凍融循環(huán)下鋼渣粉水泥改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究*

吳燕開 苗盛瑤 李 鑫 王 浩 曹玉鵬 胡興濤

(①山東科技大學(xué)，山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590，中國(guó))(②山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590，中國(guó))(③山東科技大學(xué)交通學(xué)院，青島 266590，中國(guó))(④泰安博奧安全評(píng)價(jià)有限公司，泰安 271000，中國(guó))

0 引 言

膨脹土工程問題因其處理的復(fù)雜性被視為建筑工程中的”難點(diǎn)”，是一種被稱為“有關(guān)處理災(zāi)難性土”的問題(Chen et al.，2007； 陳強(qiáng)等， 2019)。膨脹土遇水膨脹失水收縮的特性，給上部結(jié)構(gòu)安全性帶來(lái)了巨大的危害(Zhang et al.，2009； Puppala et al.，2011)。因此針對(duì)膨脹土的特性，很多學(xué)者提出各種各樣的改良方法，目前對(duì)膨脹土的改良主要有物理改良和化學(xué)改良兩種。物理改良主要通過在膨脹土中摻入砂、礫、碎石以及爐渣等粗顆粒材料來(lái)改良膨脹土的工程特性，化學(xué)改良則是通過在膨脹土中摻入粉煤灰、水泥以及石灰等材料與膨脹土發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)從而增強(qiáng)膨脹土的各物理力學(xué)指標(biāo)。眾多學(xué)者針對(duì)改良后膨脹土的物理力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究(王保田等， 2006； 孔令偉等， 2010； Al-Mukhtar et al.，2012； Stoltz et al.，2012； Khemissa et al.，2014； Hotineanu et al.，2015； 冷挺等， 2018)。

改良后膨脹土的脹縮性明顯降低，對(duì)上部結(jié)構(gòu)體系造成的破壞作用也隨之降低。但是土體經(jīng)過改良后，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí)，其物理力學(xué)性質(zhì)仍會(huì)發(fā)生變化，如干濕循環(huán)(何中江等， 2018； 慕煥東等， 2018)、凍融循環(huán)(楊忠平等， 2019)等作用。目前對(duì)于膨脹土和改良后的膨脹土在干濕循環(huán)作用下物理力學(xué)特性研究比較多(Alonso et al.，2005； Estabragh et al.，2015； Rosenbalm et al.，2017)，而對(duì)于凍融循環(huán)對(duì)膨脹土以及改良膨脹土的影響，研究得相對(duì)較少。Bin-Shafique et al. (2011)通過多種試驗(yàn)研究?jī)鋈谘h(huán)條件下的粉煤灰和人造纖維改良的膨脹土，發(fā)現(xiàn)土體的改良造成了強(qiáng)度的降低，膨脹勢(shì)的提高。Olgun(2013)通過無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和膨脹試驗(yàn)研究?jī)鋈谘h(huán)下的石灰、谷殼灰和纖維改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)改良膨脹土同樣受到凍融循環(huán)的影響。Hotineanu et al.(2015)將膨脹土和高嶺土通過石灰改良，研究其在凍融循環(huán)作用下的特性，結(jié)果表明凍融循環(huán)主要影響土的黏聚力且第一次凍融循環(huán)的影響最明顯。Lu et al.(2019)對(duì)膨脹土采用不同含水量制作試樣，在3種溫度下(-5℃、-10℃、-15℃)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到了凍結(jié)溫度對(duì)膨脹土體積變化率有著顯著影響的結(jié)論。楊俊等(2016)采用風(fēng)化砂改良膨脹土，在凍融循環(huán)作用下對(duì)其收縮變形規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為摻入風(fēng)化砂可有效抑制凍融循環(huán)而產(chǎn)生的體積變化率。Wang et al.(2018)在凍融循環(huán)作用下對(duì)采用離子固化劑改良膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，改良膨脹土強(qiáng)度是降低的，試樣的強(qiáng)度也會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，膨脹土的孔隙率會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，對(duì)剪切強(qiáng)度變化最大的是第1次凍融循環(huán)后， 7次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度變化幅度最小，并趨于穩(wěn)定。許雷等(2017)在研究?jī)鋈谘h(huán)下的水泥改良膨脹土?xí)r發(fā)現(xiàn)改良后的膨脹土呈現(xiàn)“凍縮融脹”現(xiàn)象，隨摻灰比的增加，最大凍縮量和最大融脹量會(huì)隨之減小； 隨著凍融次數(shù)的增加，強(qiáng)度和彈性模量衰減趨于穩(wěn)定。這一系列的研究，均探討了改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，但不同的改良方法，其物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律存在差異。

本文利用鋼渣粉作為膨脹土的主要改良劑，改良膨脹土的物理力學(xué)特性。鋼渣作為煉鋼的一種副產(chǎn)品，與水泥有著相似的化學(xué)成分，而且是一種工業(yè)廢棄料。目前中國(guó)的鋼渣綜合利用率約22%(何若楠等， 2019)，剩余的主要采用堆放處理，這對(duì)環(huán)境易造成二次污染。把鋼渣碾磨后加工成鋼渣粉，用于改良膨脹土，不但可以改良膨脹土的物理力學(xué)特性，還可以實(shí)現(xiàn)廢棄資源的再利用。通過鋼渣粉改良膨脹土，研究?jī)鋈谘h(huán)下改良膨脹土的體積變化率與凍融循環(huán)次數(shù)、養(yǎng)護(hù)齡期的相互關(guān)系，自由膨脹率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的規(guī)律以及無(wú)荷膨脹率、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。從而為鋼渣粉用于改良膨脹土提供實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)所用材料

實(shí)驗(yàn)所用的膨脹土取自山東省臨沂市南郊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土樣進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)獲取其最優(yōu)含水量以及最大干密度，具體參數(shù)如表1所示。從表1可知，膨脹土的塑性指數(shù)為37.1，液限為68.8，該膨脹土可定義為高塑性土； 自由膨脹率為66.5%，該土為中等膨脹土。

表1 膨脹土的物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)所用水泥為山東省淄博市山水牌普通硅酸鹽水泥； 鋼渣粉為日照鋼鐵公司產(chǎn)鋼過程的副產(chǎn)品。水泥及鋼渣粉的主要化學(xué)成分及各成分的百分含量如表2所示，由表2可知，鋼渣粉有著與水泥相似的化學(xué)成分。圖1為膨脹土、水泥以及鋼渣粉的外觀圖。

圖1 試驗(yàn)用到材料

表2 鋼渣粉及水泥的主要化學(xué)成分及百分含量

1.2 試樣制備

土樣最大干密度為1.5g·cm-3，最優(yōu)含水率為28.2%，制備試樣所用含水率和用土量均由最大干密度和最優(yōu)含水率確定。制作的試樣尺寸分別為3.91cm×8cm、6.18cm×2cm，前者用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、UU三軸壓縮試驗(yàn)，后者用于一維無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要采用3種方法改良膨脹土，分別為水泥改良膨脹土(ES-C)、鋼渣粉水泥改良膨脹土(ES-SSP-C)以及鋼渣粉水泥摻NaOH活性激發(fā)劑改良膨脹土(ES-SSP-C-SH)。根據(jù)前期的研究結(jié)果(吳燕開等， 2017)，3種改良方案摻入料的具體比例如表3所示。

表3 各改良膨脹土改良配比方案

根據(jù)表3的膨脹土改良配比方案，采用擊實(shí)法制樣，制樣完成后脫模取出試樣，立即存放在恒溫(25℃)恒濕(相對(duì)溫度95%)的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)備用。凍融循環(huán)時(shí)試樣用保鮮膜包裹以減少水分散失(圖2)。

圖2 制備好的各種改良膨脹土試樣

2 凍融循環(huán)及測(cè)試內(nèi)容

2.1 凍融循環(huán)

改良膨脹土在室內(nèi)凍融循環(huán)的模擬試驗(yàn)，主要參照Ghazavi et al.(2010)、Tang et al.(2018)、Lu et al.(2019)以及Dagesses et al.(2013)的凍融循環(huán)試驗(yàn)方案，將包裹好的試樣放入低溫試驗(yàn)箱中冷凍12h，然后將試樣取出放在室溫下融化12h，記為一次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)試驗(yàn)所用到的DWX低溫試驗(yàn)箱如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)所用低溫試驗(yàn)箱

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)，將3種改良后的膨脹土試樣分別養(yǎng)護(hù)7d、28d、60d、90d，把不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)行最低溫度為-10℃的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究。以養(yǎng)護(hù)28d的試樣為例，將3種改良膨脹土試樣制備好養(yǎng)護(hù)28d，進(jìn)行最低溫度為-10℃的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)。試樣在進(jìn)行凍融循環(huán)過程中，用保鮮膜包裹，采取平行試驗(yàn)，在測(cè)定不同的物理力學(xué)參數(shù)時(shí)，每組測(cè)定3個(gè)試樣，取平均值作為試驗(yàn)的最終結(jié)果。

2.2 測(cè)試內(nèi)容

2.2.1 體積變化率

試樣在每次凍結(jié)或融化后用游標(biāo)卡尺對(duì)試樣進(jìn)行直徑與高度測(cè)量。為減少測(cè)量誤差，每個(gè)試樣直徑、高度分別取7處和5處位置進(jìn)行測(cè)量，取3個(gè)試樣的平均值作為最終的直徑與高度，然后計(jì)算出試樣的體積，并求出試樣凍結(jié)或融化后的體積變化率。

式中：δFn為第n次凍結(jié)后試樣的體積變化率，正為膨脹，負(fù)為收縮；δTn為第n次融化后試樣的體積變化率，正為膨脹，負(fù)為收縮；VFn為第n次凍結(jié)時(shí)試樣體積；VTn為第n次融化時(shí)試樣體積；V0為試樣未進(jìn)行凍融循環(huán)前初始狀態(tài)體積。

2.2.2 自由膨脹率

自由膨脹率是人工制備的松散干燥的粒徑小于0.5mm土樣在5%濃度NaCl溶液中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原始體積之比(中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)。測(cè)定土體處于非結(jié)構(gòu)化狀態(tài)下的膨脹特征即自由膨脹率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算公式：

式中：FS為自由膨脹率(%)，計(jì)算誤差為1%；V1為試樣在水中膨脹某一時(shí)間的體積(mL)；V0為試樣原體積(mL)。

2.2.3 無(wú)荷膨脹率

一維無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)是利用WZ-2膨脹儀測(cè)取制備試樣不同時(shí)刻下的膨脹量，然后由下式計(jì)算任意時(shí)刻的膨脹率：

式中：δt為時(shí)間為t時(shí)的無(wú)荷載膨脹率(%)；zt為時(shí)間為t時(shí)的位移計(jì)讀數(shù)(mm)；z0為時(shí)間為0時(shí)的位移計(jì)讀數(shù)(mm)；h0為初始試樣高度(mm)。

2.2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

利用室內(nèi)WAW-1000B型電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)凍融循環(huán)作用下純膨脹土試樣及改良膨脹土試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程可以監(jiān)測(cè)試樣的應(yīng)力-應(yīng)變值，試驗(yàn)過程加載應(yīng)變速率控制在1.25%。

2.2.5 電鏡掃描

利用電鏡掃描試驗(yàn)，觀察微觀結(jié)構(gòu)面的顆粒、孔洞等結(jié)構(gòu)的分布、大小等特性，分析宏觀強(qiáng)度變化的原因，使微觀特性與宏觀表現(xiàn)更好地結(jié)合在一起，試驗(yàn)儀器如圖4所示。

圖4 掃描電子顯微鏡

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)與體積變化率間關(guān)系

圖5為未改良膨脹土與3種改良土隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率圖。將試樣制備好后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7d，進(jìn)行最低溫度為-10℃的不同凍融循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中對(duì)試樣的體積變化進(jìn)行測(cè)定。

圖5 改良土隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率

由圖5可知，ES試樣無(wú)論是凍結(jié)還是融化，相對(duì)于改良后的試樣，凍和融的體積變化率是非常明顯的。在凍融循環(huán)時(shí)，ES試樣整體呈拋物線上升的趨勢(shì)，前4次凍融循環(huán)膨脹土表現(xiàn)出“凍縮融脹”現(xiàn)象。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率只出現(xiàn)膨脹，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)超過8次以后，體積變化率及凍和融體積變化率差值趨于穩(wěn)定。分析其原因，前1～4次凍融循環(huán)時(shí)，膨脹土中的水凍結(jié)成冰，體積膨脹，但因?yàn)轲ね令w粒表面大量失水，膨脹土顆粒出現(xiàn)體積收縮，這時(shí)失水收縮的特性占主導(dǎo)，所以體積較原體積相比呈現(xiàn)出收縮的狀態(tài)。前4次融化時(shí)，膨脹土中的冰融化成水體積減少，但膨脹土遇水后土體顆粒膨脹，當(dāng)融脹量大于凍縮量，體積較原體積開始增大。從第8次凍融循環(huán)開始，膨脹土的凍縮量和融脹量都漸趨穩(wěn)定。未改良膨脹土在整個(gè)凍融循環(huán)過程中，凍融體積變化率差值最大時(shí)為5.38%，轉(zhuǎn)入穩(wěn)定狀態(tài)后維持在2.6%左右。膨脹土凍融體積的變化足以對(duì)上部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響甚至破壞。

改良膨脹土除ES-SSP-C試樣在第一次凍融循環(huán)時(shí)遵循“凍縮融脹”規(guī)律外，其余循環(huán)次數(shù)試樣均表現(xiàn)為收縮； ES-C、ES-SSP-C-SH試樣在全部?jī)鋈谘h(huán)過程中融化時(shí)體積沒有出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，凍融過程以收縮為主。這是因?yàn)殇撛酆退鄷?huì)發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生水化膠凝物，水化膠凝物將使膨脹土顆粒變得致密，同時(shí)增加土顆粒間的吸附力，致使土體在凍融循環(huán)后均出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象。

相比于ES和ES-SSP-C-SH試樣，ES-C和ES-SSP-C試樣體積變化率呈現(xiàn)良好的線性平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。在第1次循環(huán)時(shí)，ES-C和ES-SSP-C試樣體積變化幅度最大，因?yàn)榇藭r(shí)所摻的鋼渣粉與水泥的水化反應(yīng)還未徹底完成，同時(shí)新生成的水化產(chǎn)物與顆粒間的膠結(jié)也未達(dá)到理想狀態(tài)，因此在第一次凍融循環(huán)時(shí)改良膨脹土“凍縮融脹”的特性還較明顯。第 2 次融化時(shí)，ES-C和ES-SSP-C試樣的體積沒有膨脹，從第 3 次凍融循環(huán)開始，改良膨脹土就進(jìn)入了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，且沒有出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，而ES-SSP-C試樣最大的凍融體積變化率差值僅為1.93%，表明鋼渣粉和水泥的加入對(duì)膨脹土因凍縮融脹引起的體積變化具有明顯的改善效果。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期與體積變化率間關(guān)系

3種改良后的膨脹土試樣分別養(yǎng)護(hù)7d、28d、90d后，在最低溫度為-10℃下進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)，測(cè)定試樣體積變化。

圖6為ES-C試樣、ES-SSP-C試樣以及ES-SSP-C-SH試樣在最低溫度為-10℃下，經(jīng)歷不同養(yǎng)護(hù)齡期后，不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下土樣凍結(jié)狀態(tài)以及融化狀態(tài)下的體積變化率曲線圖。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期試樣隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率曲線圖

由圖6a可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，養(yǎng)護(hù)7d和28d后的水泥改良土試樣凍和融時(shí)的體積變化幅度都比較大，與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系不大。而養(yǎng)護(hù)90d的ES-C試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。表明試樣的養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)膨脹土試樣膨脹潛勢(shì)具有控制性作用。

由圖6b可知，養(yǎng)護(hù)7d和28d的ES-SSP-C試樣在凍融循環(huán)過程的體積變化幾乎一致，但與ES-C試樣的變化幅度相比要小。養(yǎng)護(hù)90d后 ES-SSP-C試樣凍、融時(shí)的體積變化率均在0上下微小浮動(dòng)，說(shuō)明膨脹土的膨脹態(tài)勢(shì)得到控制。ES-SSP-C試樣在1、6、12次循環(huán)時(shí)體積變化率相比于ES-C試樣要小，說(shuō)明摻加鋼渣粉可以降低凍融循環(huán)對(duì)試樣的破壞程度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各循環(huán)次數(shù)下試樣體積變化率差值在逐漸減少，且最小值在0.3%左右，表明膨脹土的膨脹態(tài)勢(shì)已經(jīng)得到良好控制。

將圖6c與圖6a、圖6b對(duì)比，可看出28d、90d的ES-SSP-C-SH試樣凍融循環(huán)體積變化率在-1%～0.5%之間起伏，起伏較ES-C和ES-SSP-C試樣穩(wěn)定。這說(shuō)明摻加NaOH可加快鋼渣粉和水泥水化穩(wěn)固膨脹土， 28d后ES-SSP-C-SH試樣的膨脹態(tài)勢(shì)已趨于穩(wěn)定。各齡期下第1、6、12次凍融循環(huán)試樣的體積變化率差值相似，說(shuō)明循環(huán)次數(shù)對(duì)ES-SSP-C-SH試樣的膨脹性影響不大。對(duì)比ES-SSP-C、ES-SSP-C-SH試樣可知，摻加NaOH加快鋼渣粉水泥的水化， 7d試樣兩者的體積變化率的變化規(guī)律起伏均較大，但從28d開始，ES-SSP-C-SH試樣的體積變化率已大大減少，而ES-SSP-C試樣仍具有較大的起伏，因?yàn)镹aOH遇水放熱，并為鋼渣粉和水泥水化提供堿性環(huán)境，且游離的Na+進(jìn)入蒙脫石的層間結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得體積膨脹加大。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，摻入鋼渣粉后，可有效改善膨脹土的凍融循環(huán)體積膨脹特性，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下體積膨脹性就越小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率趨于平穩(wěn)。而摻了活性激發(fā)劑后，可有效縮短養(yǎng)護(hù)齡期，從而在較短的時(shí)間內(nèi)，使改良后的膨脹土的膨脹性變小且趨于穩(wěn)定。

3.3 自由膨脹率

圖7為改良膨脹土養(yǎng)護(hù)不同齡期后，在最低凍結(jié)溫度為-10℃下進(jìn)行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)所測(cè)得的自由膨脹率曲線圖。

圖7可知，所有改良膨脹土在改良后養(yǎng)護(hù)齡期從7d到90d，其自由膨脹率均小于10.0，與ES試樣的初始自由膨脹率66.5%相比，自由膨脹率大幅度降低，說(shuō)明3種方法對(duì)膨脹土的改良都是非常有效的。3種方法改良后的膨脹土，其自由膨脹率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到12次時(shí)，其自由膨脹率幾乎為0。

圖7 改良膨脹土試樣不同凍融循環(huán)下自由膨脹率曲線圖

凍融循環(huán)對(duì)土體性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞、裂隙的發(fā)育、顆粒的松散以及整體性的劣化上，但在自由膨脹率試驗(yàn)中，膨脹率與無(wú)結(jié)構(gòu)的土體材料相關(guān)，是土體自由態(tài)膨脹性的表現(xiàn)，也是土中礦物成分的體現(xiàn)，因此在齡期逐漸增加時(shí)，水化產(chǎn)物的不斷增多是自由膨脹率降低的原因，水化產(chǎn)物增加，試樣內(nèi)部密實(shí)，孔隙水含量降低，試樣的自由膨脹受凍融循環(huán)的影響降低。而自由膨脹率也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)降低，說(shuō)明凍融循環(huán)的過程中也伴隨著膠凝材料的水化反應(yīng)，由此可以看出，凍融循環(huán)的過程既是凍融侵蝕破壞土體的過程，也是膠凝材料水化改善土體性能的過程。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，試樣中水化反應(yīng)完全，劣化以凍融循環(huán)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凍脹融縮為主。

圖7c中的ES-SSP-C-SH試樣7d、28d、60d、90d的自由膨脹率分別為10%、9%、7%、9%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，ES-SSP-C-SH試樣在各凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)自由膨脹率變大了，因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水化反應(yīng)逐漸穩(wěn)定(尹鈺婷， 2019)，但摻入的NaOH為蒙脫石層間結(jié)構(gòu)提供了Na+，黏土礦物在堿性環(huán)境中發(fā)生陽(yáng)離子交換，成為易水化的鈉型黏土，使黏土的水化膨脹加劇。

3.4 無(wú)荷膨脹率

3種改良土試樣養(yǎng)護(hù)28d后在最低凍融溫度為-10℃時(shí)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的無(wú)荷膨脹率隨時(shí)間變化曲線圖如圖8所示。

圖8 改良土不同凍融循環(huán)次數(shù)下無(wú)荷膨脹率

由于無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)是每個(gè)凍融循環(huán)周期在試樣凍結(jié)或融化12h后立即進(jìn)行，因此，無(wú)荷膨脹率曲線圖存在不同形式。由圖8可知，試樣在不同凍融循環(huán)下，其無(wú)荷膨脹率曲線變化圖一般可劃分為兩種類型，第1種是如圖8a中的典型的膨脹土無(wú)荷膨脹率曲線變化圖，曲線發(fā)展可劃分為3個(gè)階段； 膨脹階段，緩慢膨脹階段，穩(wěn)定階段。第2種為典型的改良膨脹土經(jīng)歷凍融后的無(wú)荷膨脹率曲線圖，曲線的變化也可劃分為3個(gè)階段：短暫膨脹階段(a-b)，快速收縮階段(b-c)，恒定收縮階段(c-d)，如圖8b所示。未改良的膨脹土以及改良后的膨脹土未經(jīng)過凍融循環(huán)時(shí)，其無(wú)荷膨脹率曲線均為第一種類型，而經(jīng)受凍融循環(huán)的改良膨脹土都表現(xiàn)出第二種類型的曲線變化。該現(xiàn)象主要是因?yàn)榻?jīng)改良后的膨脹土，摻入的固化劑會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，生成新的膠凝材料，可使土顆粒緊密地聯(lián)結(jié)在一起。當(dāng)改良土經(jīng)受凍融循環(huán)后，一方面，冰晶增加引起的土體膨脹會(huì)破壞土顆粒間的聯(lián)結(jié)； 另一方面，水泥的摻入與負(fù)孔隙水壓力的產(chǎn)生引起土體孔隙間有效應(yīng)力的提高，從而表現(xiàn)為土體壓縮。彈性變形發(fā)生在改良土中有效應(yīng)力小于改良土原有固結(jié)壓力的階段，在此階段有效應(yīng)力的增加不會(huì)對(duì)土體的結(jié)構(gòu)造成影響。而融化初期的“融脹”現(xiàn)象是由融化開始時(shí)有效應(yīng)力大幅降低產(chǎn)生“卸荷回彈”引起的土體的短暫性膨脹。

改良土在無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)中達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，數(shù)值遠(yuǎn)小于純膨脹土試樣，大體都在±0.5%以內(nèi)，相比于純膨脹土無(wú)荷載膨脹率的2%，改良效果達(dá)到75%的減小率，而經(jīng)歷凍融循環(huán)之后，改良土仍具有較小的膨脹率，相比于純膨脹土的8%以上的無(wú)荷載膨脹率有90%以上的減小量，從而可以判斷出改良土在膨脹性的控制上有了極大的改善。與鋼渣粉的性質(zhì)有關(guān)，鋼渣粉不易水化，當(dāng)鋼渣粉部分取代水泥時(shí)，水化反應(yīng)不如水泥作激發(fā)劑時(shí)充分(Wang et al.，2009)，造成無(wú)荷膨脹率增大，但激發(fā)劑的加入促使鋼渣充分水化，無(wú)荷膨脹率降低； 在凍融循環(huán)作用下，ES-SSP-C試樣略強(qiáng)于另外兩者，體現(xiàn)了鋼渣粉對(duì)膨脹土承受凍融循環(huán)的有利作用。

3.5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖9為在最低溫度為-10℃下，養(yǎng)護(hù)不同齡期的各改良土試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。

圖9 改良膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

由圖9可知，ES試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值很低，未改良膨脹土本身強(qiáng)度較低，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，顆粒間的膠結(jié)作用減弱，導(dǎo)致膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力、抗剪強(qiáng)度、彈性模量總體上均呈下降趨勢(shì)(季雅茹， 2018)； 前3次凍融循環(huán)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大， 3次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度受凍融循環(huán)的影響較小。ES-C試樣以及ES-SSP-C試樣其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，強(qiáng)度值很接近，而ES-SSP-C-SH試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。改良膨脹土經(jīng)過第1次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度明顯衰減。當(dāng)ES-SSP-C-SH試樣養(yǎng)護(hù)60d以及90d后再進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)第1次凍融循環(huán)對(duì)強(qiáng)度影響不大，強(qiáng)度的降幅明顯比ES-C試樣以及ES-SSP-C試樣小。養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度越大，在經(jīng)受凍融循環(huán)后，強(qiáng)度衰減越小。

圖10為各改良膨脹土試樣凍融循環(huán)前以及12次凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱狀圖。結(jié)合圖9以及圖10，充分說(shuō)明鋼渣粉的摻入可起到代替水泥的作用，同時(shí)摻入NaOH活性激發(fā)劑，可有效激發(fā)鋼渣粉的活性，使其水化反應(yīng)加快，并產(chǎn)生更多的水化膠凝產(chǎn)物，從而提高土體的強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，改良后的膨脹土抗凍融能力越強(qiáng)。

圖10 改良膨脹土凍融循環(huán)前以及12次凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度柱狀圖

4 SEM測(cè)試分析

圖11為養(yǎng)護(hù)90d后的膨脹土試樣在凍融循環(huán)前的掃描電鏡圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未改良膨脹土的結(jié)構(gòu)較其余3種改良膨脹土松散，ES-C較為致密，孔隙與ES-SSP-C相比較小，但比ES-SSP-C-SH大，這與水泥顆粒較鋼渣小易水化有關(guān)，ES-SSP-C-SH孔隙小是因?yàn)镹aOH的加入促進(jìn)了鋼渣和水泥的水化，生成膠凝材料C-S-H增多，填充孔隙。

圖11 F-T循環(huán)前試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖(90d)

圖12為養(yǎng)護(hù)90d后的膨脹土試樣經(jīng)12次F-T循環(huán)后的掃描電鏡圖。由圖可知，3種改良膨脹土凍融循環(huán)后，整體上結(jié)構(gòu)性較未改良膨脹土還是比較完好，但是ES-C試樣的孔隙明顯比其他兩種試樣的孔隙大，顆粒間的聯(lián)結(jié)也沒有后兩種緊密，土粒表面的冰晶相對(duì)較少，局部可見鈣礬石(Aft)。ES-SSP-C以及ES-SSP-C-SH兩種改良土試樣顆粒間的聯(lián)結(jié)更緊密，水化生成的膠凝產(chǎn)物較多，絮狀的C-S-H膠凝產(chǎn)物填充在顆粒間的孔隙中。這也充分說(shuō)明摻入鋼渣粉后，特別是在摻入NaOH活性激發(fā)劑后，可以進(jìn)一步促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多的具有膠凝性的水化產(chǎn)物，從而使膨脹土顆粒變得密實(shí)。凍融循環(huán)雖使得膨脹土產(chǎn)生膨脹劣化，但水泥、鋼渣和NaOH的加入有效地減少了膨脹土的凍脹，可見鋼渣對(duì)膨脹土的研究是有利的。對(duì)比未經(jīng)過凍融循環(huán)的試樣(圖11)，經(jīng)過凍融循環(huán)后試樣表面呈稀碎、疏松狀態(tài)，有裂隙發(fā)育可見。裂隙的出現(xiàn)是導(dǎo)致改良土試樣在凍融循環(huán)下物理性質(zhì)出現(xiàn)過大變化的主要原因。

圖12 第12次F-T循環(huán)后試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖(90d)

5 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定凍融循環(huán)作用下鋼渣粉、水泥以及NaOH等外摻料改良膨脹土的體積變化率、自由膨脹率、無(wú)荷膨脹率以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)改良后的膨脹土與未改良膨脹土相比，由于水泥、鋼渣粉等外摻料的水化作用生成膠凝產(chǎn)物，致使膨脹土顆粒變得密實(shí)，水分降低，因此在凍融循環(huán)作用下，體積變化率明顯降低。

(2)用鋼渣粉改良膨脹土，可有效改善膨脹土凍融循環(huán)體積膨脹特性。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下體積膨脹變小； 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率趨于平穩(wěn)，自由膨脹率和無(wú)荷膨脹率均降低。

(3)3種改良土整體結(jié)構(gòu)性良好，但仍可見裂隙的存在，所以裂隙的出現(xiàn)是導(dǎo)致改良土試樣在凍融循環(huán)下物理性質(zhì)出現(xiàn)過大變化的主要原因。對(duì)比ES-C改良土，在凍融循環(huán)下，ES-SSP-C以及ES-SSP-C-SH兩種改良土試樣顆粒間的聯(lián)結(jié)更緊密，證明鋼渣的加入提升膨脹土的抗凍性。

(4)ES-C、ES-SSP-C和ES-SSP-C-SH 3種改良膨脹土，在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與凍融循環(huán)前土樣的養(yǎng)護(hù)齡期有著密切的關(guān)系，試樣養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，凍融循環(huán)對(duì)強(qiáng)度的影響越小。摻入NaOH活性激發(fā)劑后的鋼渣水泥改良膨脹土，抗凍融循環(huán)作用最明顯。