(jīng)歷25次凍融循環(huán)其質(zhì)量損失1．67%，強(qiáng)度損失19．6%，固化試件結(jié)構(gòu)沒有明顯變化，所以14%的SH固化黃土至少可以抵抗25次凍融循環(huán)。而水泥摻量為16%甚至18%時(shí)，強(qiáng)度損失仍大于25%，大于16%的水泥黃土才可承受15次凍融循環(huán)。

2．3 影響抗凍性的因素

固化黃土受凍融影響的程度與許多因素有關(guān)，如黃土的性質(zhì)、固化劑種類及摻量、密度以及不同的凍融條件和凍融循環(huán)的次數(shù)等。

在凍融循環(huán)中，水是凍融破壞的主要構(gòu)成條件。嚴(yán)寒地區(qū)的凍融交替，主要是由于水在孔隙中結(jié)冰時(shí)，體積增加9%，固化體孔隙變大，微裂隙增多，經(jīng)過凍融破壞，反復(fù)的次數(shù)越多，裂隙會(huì)越來越多，越來越大，密度將逐步下降，強(qiáng)度和質(zhì)量降低或減少，損失率增大。

由于SH和水泥固化黃土的機(jī)理和形成的固化體結(jié)構(gòu)不同，其性能不同。已有試驗(yàn)證實(shí)，SH通過高分子鏈間的交聯(lián)，將黃土固化為一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著SH摻量的增加，韌性增強(qiáng)，破壞模式逐漸由脆性轉(zhuǎn)為塑性；水泥則是由CSH等水化物的膠結(jié)作用而形成，水泥摻量增大，破壞逐漸由塑性轉(zhuǎn)為脆性［9］。所以，SH固化改良黃土表現(xiàn)為具有較高的強(qiáng)度，較好的抗凍性能，水泥黃土強(qiáng)度較小，抗凍融能力較差。

3 結(jié)論

本文在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)SH固化改良黃土受環(huán)境條件的影響，即在凍融循環(huán)條件下的耐久性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）素黃土試件浸水后崩解，黃土如果不固化改良不能承受凍融循環(huán)作用。添加SH固化劑，改良后黃土的強(qiáng)度得到提高，凍融循環(huán)后的強(qiáng)度降幅減少，改良黃土的耐久性得到明顯改善。

2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固化黃土中水分結(jié)冰融化，固化黃土試件的強(qiáng)度降低，質(zhì)量減少，固化土體劣化。這一特性取決于固化劑種類和摻量，凍融循環(huán)次數(shù)等因素。

3）固化劑摻量對(duì)固化黃土的抗凍融影響非常明顯。隨著SH或水泥摻量的增加，固化黃土的強(qiáng)度損失和質(zhì)量損失率遞減。SH摻量為14%及以上時(shí)，固化黃土的抗凍融性能較好。

4）當(dāng)SH摻量大于14%時(shí)可耐25次凍融循環(huán)，同樣條件下水泥黃土僅能承受15次及以下次數(shù)。由于SH和水泥的固化機(jī)理和形成的固化黃土結(jié)構(gòu)不同，SH固化黃土具有較好的抗凍性能，強(qiáng)于水泥。

［1］ 張立新，王家澄．石灰土凍脹特性試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（3）：336－339．

［2］ 周永祥，閻培渝．固化鹽漬土抗凍融性能的研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（1）：14－19．

［3］ Aly Ahmed，Keizo Ugai．Environmental effects on durability of soil stabilized with recycled gypsum ［J］．Cold Regions Science and Technology，2011（66）：84－92．

［4］ 蘇群，楊揚(yáng)．PAMCATS固化土強(qiáng)度及抗凍性能研究［J］．黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，22（4）：1－3．

［5］ 王少江，馬鋒玲．高性能渠系土壤固化劑研究［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007，5（1）：70－72．

［6］ 黃志軍，梁波，孫常新．凍融條件下奇極土壤固化劑改良土性能研究［J］．蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（6）：88－91．

［7］ 陳曉明等．高分子水溶性土固化劑對(duì)改善土體耐水性的研究［J］］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，11（1）：72－75．

［8］ 周琦，鄧安，韓文峰，王沛．固化濱海鹽漬土耐久性試驗(yàn)研究［J］］．巖土力學(xué)，2007，28（6）：1129－1132．

［9］ 王銀梅，韓文峰，諶文武．新型高分子材料固沙抗凍性能的試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2006，17（4）：145－148．

［10］ 王銀梅，高立成．固化黃土滲透特性的試驗(yàn)研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44（1）：63－66．