干濕循環(huán)下鋼渣微粉水泥改良膨脹土強度特性試驗研究

吳燕開， 李丹丹， 胡興濤， 韓 天， 于佳麗， 史可健， 王 浩， 曹玉鵬

(1.山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青島 266590；2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590；3.泰安博奧安全評價有限公司，泰安 271000；4.中鐵建工集團(tuán)山東有限公司，青島 266061；5.山東科技大學(xué)交通工程學(xué)院，青島 266590)

膨脹土是一種典型的非飽和土，因具有特殊的礦物成分和特殊的微結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其存在多裂隙性、脹縮特性和強度衰減性等特點。在膨脹土地區(qū)，公路、鐵路、邊坡、水利、工業(yè)民用建筑等發(fā)生工程事故[1]，造成巨大損失的事件時有發(fā)生。隨著社會的發(fā)展，人們開始重視膨脹土造成建筑或基礎(chǔ)破壞的現(xiàn)象，并且逐漸對其進(jìn)行深入的研究[2- 4]。

膨脹土在干濕效應(yīng)下產(chǎn)生的吸水膨脹和失水收縮是導(dǎo)致工程事故的重要因素，因此膨脹土的這種特性被人們廣泛研究[5- 6]。膨脹土受到干濕循環(huán)影響后，強度會明顯降低。楊和平[7]通過室內(nèi)試驗進(jìn)行干濕循環(huán)的研究，得出土體的抗剪強度會隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小的結(jié)論。吳珺華等[8]進(jìn)行了現(xiàn)場大型剪切試驗，結(jié)果表明干濕循環(huán)作用會使膨脹土中裂隙大量發(fā)育，導(dǎo)致抗剪強度大幅度降低。Dong等[9]利用石灰對膨脹土改性后，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次干濕循環(huán)后改良膨脹土的強度和變形指數(shù)都達(dá)到穩(wěn)定值。胡長明等[10]研究了干濕循環(huán)后，土體強度與圍壓的關(guān)系，并得出當(dāng)干密度ρ<1.7 g/cm3時，在各級圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型等結(jié)論。

目前常用的膨脹土改良方法是通過石灰、水泥等改性材料進(jìn)行改良。李東森等[11]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)水泥和石灰對膨脹土的膨脹性有較大的抑制效果，同時又能明顯提高膨脹土的強度，改良效果較好。Cokca等[12]研究表明粒化高爐礦渣(GBFS)和GBFS水泥能成功地減小膨脹土的膨脹總量。同時也有學(xué)者對新材料改良膨脹土進(jìn)行了研究。Ashango等[13]組合使用鋼渣、稻殼灰和生石灰對膨脹土進(jìn)行改良，也得到了強度提升的效果。吳燕開等[14]研究表明鋼渣粉摻入量不同對膨脹土的無側(cè)限抗壓強度及無荷膨脹率的影響不同，并確定最優(yōu)摻入比。鄧友生等[15]研究得到聚丙烯纖維在0.3%含筋量時對膨脹土的無側(cè)限抗壓強度增強效果最明顯的結(jié)論。Reddy等[6]通過試驗研究認(rèn)為在水泥基、非水泥基以及化學(xué)添加劑三類穩(wěn)定膨脹土的添加劑中，化學(xué)添加劑的性能要優(yōu)于其他類型。

以臨沂膨脹土為研究對象，采用水泥、鋼渣粉和NaOH對膨脹土進(jìn)行改良，通過無側(cè)限抗壓強度試驗，研究鋼渣粉等對膨脹土強度特性的改良效果，以及改良膨脹土對干濕循環(huán)環(huán)境的承受能力。

1 試驗材料與及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用土采自山東省臨沂市某開挖基坑的膨脹土，土樣埋深1.0～1.5 m，呈灰黑色，可塑，黏性較強，天然含水率高，裂隙面呈蠟狀光滑，具有典型膨脹土的特征。圖1(a)、圖1(b)分別為晾曬和磨粉之后的膨脹土土樣。取直徑在2 mm以下的土樣進(jìn)行試樣制作，以研究相關(guān)特性。試驗中采用的膠凝材料是水泥和鋼渣粉，如圖1(c)、圖1(d)所示。膨脹土樣的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。水泥與鋼渣粉的化學(xué)成分如表2所示。激發(fā)劑采用氫氧化鈉，采購于天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司，其純度為分析純。

圖1 試驗用土和膠凝材料Fig.1 Test soil and cementitious materials

表1 膨脹土土樣的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of expansive soil samples

表2 鋼渣粉水泥的主要化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Main chemical composition and mass fraction of steel slag powder and cement

經(jīng)電鏡掃描，得出圖2的膠凝材料微觀結(jié)構(gòu)圖，由圖2可知，水泥的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼渣粉的粒徑，且水泥顆粒間的間隙較小，這表明水泥的表面能高于鋼渣粉，利于水化反應(yīng)的進(jìn)行。鋼渣粉的顆粒大多呈現(xiàn)出短棱柱狀，并且在棱角處總是很平緩；而水泥的顆粒則是呈現(xiàn)多種形狀，不固定，而且顆粒棱角較為分明，這表明在硬度上水泥優(yōu)于鋼渣粉，也是水泥的強度高于鋼渣粉的原因。

圖2 鋼渣粉和水泥土的微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Microstructure charts of steel slag powder and cement

1.2 試驗內(nèi)容和方案

1.2.1 試樣制備

采用壓實法進(jìn)行試樣制作，試樣的初始含水率采用擊實試驗得到的最優(yōu)含水率如表3所示。根據(jù)壓實密度先稱量所需質(zhì)量的膨脹土，再按照前期數(shù)據(jù)得到的表4中的配比關(guān)系，計算相應(yīng)的水泥、鋼渣粉、氫氧化鈉以及水的質(zhì)量，拌合均勻后將之壓入39.1 mm×80 mm模具中成型。將脫模后的試樣放入濕度95%和溫度20 ℃的恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，試樣養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、28、60 d。

表3 試樣的控制參數(shù)Table 3 Control parameters of samples

表4 各類試樣的材料配比Table 4 Material ratio of various specimens

注：Es為純土；Es-C為水泥土； Es-SSP-C為鋼渣粉-水泥土； Es-SSP-C-N為鋼渣粉-水泥土-NaOH。

1.2.2 試驗方案

對養(yǎng)護(hù)不同齡期的試樣，分別進(jìn)行干濕循環(huán)作用，并在干濕循環(huán)作用不同次數(shù)時進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度測試。

干濕循環(huán)的方法：先增濕后干燥構(gòu)成一次干濕循環(huán)。

(1)增濕時，對未改良土試樣采用文獻(xiàn)[16]的方法。選取兩個容器，一個盛放試樣，另一個盛水，盛放試樣的容器放置高度略低于盛水容器。將制作好的試樣包上紗布放入容器中，通過紗布將存于較高容器中的水引出并逐漸浸潤試樣；對于改良土試樣采用浸泡法[5]，盛放試樣和水的容器采用同一個容器，將制作好的試樣用紗布包好，直接放于水中進(jìn)行吸水處理，吸水的時間為12 h。

(2)干燥過程：對試樣采用自然晾干的方法，將吸水之后的試樣取出后，去除包裹的紗布，量取質(zhì)量和體積之后再包上干燥的紗布放置于自然室溫條件下，靜置12 h后完成一次干濕循環(huán)。具體試驗方案如表5所示。其中60 d養(yǎng)護(hù)齡期時，三種改良土的干濕循環(huán)次數(shù)為1、3、5、7、9、11次。

表5 試驗方案Table 5 The test scheme

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)次數(shù)對UCS值的影響

2.1.1 不同齡期的UCS值變化

圖3為水泥改良土(Es-C)、鋼渣粉-水泥改良土(Es-SSP-C)和鋼渣粉-水泥-NaOH改良土(Es-SSP-C-N)試樣在未進(jìn)行干濕循環(huán)作用時的無側(cè)限抗壓強度(UCS)隨齡期增加的變化情況，其中UCS增長率是指28、60、90 d時的強度相比于7 d時強度的增長率。

圖3 固化土試樣隨齡期變化的UCS及其增長率Fig.3 UCS value and growth rate of various solidified soil specimens with curing time

由圖3可知，各類改良土隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加其強度不斷提高，并且三類改良土的強度大小之間的的關(guān)系總是Es-SSP-C-N>Es-C>Es-SSP-C。說明在正常養(yǎng)護(hù)條件下，水泥對膨脹土的改良效果優(yōu)于未激發(fā)的鋼渣粉，并且在鋼渣粉和水泥混合使用的情況下強度甚至難以達(dá)到單獨使用水泥時的效果。但在摻入NaOH后，強度迅速提升且超越水泥的改良效果，表明NaOH可有效激發(fā)鋼渣粉活性。鋼渣粉和水泥的礦物成分相似，C3S和C2S等物質(zhì)水化帶來水泥土強度和整體性等工程特性的提升，NaOH在其中起激發(fā)劑的作用，有環(huán)境渲染的效果，使水溶液pH升高，為鋼渣粉提供堿性環(huán)境，加快了水化反應(yīng)的速度，提高膠凝體量，致使固體顆粒間的膠結(jié)更為緊密，從而提高土體強度。

結(jié)合圖3，發(fā)現(xiàn)各類改良土在齡期增加的過程中，強度的增長速度有所不同。其中Es-SSP-C和Es-C試樣的UCS增長速率明顯較高，并且兩者的強度增長速率十分接近，Es-SSP-C比Es-C高2%～3%。但由于Es-SSP-C試樣在7 d時的強度低于Es-C試樣，即使在強度提升速度略快的情況下強度也始終小于后者，表明在對膨脹土的改良中，水泥的水化是改良土強度增加的主要來源。而Es-SSP-C-N的UCS增長率較小，尤其在7～28 d，增長率約為6.1%，相比于Es-SSP-C和Es-C的35.8%和33.9%，增長率減少了約80%。這是因為NaOH起激發(fā)催化的作用，前期促進(jìn)鋼渣的水化效果顯著，但整體強度還是水泥和鋼渣粉水化的結(jié)果。所以膠凝材料總量不變時，早期水化程度高的Es-SSP-C-N后期強度的增幅較小。Es-SSP-C-N、Es-SSP-C和 Es-C的 7、90 d強度的比值分別為0.768 2、0.575 2和0.585，這也反映了NaOH的催化作用。

圖4 各類土體UCS隨齡期的變化Fig.4 UCS of various soils with curing time

圖4為三種改良土UCS值在不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下隨齡期變化曲線圖。改良土的UCS在0次曲線的上下浮動，表示土體強度受到了干濕循環(huán)的影響。對比圖3(a)和圖4可知，強度增長的趨勢與干濕循環(huán)前相似，由此可見齡期帶來的強度提升比干濕循環(huán)的劣化高得多。值得注意的是早期強度增長速度與干濕循環(huán)前無異，而后期的強度提升卻相對更加平緩了，意味著后期在水化充分的情況下，強度雖大但受到干濕循環(huán)劣化效應(yīng)的影響也大。但后期的強度總體仍然較高，也表明了干濕循環(huán)無法完全抵消齡期帶來的強度提升作用。

2.1.2 干濕循環(huán)次數(shù)對UCS的影響

圖5為不同養(yǎng)護(hù)齡期各類固化土隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的無側(cè)限抗壓強度曲線圖。Es試樣的強度與含水率相關(guān)，隨齡期增加不會出現(xiàn)變化，因此在其他3個齡期中的曲線均與7 d時相同。由圖5可知，在不同養(yǎng)護(hù)齡期下各類固化土受干濕循環(huán)作用后強度會有上下起伏的變化，但三類改良土的強度大小之間的關(guān)系仍然為Es-SSP-C-N>Es-C>Es-SSP-C，與試樣在正常養(yǎng)護(hù)條件下得到的強度關(guān)系一致，這表示干濕循環(huán)帶來的強度上升或下降不能完全影響改良方案對土體改良的優(yōu)越性，也反映了固化土對干濕循環(huán)的承受能力。

由圖5、圖6可知，對于改良土，在經(jīng)受第1次的循環(huán)時，Es-C試樣除7 d齡期時強度略有上升外，其他齡期時均下降，而另兩種試樣則是基本保持平穩(wěn)或上升狀態(tài)；另外，在之后的多次干濕循環(huán)時，Es-C 試樣強度多是呈持續(xù)降低的現(xiàn)象，Es-SSP-C強度下降后又回升，Es-SSP-C-N試樣強度甚至在4個齡期時均持續(xù)上升。這些現(xiàn)象表明，與未改良土不同，初次干濕循環(huán)對改良土的強度影響較小，更多是反復(fù)循環(huán)帶來的影響，并且三種改良土對干濕循環(huán)效應(yīng)的承受能力有所不同，其中Es-SSP-C-N和Es-SSP-C試樣更具有優(yōu)勢。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同改良方案試樣隨干濕循環(huán)變化的UCSFig.5 UCS of improved specimens with different curing time with dry-wet cycles

圖6 強度變化率隨干濕循環(huán)的變化Fig.6 The rate of change of strength with dry-wet cycles

干濕循環(huán)對未改良土試樣的破壞是明顯的，是裂隙不斷發(fā)展帶來的強度劣化的宏觀表現(xiàn)，同膨脹土中的重力水滲透、毛細(xì)水遷移、離子交換[17]等水分遷移過程一樣，固化土在干濕循環(huán)的過程中也經(jīng)歷了同樣的水分遷移過程。在水中浸泡時水分填充固化土孔隙，然后在干燥時又通過這些孔隙揮發(fā)出去，往復(fù)操作使固化土中孔隙周邊的結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙逐漸被擴(kuò)大，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致強度劣化，并且強度的劣化是從外到內(nèi)的過程。因此，在干濕循環(huán)過程中試樣的表皮會首先受到影響，出現(xiàn)軟化甚至掉落的現(xiàn)象，然后逐漸向深處蔓延。

改良土強度隨齡期變化的過程，是其內(nèi)部膠凝特性和強度的發(fā)展過程。在齡期增加的過程中，C2S、C3S、C3A和C4AF等礦物成分不斷水化，Ca(OH)2和C-S-H等水化產(chǎn)物也不斷增多，土體中的各種顆粒成分被這些水化產(chǎn)物黏結(jié)成一個具有較高強度的整體，提高試樣的整體性和強度。但水泥早期的水化程度較弱，在干濕循環(huán)過程中，因有充足的水分，水泥水化反應(yīng)受到了正方向的推進(jìn)，因此會出現(xiàn)強度提升的現(xiàn)象；然而干濕循環(huán)的過程也是水分對土體中的微裂隙侵蝕的過程，會造成裂隙周圍的膠凝體系逐漸被溶解破壞，導(dǎo)致強度降低。所以，干濕循環(huán)的過程是強度發(fā)展和破壞的共同體，占據(jù)優(yōu)勢的因素將決定強度的變化趨勢。

2.2 無側(cè)限抗壓強度試驗中試樣的破壞模式

圖7是養(yǎng)護(hù)7 d后各類土體經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖7可知，從峰值強度上來說，各類改良土均有十分優(yōu)異的表現(xiàn)，其中以Es-SSP-C-N為最優(yōu)。

圖7 各類土樣的應(yīng)力-應(yīng)變圖(養(yǎng)護(hù)齡期7 d)Fig.7 Stress-strain diagram of various soil samples at curing time 7 d

從圖7應(yīng)力-應(yīng)變曲線的整體走勢來看，未改良土試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化型，而改良土則以應(yīng)變軟化型為主要走勢，孔令偉等[18]研究也得到了相同的結(jié)論。這是土體軟硬程度的一個表現(xiàn)，也是其整體性和密實度的體現(xiàn)。未改良土試樣因為土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力小，試樣在最優(yōu)含水率條件下制作時的含水量大，土顆粒水膜較厚，土體體積膨脹，密實度大大降低。因此在壓縮破壞的試驗中變形量很大，并且應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型增長趨勢。對應(yīng)的試樣在破壞中以鼓脹破壞為主，隨著壓力增加橫向直徑不斷增大，在試樣的薄弱部位優(yōu)先產(chǎn)生裂縫，并在此位置發(fā)生破壞，破壞處有明顯的裂縫貫穿整個試樣，且顆粒松散難成結(jié)構(gòu)。而改良土強度提升的同時也喪失了極大的可變形特性，因此在曲線中呈明顯的應(yīng)變軟化型。但試樣在破壞后仍有較為完整的結(jié)構(gòu)，以脆性劈裂破壞[19]為主，破壞產(chǎn)生的破裂帶從試樣的薄弱一端向另一端延伸，裂隙呈≥60° 的角度進(jìn)行分布，破壞形態(tài)如圖8所示。

圖8 破壞后的純土和改良土試樣示意圖Fig.8 Schematic diagram of pure expensive soil and improved expensive soil samples after failure

由圖7(a)可知，未改良土經(jīng)歷干濕循環(huán)后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)分層，強度明顯降低。在第1、2次循環(huán)和第3次之后的循環(huán)后，強度降低幅度分別約為50%、70%，且在第3次循環(huán)后進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)。干濕循環(huán)前后膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化：①彈性階段減小，塑性變形至屈服階段增加；②第 1、2次循環(huán)后應(yīng)力開始降低時對應(yīng)的應(yīng)變值有一定程度的增大，而在3次及之后其所對應(yīng)的應(yīng)變值明顯的減小；③第1、2次循環(huán)后試樣在應(yīng)變硬化階段略有提升，而3次循環(huán)之后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有了軟化的趨勢。

改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未改良土的相比差異較大，但三類改良土的曲線較為相似。通過分析改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以將其分為4個階段。

(1)彈性上升階段：這一階段土體的初始變形為彈性變形，但隨著荷載的增加，土體內(nèi)部微裂隙逐漸發(fā)展。當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到0.8qu(qu為極限抗壓強度)時，試樣內(nèi)部裂隙已有較大程度的發(fā)育，強度增長速率受到影響。

(2)塑性上升階段：土體的應(yīng)力增長速度逐漸

減小，試樣呈現(xiàn)塑性變形。

(3)破壞階段：在達(dá)到峰值強度后試樣內(nèi)多數(shù)裂隙貫通，形成破裂面，并沿著破裂面開始加劇變形。

(4)殘余強度階段：這一階段土體的應(yīng)力下降至穩(wěn)定值。

2.3 干濕循環(huán)次數(shù)對殘余強度的影響

殘余強度[20]階段是應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的最后一個階段，也是重要的強度指標(biāo)。

由圖9可知，不同改良土的殘余強度不同，三類改良土的殘余強度大小之間的關(guān)系為Es-SSP-C-N>Es-SSP-C>Es-C。并且隨著齡期的不斷增加，試樣的強度逐步提升，同時對應(yīng)的殘余強度也在增大。這是在齡期增加的過程中，膠凝材料不斷水化帶來的效果。C-S-H、Ca2(Al，F(xiàn)e)O5和 C-A-H 等水化產(chǎn)物具有膠凝特性，能將土體中存在的各種松散顆粒和團(tuán)聚體顆粒膠結(jié)在一起，使試塊的黏聚力大大提升。同時團(tuán)聚體間的錯位也更加困難，對應(yīng)摩擦阻力提升，因此到殘余強度階段時，殘余強度也會有所增大。另外在干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增加的過程中，改良土的殘余強度在早期以減小為主，但在后期則是以增大為主。引用脆性指標(biāo)IB[21]對殘余強度進(jìn)行分析研究，表達(dá)式為

IB=(qf-qr)/qf

(1)

式(1)中：qf為峰值強度；qr為殘余強度。

脆性指標(biāo)與土體峰值強度和殘余強度相關(guān)，反映了試塊屈服之后強度的衰減特性。由圖10可以看出，與殘余強度隨齡期增加而增大的現(xiàn)象不同，脆性指標(biāo)有隨齡期增加而逐漸減小的趨勢，表示在隨齡期增大的過程中，改良土試塊的脆性特性有所減弱。后期在峰值強度提升的同時殘余強度同比提升更加明顯，而且三種改良土的脆性指標(biāo)較為貼近，相差不大。表明在水泥和鋼渣粉等膠凝材料固化改良后，土體的脆性特性相近。也表示峰值強度越大，殘余強度也就表現(xiàn)越好，因此仍以Es-SSP-C-N表現(xiàn)最優(yōu)。

圖9 各類改良土殘余強度變化Fig.9 Changes in residual strength of various improved soils

圖10 各類改良土脆性指標(biāo)變化Fig.10 Changes in various improved soil brittleness index

殘余強度與脆性指標(biāo)在干濕循環(huán)作用下的變化曲線規(guī)律性較弱。但通過對比發(fā)現(xiàn)，3種改良土曲線的相同點：在齡期增大的過程中，早期試樣隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加曲線變化較為平緩，其中Es-C的變化幅度最大，Es-SSP-C-N和Es-SSP-C相對較小；而后期，尤其在90 d時，三類改良土的殘余強度和脆性指標(biāo)變化都較大。另外，3種改良土的脆性指標(biāo)隨干濕循環(huán)的變化趨勢基本相同，都是從早期的增大到后期的減小。這是水化反應(yīng)的作用：早期干濕循環(huán)提供充足的水，為未水化膠凝材料的進(jìn)一

步水化提供助力，使土體穩(wěn)定性更強；到后期水化充分，干濕循環(huán)促進(jìn)水化的作用較弱，侵蝕作用占主導(dǎo)地位，使土體的穩(wěn)定性受到影響。但同時干濕循環(huán)作用使土體的脆性指標(biāo)減小，能更有效地預(yù)防改良土的突發(fā)性破壞。

2.4 干濕循環(huán)次數(shù)對破壞應(yīng)變的影響

破壞應(yīng)變εf是水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中與極限抗壓強度qu對應(yīng)的應(yīng)變[22]。提取不同干濕循環(huán)次數(shù)后的各類土體試樣的破壞應(yīng)變，結(jié)果如表6 所示。

表6 各類改良土無側(cè)限抗壓強度試驗中的破壞應(yīng)變Table 6 Failure strain in unconfined compressive strength tests of various improved soils

從表6可以看出，不同的改良土對應(yīng)的破壞應(yīng)變有不同的變化趨勢。破壞應(yīng)變是反映材料脆性和韌性程度的指標(biāo)，由此可見，改良土在干濕循環(huán)的作用下不僅強度發(fā)生變化，脆性和韌性也會發(fā)生變化。在3種改良土的破壞應(yīng)變中，Es-SSP-C-N在齡期低于60 d時隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其破壞應(yīng)變值少有減小，直到90 d時多次干濕循環(huán)后，才出現(xiàn)一定的韌性降低；相比之下，Es-SSP-C在早期隨干濕循環(huán)次數(shù)增加會有明顯的先增大后減小的趨勢，也就是在多次干濕循環(huán)之后，韌性會下降，但在后期卻能保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，意味后期抵抗干濕循環(huán)能力略有提升；Es-C是變化最大的試樣，在第 2～3次干濕循環(huán)后多有破壞應(yīng)變降低的現(xiàn)象。總體來說，在四個養(yǎng)護(hù)齡期中，三類改良土在60 d時破壞應(yīng)變都處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，其中變化量最大的當(dāng)屬Es-C試樣，其次是Es-SSP-C-N，最后是Es-SSP-C，其他齡期時破壞應(yīng)變與60 d時相比較大。

Es-SSP-C-N和Es-C的破壞應(yīng)變隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加變化較大，表明這兩種改良土樣雖因膠凝材料的水化反應(yīng)速率快、水化程度高而強度有所提升，但也因土樣密實性增大而應(yīng)變能力降低。與這兩者相比，Es-SSP-C的破壞應(yīng)變的變化量較小，意味著摻入鋼渣粉后，試樣在干濕循環(huán)作用下可以更好地保持土體的變形能力。并且在干濕循環(huán)的作用下，水不斷侵蝕溶解試樣中的微溶物，使結(jié)構(gòu)松散化，對破壞應(yīng)變的影響也更加明顯。而Es-SSP-C結(jié)構(gòu)本身相對密實性較差，在水的作用下，受到的影響反而較小。

改良土體是由膨脹土顆粒，水化產(chǎn)物和未水化的膠凝材料構(gòu)成的。膨脹土和膠凝材料在相互混合的情況下，不同粒徑的顆粒相互填充孔隙，密實度有很大的改善。另外，純膨脹土對水十分敏感，導(dǎo)致土體的體積和強度均有很大的變化，但是改良土對水的敏感性大大降低。一是因為膨脹土與膠凝材料的混合相當(dāng)于降低了土體中的黏性顆粒的含量；二是膠凝材料與土體之間的相互填充使膨脹土顆粒與水的接觸機(jī)會減小；三是膠凝材料的水化產(chǎn)物使得土體的密實性進(jìn)一步提高，同時水化產(chǎn)物對土體顆粒的保護(hù)，進(jìn)一步阻止了其與水的接觸。因此改良土對干濕循環(huán)的承受能力大大的提升，穩(wěn)固性和硬度也有所增加。同時形成了新的框架結(jié)構(gòu)以承受荷載，強度也得到了明顯的提高。

3 結(jié)論

通過對四種土體在無側(cè)限抗壓強度試驗中表現(xiàn)的力學(xué)特性的研究，重點分析了改良膨脹土在不同的養(yǎng)護(hù)齡期和干濕循環(huán)次數(shù)對未改良土和改良土的破壞模式、無側(cè)限抗壓強度、破壞應(yīng)變和殘余強度等的影響，并分析得出以下結(jié)論。

(1)三種改良方案對膨脹土的無側(cè)限抗壓強度都有顯著的提高，并且隨齡期的增大改良土強度持續(xù)增加，增加速度Es-SSP-C-N略低于另外兩者，但整體強度值始終是Es-SSP-C-N>Es-C>Es-SSP-C，表明鋼渣粉在膨脹土改良中劣于水泥，但NaOH激發(fā)其活性后試樣強度又有大幅度提高。

(2)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，未改良土強度大幅度降低，尤其是初次干濕循環(huán)時，降低幅度達(dá)50%，并從第3次干濕循環(huán)時開始趨向穩(wěn)定；改良土在干濕循環(huán)次數(shù)增加的過程中，強度變化有所不同，Es-C從早期的先增大后減小逐漸發(fā)展為后期的先減小后上升和持續(xù)減小，表現(xiàn)了水化反應(yīng)逐漸充分的過程；Es-SSP-C多是保持先降低后上升，是受到干濕循環(huán)侵蝕后未水化膠凝物質(zhì)再水化的結(jié)果，也表明了鋼渣粉的活性較低；Es-SSP-C-N強度最大，但在60 d之后隨干濕循環(huán)次數(shù)增加強度開始降低，尤其在13次循環(huán)后降低明顯，說明60 d時水化反應(yīng)已經(jīng)比較充分。

(3)在破壞模式上，未改良土表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型的塑性破壞，改良土則是應(yīng)變軟化型的脆性破壞，表示土體強度提升的同時以犧牲部分塑性為代價。改良土的破壞應(yīng)變隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，從早期的先增大后減小逐漸變化為后期的保持穩(wěn)定，尤其是60 d時破壞應(yīng)變隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加變化最小；而殘余強度隨著齡期逐漸增大，表現(xiàn)為脆性指標(biāo)的逐漸降低，同時隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，有從早期的脆性增大到后期的脆性減小的變化。