高溫凍土固化前后結構性變化對融化壓縮特性影響

孫杲辰，張建明，黨迎生，張 虎，丁 聰，陳 新

(1.凍土工程國家重點實驗室(中國科學院西北生態環境資源研究院)，蘭州 730000；2.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049； 3.中國市政工程西北設計研究院有限公司，蘭州 730000；4.石河子大學 水利與建筑工程學院，新疆 石河子 832000； 5.上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

土的結構性是指土中顆粒或集合體以及它們之間孔隙的性狀和排列形式[1].1925年，太沙基對土體結構性進行了研究，他所倡導的土體微觀結構概念與思想是土體微觀結構研究的開端，但是由于當時觀察設備落后，難以對土體復雜的結構性進行系統的定性描述；20世紀50年代至60年代中期，隨著科學技術的發展，眾多學者開始注重土體結構要素的完整性，特別是土體結構單元體的定向排列和分布特征；20世紀60年代后期至90年代中期，隨著電子計算機技術的引入和新方法的出現，土體結構性由定性進入了定量階段[2].中國土體結構性研究起步于1996年，許多知名專家和學者都對土體結構性進行了大量的研究和探索，如沈珠江院士[3]認為土的結構性是影響土體力學特性最為重要的要素，是“20世紀土力學的核心問題”，謝定義等[4]發展了土體結構性研究的土力學方法，開辟了土體結構性與定量化參數研究的新途徑.然而，上述土體結構性研究方法僅限于常規土中，對于凍土特別是壓縮性大、未凍水含量高、抗剪強度低的高溫凍土結構性研究尚屬空白.

眾所周知，高溫凍土又稱近相變區凍土，國外許多學者也將其表述為“frozen soil at temperature close to 0 ℃”，通常用是指溫度區間變化范圍在-1.5～0 ℃，相對溫度較高的凍土.高溫凍土由土顆粒、未凍水、土中氣體以及固態冰4種組分構成，由于特定的形成條件其結構性特征有著自身的特點，這種結構性對高溫凍土的工程性質有重要的影響[5-7].多年以來，許多專家都以主動降溫[8-10]，被動保護[11-13]的方式來保護凍土自身結構不因外界環境的變化而遭到破壞，但是在全球氣候變暖的背景下，這些措施必然存在一定的局限性.因此，本研究從高溫凍土固化的角度出發，對比不同固化劑加入高溫凍土后，固化前后土體物理性質及結構性的變化規律，并以孔隙定向分維數Df與融化壓縮系數av為橋梁，建立了凍土固化后微觀孔隙結構特征與宏觀力學性質之間的關系，為高溫凍土結構性研究提供新的途徑與方法.

1 試 驗

1.1 試驗材料及固化土的配比設計

本研究以采自青藏高原的粉質黏土為研究對象，其中土體基本物理指標及顆粒分布如表1，2所示.土體固化劑主要以無機類固化劑為主.近年來，有部分學者[14-16]通過普通硅酸鹽水泥(portland cement，以下簡稱GC)對凍土進行了固化，但是受低溫環境對其反應溫度的限制，往往需要加入眾多外加劑來促使其發生水化反應，單獨使用時反應速率低且強度增長緩慢[17-19].然而，眾多研究發現，高性能硫鋁酸鹽水泥(sulphate aluminum cement，以下簡稱SC)具有反應溫度低且低溫水化反應速率快等特點[20-21].因此，本研究通過在高溫凍土中加入普通硅酸鹽水泥(GC)、高性能硫鋁酸鹽水泥(SC)以及(普通硅酸鹽水泥+硫鋁酸鹽水泥)(以下簡稱SC+GC)3種固化劑對比其固化效果.其中普通硅酸鹽水泥采用甘肅祁連山水泥有限公司生產的P·O42.5型號普通硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥采用唐山北極熊水泥有限公司生產的C52.5硫鋁酸鹽水泥，兩種水泥顆粒分布如表3所示.根據中華人民共和國《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)水泥土摻入基準可根據使用目的及當地經驗，按工程要求的水泥土性能指標確定，并宜取3%～25%，根據前人經驗[22]以及高溫凍土本身的性質，選取GC、SC以及GC+SC固化劑摻入質量分數為干土重的15%，其中3類固化土樣的固化劑具體摻量如表4所示.

表1 青藏高原粉質黏土基本物理指標

表2 土體的顆粒分布

表3 水泥顆粒分布

表4 固化劑具體摻量

注:固化劑摻量均為干土重的質量分數/%.

1.2 試樣制備

由表1可知，土體液限WP=18.6%，塑限WL=36.7%，為了確保土樣的均勻性，采用靜壓法制備土樣，試樣的密度為1.46 g/cm3，同時設置土樣的初始含水率為30%，試樣制備步驟如下：

1)將試驗粉質黏土充分在陽光下暴曬風干，之后碾碎并過2 mm篩，將100 g風干粉質黏土放入環刀中，置于烘箱中烘干24 h測定其土樣天然含水率為3%，并將過篩后土樣放置于塑料密封袋中密封，置于-5 ℃低溫試驗室中預冷24 h以待使用.

2)為了模擬青藏高原的真實環境，本次制樣過程均在-5 ℃低溫實驗室內進行，將固化劑按照表4中摻量與預冷后土樣混合攪拌均勻，并與事先準備好的冰粉與蒸餾水(冰粉過2 mm篩，冰水比例為3∶1)再次混合攪拌均勻后裝入涂有凡士林的鐵質模具中(φ61.8 mm×h40.0 mm).用油壓千斤頂壓實，脫膜后將其用保鮮薄膜包裹并置于-1 ℃的恒溫箱中養護7 d后進行相關試驗.制樣過程詳見圖1.

圖1 固化土樣制樣過程

1.3 試驗方法

烘干法測定固化土樣總含水量；利用土壤水分測定儀(time domain reflectometry，簡稱TDR)觀測不同固化土樣固化前后未凍水含量；通過掃描電鏡試驗(scanning electron microscope，簡稱SEM)觀測固化前后高溫凍土的微觀孔隙結構；利用TD3500-X射線衍射分析儀進行固化高溫凍土物相分析；運用GZQ-1型全自動氣壓固結儀，測試固化前后土體不同荷載與不同溫度下所對應的壓縮系數.

1.3.1 高溫凍土固化前后總含水量測定

為了研究3種固化劑GC、 SC以及 SC+GC加入高溫凍土后，高溫凍土內部總含水量的變化規律，將養護7 d后的3種固化土樣靜置于105 ℃ DGG-9140B型烘箱中，烘干24 h測定固化前后土樣總含水量變化.

1.3.2 固化前后土樣未凍水含量確定

將養護7 d固化土樣從-1 ℃恒溫箱中拿出，并迅速將土壤水分測定儀(TDR)插入用塑料瓶及保鮮薄膜裝好的土樣中心(圖2)，置于預先預冷過的-1 ℃智能低溫恒溫槽中，測定不同固化土樣未凍水含量變化.

圖2 固化前后土體未凍水含量測定

1.3.3 SEM試驗土樣制備

對于制備固化前后高溫凍土微結構試樣而言，難點在于如何置換與去除試樣中的孔隙水與冰，保證試樣不變形從而獲取平整新鮮的掃描電鏡觀測面.已有的陰干法、風干法以及烘干法在試樣干燥過程會產生明顯的體積收縮，從而導致觀測到的試樣微結構與其真實結構之間存在較大誤差[23-24].因此，從冷凍干燥技術入手，利用上海豫明儀器制造廠生產的“FA-1A-50冷凍干燥機”(圖3)對試樣進行干燥后再將土樣轉移至掃描電鏡下觀測其微結構.

圖3 冷凍干燥機(FA-1A-50)

1.3.4 融化壓縮試驗

融化壓縮試驗在GZQ-1型全自動氣壓固結儀上進行(圖4)，將在-1 ℃下養護7 d的No cement、GC、SC以及(SC+GC)4種土樣分別置于4個壓縮盒中，設定恒溫箱的溫度為-1 ℃靜置24 h，待其完成后，在同一溫度下陸續加載0.1，0.2和0.3 MPa 3級荷載.加載完成后，調整恒溫箱溫度至-0.5和0 ℃(每次調節溫度時間應當控制試樣變形少于0.025 mm/h)，重復以上加載過程.

圖4 高溫凍土固化前后融化壓縮試驗

Fig.4 Melting and compression test for high warm and frozen soil before and after stabilization

2 試驗結果分析

2.1 高溫凍土固化前后含水量變化規律

2.1.1 總含水量變化

高溫凍土固化前后土樣總含水量變化如圖5所示.可以看出，No cement土樣含水量為30.06%，隨著固化劑的加入逐漸與高溫凍土中的自由水發生水化反應， GC土樣養護 7 d后的含水量由30.06%降至26.14%，總含水量降低了3.92%；與GC土樣相比，由于硫鋁酸鹽水泥優越的低溫反應性能，SC土樣總含水量由30.06%降低至24.27%，總含水量降低了5.79%；SC+GC固化土樣總含水量由30.06%降至22.33%，總含水量降低了7.73%，普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥相混合后，兩者水化反應的過程中達到了動力上的協調，硫鋁酸鹽水泥進一步刺激了硅酸鹽水泥的反應，使得水化反應更加劇烈，土體總含水量大幅度降低.

圖5 高溫凍土固化前后總含水量柱狀分布

2.1.2 未凍水含量變化

固化劑的加入雖然降低了高溫凍土中的總含水量，但是由于其與土體中的自由水發生水化反應放出的熱量融化了土顆粒周圍的結晶冰，增加了土體內部未凍水含量.高溫凍土固化前后未凍水含量分布如圖6所示，與總含水量相比，固化土體內部未凍水含量變化與總含水量變化趨勢正好相反，固化效果越好，土體內部未凍水含量越多，但是隨著溫度的降低土體內部未凍水含量基本穩定在10.0%左右.

圖6 高溫凍土固化前后未凍水含量變化

2.2 固化后土體結構單元體粒度定量分析

圖7為高溫凍土固化后結構單元體粒度定量分析結果.可以看出，固化后結構單元體的直徑主要分布在2～5 μm與5～10 μm內，其他區間內分布較小.隨著固化劑加入后固化效果不同，結構單元體粒度分布不同，其中在5～10 μm和10～20 μm反映了土體固化后水化反應膠結作用土體顆粒團聚的主要結果，SC+GC土樣等效直徑分布幾率最大為52.85%，其次為SC土樣分布幾率為50.82%,而GC土樣分布最小為46.68%.充分說明SC+GC固化劑加入土體后，土顆粒團聚效果最好，大顆粒增多.

圖7 高溫凍土固化后固化土樣結構單元體粒度分布

Fig.7 Element size distribution histogram of stabilized soil structure

2.3 高溫凍土固化前后孔隙面積變化規律

高溫凍土固化前后孔隙面積在各孔徑范圍內面積分布的改變是其微觀孔隙結構改變最直接的表象.由表5與圖8可以看出，加入固化劑后高溫凍土各孔徑范圍內孔隙面積均呈現減小規律，但是固化劑的種類不同，受低溫條件與反應速率的限制，其孔隙面積改變規律有所不同，整體表現為：SC+GC土樣，孔隙面積減小最多；SC固化土樣孔隙面積次之；GC固化土樣孔隙面積減少最小.

表5 固化前后各孔徑對應孔隙面積分布 m2·g-1

圖8 固化前后孔隙面積分布

2.4 固化前后土體孔隙豐度評價

固化前后土體孔隙的豐度值C為孔隙短軸B與長軸A的比值，C=B/A,該值代表了分析區域內孔隙的圓度，即土體孔隙展示的二維平面幾何形狀，反映了土體的均勻程度.豐度值C的取值范圍在(0，1)，C值越小，表明孔隙平面形狀趨向于長條形，越不均勻；C值越大，則說明孔隙平面形狀趨向于圓形，土體越均勻[25].本次研究將豐度值劃分為8個統計區間，各區間內豐度值分布如圖9所示.結果表明，No cement固化土樣的豐度值主要集中在0.2～0.3，土顆粒孔隙主要以狹長狀為主；GC固化土樣豐度值集中在0.3～0.4，說明普通硅酸鹽水泥加入高溫凍土后，隨著水化產物對土體孔隙的填充，土體孔隙由狹長狀向半橢圓狀轉化；而SC與SC+GC固化土樣的豐度值主要集中在0.8～0.9，說明硫鋁酸鹽水泥加入后，土體孔隙由橢圓狀向圓形轉換，土體整體趨于均勻化.

2.5 固化高溫凍土XRD試驗結果分析

為了觀察固化后，土樣內部水化產物生成總量，將養護7 d后的固化高溫凍土樣品冷凍干燥后，經器具研磨過0.08 mm方孔篩，然后通過電子天平稱取5 g試樣，利用TD3500-X射線衍射分析儀進行固化高溫凍土物相分析.掃描分析采用連續掃描測量法，掃描起始角為10°，終止角為70°，并利用JADE6.0軟件對衍射結果進行統計.從圖10分析結果可以看出，GC固化土樣中鈣礬石(AFt)與水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)僅有微小峰值，而SC和SC+GC固化土樣的鈣礬石(AFt)峰值較大，特別是硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥混合加入土體后，不僅提高了鈣礬石(AFt)的峰值，而且促進了水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)的生成，充分證明硫鋁酸鹽水泥具有低溫水化反應速率快的特點.

圖9 固化前后孔隙豐度值

圖10 固化高溫凍土7 d X射線衍射圖

Fig.10 X-ray diffraction of solidified high warm and frozen soil samples at 7 d

2.6 固化前后微觀結構變化固化機理分析

圖11為-1 ℃下養護7 d的5 000×倍掃描電鏡照片，可以看出，SC+GC固化土樣(圖11(d))經過7 d的養護生成了大量的鈣礬石(AFt)與水化硅酸鈣(CSH)凝膠，AFt與CSH相互交錯黏結在一起，不僅填充了孔隙空間，而且相互搭接形成了牢固的空間結構；SC固化土樣(圖11(c))與SC+GC固化土樣相比，鈣礬石(AFt)與水化硅酸鈣(CSH)凝膠生成較少；GC固化土樣(圖11(b))基本無鈣礬石(AFt)的生成.充分證明，與硫鋁酸鹽水泥相比，普通硅酸鹽水泥負溫下反應速率緩慢，單獨加入硫鋁酸鹽水泥時，雖能生成一定的鈣礬石(AFt)，但是水化產物量較少.當普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥混和時，不僅加快了鈣礬石(AFt)的生成速率，減少了鈣礬石(AFt)對凝膠類水化產物的破壞作用，而且修復了凝膠類水化物被破壞膠結結構，協調了兩者反應的動力學關系，改變了土體內部的孔隙結構，使得土體內部孔隙更加致密.

圖11 不同固化土掃描電鏡圖片(5 000×)

2.7 固化前后孔隙定向性分布特征

為了研究高溫凍土固化前后土體孔隙分布狀況，將通過CURVEEXTRACT預處理過的圖片導入Image-ProPlus6.0(IPP)軟件中統計固化土樣的孔隙角度以及每個角度區間內的概率分布，從而計算土體孔隙的定向性.土體孔隙的定向性定義為孔隙長軸與水平x軸的夾角θ.因為孔隙方向在0°～180°和180°～360°具有對稱性， 以0°～180°的玫瑰風向圖，表示土體孔隙長軸方向的角度頻率分布，其中共劃分了14個孔隙數目統計區間.

孔隙分布概率計算如式(1)所示：

(1)

式中：ni，n分別為夾角θ落入(θi-1，θi)的土體孔隙數量和孔隙總數[26].

通過凍土物理學可知，黏土顆粒在不同應力作用下會促使其呈一定方向的排列.從圖12固化前后高溫凍土玫瑰風向圖可以看出，對于固化前后高溫凍土，孔隙定向性分布具有一定的相似性，孔隙長軸與水平x軸之間的夾角主要分布在90°以及180°左右2個區間內，表明土體在該區間內均表現出較大的定向性.其中不同固化土體90°以及180°區間內分布概率見表6.可以看出，SC+GC固化土樣與SC土樣在90°左右分布概率為23.25%和25.25%，而90°區間內長軸方向與自重應力方向相同，其在該區間內孔隙概率分布越小，從微觀尺度上就能更好地反映其顆粒接觸越充分，從而表現出壓縮系數越小，變形越小的宏觀工程性質.

圖12 不同固化土孔隙長軸方向玫瑰風向圖

表6 不同固化土體90°及180°孔隙分布概率

Tab.6 90°and 180°pore area probability before and after curing

2.8 固化前后孔隙定向性分維分析

眾所周知，土體是具有一定自相似性的分形結構體.根據分形理論來定量描述高溫凍土固化前后的微觀結構特征，不僅表現方法直觀化，而且可以定量描述固化前后土體力學性質[27].本研究使用Mandelbort提出的容量分維方法，計算固化前后土體孔隙的平面定向分維，計算方法如下：

N(r)=cr-Df.

(2)

式中：r代表格子的邊長，N(r)表示所占的格子數.繪制高溫凍土固化前后lnN(r)-lnr散點圖，如圖13所示，lnN(r)-lnr曲線均具有較好的線性關系.定向分維(Df)反映土體孔隙的定向程度，Df值越小，土的定向性越好，Df值越大，土的定向程度越差，混亂度越大.

Fig.13 Pore direction fractal dimension relationship curves of solidified high warm and frozen soil before and after curing

通過表7可以看出，固化土樣的分維值在1.009 9～1.103 7變化，固化后土樣的定向分維呈現減小的趨勢，且SC+GC固化土樣的定向分維值最小，SC固化土樣定向分維值次之，GC固化土樣定向分維值較大.充分說明該區間內定向分維值Df越小，孔隙分布概率F(θ)越小，這與前面所描述的孔隙定向頻率相吻合.

3 討 論

3.1 高溫凍土固化前后融化壓縮試驗研究

土體壓縮系數av是反映高溫凍土宏觀力學性質的一個重要指標.根據土工試驗規(GB/T50123—1999)，壓縮系數是指外部荷載0.1～0.2 MPa作用下變形量與荷載變化的比值，即

av=Δh/(H×ΔP).

(3)

式中：av為融化壓縮系數(MPa-1)，Δh為土樣在0.1～0.2 MPa時總變形量(mm)，H為試樣初始高度(mm)，ΔP為荷載差值.

表7 孔隙定向性分維統計

圖14為固化前后土體壓縮系數變化.可以看出，No cement土樣壓縮系數受溫度變化影響，且其變化范圍較大.負溫下壓縮系數變化范圍較小，主要因為土體中存在冰晶，對土體骨架起到了支撐作用，當溫度升至0 ℃時，由于土中冰晶的融化，土體壓縮系數顯著增大.而對于3種固化土來說，壓縮系數受溫度變化影響較小，但是由于固化效果不同，不同固化土壓縮系數相差較大，其中SC+GC固化土樣壓縮系數最小，即使溫度升至0 ℃變形量也較小，充分證明硫鋁酸鹽水泥+普通硅酸鹽水泥固化劑的加入，改變了土體內部的孔隙結構，水化產物替代了土體內部的冰晶成為凍土的主要支撐結構.

圖14 固化前后土體壓縮系數變化

3.2 高溫凍土融化壓縮系數與孔隙定向分維關系

通過以上分析可知，固化劑的加入徹底改變了土體的孔隙結構.固化劑與凍土中自由水反應產生的水化產物取代了冰晶，成為土體結構的主要支撐.為了更加真實地反應固化前后孔隙定向分維Df與壓縮系數av之間的關系，選取0 ℃時土體壓縮系數av與固化后土體孔隙定向分維數Df進行擬合，結果見圖15.可以看出，孔隙定向分維數隨著壓縮系數的增大而增大，兩者之間存在良好的線性關系，孔隙定向分維數越大，土體力學性質越好.

圖15 孔隙定向分維Df與壓縮系數av之間關系

Fig.15 Correlation between pore directional fractal dimensionDfand compressibility coefficientavof samples

3.3 高溫凍土固化反應微觀模型

黃新、寧建國等[28]通過普通硅酸鹽水泥對常規粉質黏土進行固化，提出了水泥固化土微觀機制模型，指出土體固化實質是水泥發生水化反應后，產生的水化產物對土顆粒進行包裹、膠結并填充的過程.根據上述高溫凍土固化前后微觀孔隙結構變化規律以及融化壓縮性質結果，參照劉松玉等[29]碳化固化粉土模型，提出高性能水泥固化高溫凍土微觀結構反應模型.摻入硫鋁酸鹽水泥+普通硅酸鹽水泥混合固化劑時，硫鋁酸鹽水泥以其具有反應溫度低、與水化反應速率快的特點，快速與高溫凍土中的大量自由水發生反應形成水化硅酸鈣凝膠(CSH)包裹在(土-冰)團粒表面(見圖16(a)).隨著水化反應進程的加劇，水泥水化放出的熱量逐漸開始融化團粒之間的冰，冰融化后產生的自由水進一步與剩余水泥反應生成CSH，將土顆粒膠結在一起(見圖16(b)).同時，六棱柱狀的鈣礬石AFt迅速在CSH包裹土團粒表面生長，AFt晶體與纖維狀的CSH凝膠縱橫交替搭接成復雜的網狀結構，通過填充與壓實作用來減小土團粒之間的孔隙(見圖16(c)).硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥混合后，加快了鈣礬石的生成速率，增強了凝膠類水化產物對破壞膠結結構的修復作用，形成了水化過程中的動力學關系.

圖16 高溫凍土固化反應微觀模型

4 結 論

1)固化劑加入高溫凍土后，與土體內部的自由水發生反應，降低土體總含水量的同時，生成的水化產物將不同粒徑的顆粒膠結在一起產生土體團聚作用，使得在5～10 μm和10～20 μm土顆粒等效直徑分布幾率增大，其中SC+GC固化劑固化效果最好，SC次之，GC最差.

2)高溫凍土固化后凍土孔隙面積主要分布于r<2 500 nm區間，孔隙長軸與水平x軸之間的夾角主要集中于90°及180°左右.固化后土體孔隙面積大幅減小，在90°，180°左右表現出較大的定向性.其中SC+GC固化效果明顯，孔隙面積減小最多，且90°，180°左右定向性表現突出.充分證明硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥混合后，加快了鈣礬石的生成速率，增強了凝膠類水化產物對破壞膠結結構的修復作用.90°，180°左右定向性孔隙概率分布越小，從微觀尺度上能更好地反映其顆粒接觸越充分，壓縮系數較小，變形較小的宏觀工程性質.固化劑與高溫凍土中未凍土發生水化反應替代凍土中冰晶成為凍土中主要的支撐結構.

3)固化后土體孔隙定向分維Df與壓縮系數系數av之間存在較好的線性關系，且孔隙定向分維Df越大，壓縮系數av越大，土體分布越不均勻，Df越小壓縮系數av越小，土體越趨于均勻化.