水泥改良凍土過程水分轉化規律及對強度的影響

尹振華，張建明，張 虎，王宏磊

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

多年凍土區的淺層高含冰量凍土不僅不能直接用于建筑工程的土方取土，修筑在其上的建筑也存在著融沉災害的安全隱患[1-3]。土壤改良是將凍土與水泥、石灰等無機膠凝材料拌和、養護來改變凍土的力學性質，將其改良為適合工程應用的優質土方[4-5]。Yu等[6]使用水泥、納米二氧化硅、聚丙烯纖維以及混合穩定劑對凍土進行了改良，減小了凍土的融沉量。Chai等[7-8]嘗試使用了水泥和添加劑、氫氧化鈉、硅酸鈉、木質素磺酸鈉、高吸水性聚合物等改良凍土，其中水泥和添加劑同時使用有效提高了凍土的強度。Sun等[9-10]分別采用硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥對凍土進行改良，其中硫鋁酸鹽水泥成功將凍土的融化壓縮量降低到1.0%。以上眾多學者嘗試使用了多種不同材料對凍土進行改良，但對凍土改良的機理缺少更深入的研究。

凍土改良的過程伴隨著凍土中冰的融化、水與水泥水化反應的進行。土中的水分可以分為自由水、結合水和礦物水[11]。其中自由水以液態形式存在，結合水吸附在固體介質的表面，礦物水則是水化產物的組成部分，并參與到晶格結構中[12]。水泥改良凍土時，凍土中冰發生融化，融化后的自由水部分轉化為水化產物中的結合水和礦物水，水化產物的膠結、填充等作用，促使改良土體內部微結構發育，最終導致工程特性的變化[13-14]。所以，通過對凍土改良過程中各組分水分的測定，可以反映水化反應的進程，進而建立起各組分水分與改良土強度之間的關系。

很多學者對水泥改良土中水分轉化機制及其對物理力學性質的影響開展了大量研究，其中主要分為離心機法和核磁共振法。艾凱明[15]采用核磁共振法研究了礦山充填漿料的水分及孔隙演變規律，得到了漿料不同硬化階段的水分質量分數變化；程福周等[16]基于核磁共振技術研究了改良淤泥過程中的孔隙水質量分數及分布的變化規律。Zhu等[17]采用了離心機法研究了自由水、結合水及礦物水在淤泥改良過程中的轉化規律，并建立起水分質量與力學性質的關系；Chiu等[18]則利用離心機法從水分轉化的角度分析了淤泥的改良機理。張春雷[19]采用離心機法從水分轉化的角度解釋了快硬水泥的早強機理。以上兩種方法相比，離心機法對改良土中不同組分水分的測定具有一定的優勢。

為了揭示凍土改良過程中的水分轉化規律，從水分轉化的角度探究水泥改良凍土的機理，進而建立起各組分水分與改良凍土強度之間的關系，以青藏高原多年凍土區淺層凍土為對象，使用不同水泥對凍土進行了改良，并測定了不同摻量及不同養護齡期下改良凍土中不同組分的水分質量分數，分析了水化過程中的水分轉化規律，并揭示了水分轉化過程對土體強度提升的影響。

1 試 驗

1.1 試驗材料

青藏高原多年凍土區淺層凍土主要為黏土，因此，試驗土樣選擇多年凍土區青藏高原北麓河盆地的黏土，此處鐵路、公路、輸電工程聚集，土樣極具代表性。將取回的土樣自然風干后碾碎并過2 mm篩，土樣的顆粒分布及物理化學性質如表1所示。根據文獻[9]不同水泥改良凍土的效果，確定選取由中國唐山特種水泥有限公司生產的標號為C52.5的硫鋁酸鹽水泥和標號為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥。其中，硫鋁酸鹽水泥為早強快硬水泥，由于其較好的低溫水化性質，常用在寒區工程中[10]。普通硅酸鹽水泥作為快硬水泥的參照。兩種水泥的主要成分如表2所示。

表1 土樣顆粒分布和物理化學性質

表2 不同水泥成分質量分數

1.2 試樣制備

將水泥與凍土進行拌和。首先將上述過篩土進行預冷，與由去離子水制成的粉碎冰(過2 mm篩)進行拌和，制成含冰量為33.0%的凍土，然后分別與兩種水泥進行充分拌和。每種水泥的用量分別設置為5.0%、10.0%、15.0%(質量分數)。為了促使水化反應的進行，需要凍土在養護過程中融化產生液態水，因此均加入1.0%的抗凍劑(NaNO2)。為了促進OPC的水化反應程度，在OPC水泥土中再加入0.5%的早強劑(NaSO4)。然后將拌和后的水泥土放入模具分層壓密，制成直徑為61.8 mm、高為126.0 mm的圓柱形土樣，干密度控制為1.25 g/cm3。制樣過程全程在溫度為-10.0 ℃左右的冷庫中進行，避免凍土在制樣時發生融化，對各組分水分測定產生較大影響。最后將土樣從模具中取出，使用保鮮膜密封后放入密封袋中，放入-1.0 ℃的恒溫箱進行養護。分別養護3、7、14和28 d取出進行無側限抗壓強度試驗。為了盡可能地減少制樣過程中的水分蒸發，每個土樣的制樣過程控制在20 min內。-1.0 ℃的選取是為了模擬多年凍土區淺層凍土的溫度，為水泥改良凍土的養護溫度。以上百分比均為凍土質量的百分比。

選取與上述配比相同的水泥土分別放入密封袋中，然后放入-1.0 ℃恒溫箱進行養護，養護到期后放入底部打有小孔的離心管中進行離心機試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 自由水分離理論

離心機法分離自由水的實質是自由水在土中具有一定的勢能，通過給土體施加離心場，使得土中的自由水受到離心勢的作用。當土中自由水在離心場的勢能達到自由水在土中的勢能時，自由水便可以脫離土顆粒的限制，從土體中分離出去。離心機法分離自由水的具體計算如下，將土柱的底面視為參考平面，水勢為ψ0，其同任意高度的土水勢ψ1的差值可由下式表示[20]:

(1)

(2)

式中：r1為參照水平運轉半徑；r2為土樣中心運轉半徑；h=r1-r2，即土樣中心距離試管底端的高度，單位均為cm；ω為角速度，rad/s。

將離心場的勢能換算成重力場的毛管能，得

(3)

(4)

式中：ρ為水的密度，g/cm3；g為重力系數；H為水柱高度，cm。

隨著離心機的離心作用，土樣發生壓縮，土樣高度逐漸減小，土樣高度可以表示為[21]

(5)

式中：l為轉子中心到試管頂面距離，h′為土樣表面到試管頂面的高度，單位均為cm。

將式(5)代入式(4)得

1.118×10-5n2

(6)

式中n為轉速，r/min。

將圖1中各數值代入式(6)得

H=1.397 5×10-6n2(3.7-h′)(21.7+h′)

(7)

得到的H表示土對水的吸力，為負值。最后將土柱高度取對數，得到相對應的土水勢的pF表示方法：

pF=-logH

(8)

pF表示法是參照酸堿度的pH表示法來對土水勢進行表示，根據pF的大小可以對自由水、結合水和礦物水進行區分。

通過在實驗中設置離心機不同轉速以及測量土樣的高度來進行計算，當計算得到的土水勢達到自由水在土中的勢能時，此時分離的自由水質量即為土中自由水的質量。具體尺寸、試管土樣及轉子的示意如圖1所示。

圖1 試管及轉子示意

1.3.2 水泥改良凍土各組分水分測定

水泥及添加劑加入到凍土中后，冰發生融化轉化為自由水和土中的結合水。假定水泥在與凍土中的水分參與反應時，土顆粒本身含有的礦物水和結合水量不發生變化，則參與水化反應的水分僅為冰融化后的自由水。自由水部分轉化為水化產物中的礦物水，部分轉化為水化產物中的結合水。其水分轉化過程如圖2。

圖2 水分轉化示意[19]

由于水化產物中礦物水和結合水很難直接測定，根據圖2的水分轉化原理，可以通過間接的方法得到水化產物中的各組分水分質量，具體如下：

1)改良凍土自由水量的確定。根據Lebedev[22]提出的水分分界勢能理論，自由水的勢能pF<3.8。設定離心機轉速進行離心機試驗，將離心前后的試管土樣進行稱質量，離心前后的質量差值即為分離出的自由水的質量m②。圖3(a)為TGL-16M高速冷凍離心機，最高轉速可達16 000 r/min，同時離心腔中有控溫裝置，如圖3(c)所示，可以對離心腔內進行控溫。試驗溫度取與養護溫度相同的-1.0 ℃。試驗結束后分離得到的自由水如圖3(d)所示。

2)水化產物中礦物水量的確定。利用凍干機將改良后的凍土凍干，此時損失的水分為自由水m②、水化產物中結合水m③和土中結合水m④，只有水化產物中礦物水m①留在了改良土中，因此，凍干前后的質量差值即為水化產物中礦物水質量m①。凍干試驗使用FA-1A-50凍干機，如圖3(b)所示。凍干法和105 ℃烘干法均可以脫去土中的自由水和結合水，但凍干法更適用于水泥改良土的脫水。因為凍干機腔內為真空環境，可以提供-50.0 ℃的腔內溫度，保證土樣在脫水過程中水泥水化反應幾乎停止，確保得到的水分質量數據精確。

圖3 試驗設備

3)水化產物中結合水量的確定。由水分轉化示意圖可知，確定了初始自由水質量m0，水化產物中結合水質量可以通過初始自由水質量減去養護到期后的自由水質量和水化產物中礦物水質量得到，即m③=m0-m②-m①。

4)初始自由水量確定。初始自由水質量即凍土融化后的自由水質量。將土樣過2 mm篩，裝入底部帶孔的離心管中。在管底提前預鋪濾紙，裝入土樣后壓緊，然后將裝有土樣的離心管底端置在水中，水面沒過土樣上表面，經過12 h飽和后稱質量，土樣的飽和度為85%。將飽和后的土樣置于離心機中，設置離心機轉速，分別在不同轉速下離心工作3.5 h，然后稱質量記錄每一級轉速下水分損失質量。離心試驗結束后，將土樣烘干，測試其干質量。最后得到土樣的土水勢曲線，如圖4所示。可以看出，離心機法測得的土水勢曲線與文獻結果吻合較好[21]。由圖4可以得出分離了自由水后的試驗土樣，其結合水質量分數為14.58%。使用初始凍土水分質量分數減去結合水質量分數即可得到初始自由水質量分數。

1.3.3 水泥改良凍土無側限抗壓強度試驗

將養護到期的試樣進行無側限抗壓強度試驗。使用凍土工程國家重點實驗室的CMT5105萬能試驗機進行，如圖3(e)所示。試驗過程中對試樣進行控溫，試驗溫度為-1 ℃，應變速率為0.01 /min，加載至試樣破壞，獲取水泥改良土的峰值應力。

2 試驗結果分析

2.1 水泥改良凍土總含水量變化

水泥改良凍土在不同水泥摻量及不同養護齡期下的總含水量如圖5所示。水泥改良凍土的水分質量減少主要分為兩大部分；一是水泥加入直接導致冰的比例減少；二是水泥在凍土中水化消耗水分而造成的水分質量減少。由圖5可以看出，由于水泥加入而造成的水分質量減少占主要部分。同時，含水量隨著水泥摻量的增加和養護齡期的增加而降低。SAC和OPC降低凍土中含水量的程度大致相同，其中最大程度含水量降低發生在OPC摻量15.0%、養護28 d后，水分質量分數從凍土初始的33.00%降至23.73%。而SAC在摻量為15%、養護28 d時，水分質量分數從最初的33.00%降至24.54%。

圖5 不同水泥改良凍土的含水量

2.2 各組分水分隨養護齡期的變化

分別使用SAC和OPC在不同水泥摻量下(5.0%、10.0%、15.0%)對凍土進行改良，養護3、7、14和28 d后對水泥改良凍土中的各組分水分進行測定，得到改良凍土中各組分水分隨齡期的變化規律。

2.2.1 自由水隨養護齡期的變化

水泥改良凍土中的自由水隨著養護齡期的變化規律如圖6所示。由圖6(a)可以看出，隨著養護齡期的增加，SAC改良凍土中的自由水在前3 d內發生了大幅度的減少，其中，當水泥摻量為15.0%時，自由水質量分數從最初的15.07%減少到5.33%，之后的變化較為緩慢，到養護后期28 d時，變化趨于穩定。通過對比不同水泥摻量下自由水的變化趨勢也可以看出，隨著水泥摻量的等量增加，自由水也基本等差減少。

由圖6(b)可以看出，隨著養護齡期的增加，OPC改良凍土的自由水同樣在養護初期減小的幅度較大，但與SAC改良凍土中自由水初期減少相比，減小的幅度要小一些。自由水減少曲線、結合水和礦物水增加曲線的斜率，可以分別表示各組分水分轉化的速率。在水泥摻量為15.0%時，自由水質量分數從初始的15.09%減少到7.48%。這說明了水泥在水化反應初期反應速率較高，但由于SAC快硬早強的特點，即使在-1 ℃的養護條件下水分轉化速率仍較快。隨著養護齡期的增加，OPC改良凍土中的自由水一直以較為緩慢的速率減少，這說明水化反應一直在進行。隨著水泥摻量的等量增加，自由水減少的量同樣也很接近。這說明水泥摻量的增加對于凍土中自由水減少的作用十分明顯。同時，兩種水泥改良凍土養護齡期為28 d時仍然有自由水的存在，這說明自由水還沒有被水化反應完全消耗。根據自由水勢能較低的原因首先參與水化反應的假設可知，凍土中的結合水沒有參與到水化反應中。

圖6 水泥土中自由水隨齡期的變化規律

2.2.2 礦物水隨養護齡期的變化

水泥改良凍土中的礦物水隨著養護齡期的變化規律如圖7所示。由圖7(a)可以看出，隨著養護齡期的增加，SAC改良凍土中的礦物水在養護初期的7 d內大幅度增加，隨著養護齡期的增加，礦物水的增長速率減緩，礦物水質量分數最高為2.16%。對比不同水泥摻量下礦物水的變化可以看出，當水泥摻量從5%增加到10%時，養護28 d的水泥土礦物水增量十分明顯，從1.08%增加到1.91%；水泥摻量從10%增加到15%時，礦物水的增量較少，僅從1.91%增加到了2.16%。這說明通過增加水泥摻量來增加水化產物量的效果已經不是很明顯。

由圖7(b)可以看出，隨著養護齡期的增加，OPC改良凍土中的礦物水一直在增加，表現為養護初期增長迅速，后期增長緩慢，但整個過程中礦物水增長較SAC改良凍土平緩的多。當水泥摻量從5%增加到10%時，礦物水質量分數從1.88%增長到2.41%；當水泥摻量從10%增加到15%時，礦物水質量分數從2.41%增長到2.79%。水泥摻量的增大引起礦物水的較大幅度增加說明15%摻量時所發生的水化反應仍然較為充分。

圖7 水泥土中礦物水隨齡期的變化規律

2.2.3 水化產物中結合水隨養護齡期的變化

水化產物中結合水隨養護齡期的變化規律如圖8所示。由圖8(a)可以看出，隨著養護齡期的增加，SAC改良土中的結合水總體隨著養護齡期的增長而增大，具體表現為養護初期結合水質量分數增長迅速，7 d以后增長十分平緩。通過對比不同水泥摻量的結合水變化可以看出，當水泥摻量從5%增加到10%時，結合水的增加量較少，水泥摻量從10%增加到15%時，結合水增加量很大。

由圖8(b)可以看出，OPC改良凍土中的結合水總體隨著養護齡期的增長而增大，具體表現為養護初期結合水質量分數增長迅速，7 d后增長十分平緩，并且前3 d的增長曲線幾乎重合。通過對比不同水泥摻量的結合水變化可以看出，隨著水泥摻量的等量增加，結合水增加的量同樣也很接近。

圖8 水泥土中結合水隨齡期的變化規律

2.3 水泥改良凍土的強度

兩種水泥改良土的無側限抗壓強度如圖9所示。可以看出，兩種水泥改良凍土均隨著水泥摻量及養護齡期的增加而增加。SAC改良凍土的強度明顯要高于OPC改良凍土，SAC改良凍土養護3 d的強度與OPC改良凍土養護28 d的強度大致相同。這足以顯示出快硬水泥早強的優勢。根據工程施工要求，一般在無側限抗壓強度達到50 kPa以后才能回填碾壓[23]。SAC在摻量10.0%、養護3 d強度即能達到124 kPa，而OPC在同等摻量的情況下則需要28 d。結果說明了SAC在改良凍土中的效果比OPC要好得多，同時SAC早強的特性在工程施工中具有很大的優勢。

圖9 不同摻量、養護齡期的水泥改良凍土的無側限抗壓強度

3 討 論

3.1 水分轉化過程

通過對各組分水分結果進行擬合分析，可以得到水泥在改良凍土過程中的水分轉化規律。根據擬合結果，礦物水的增加過程可以用以下函數來表示：

(9)

通過對自由水的結果進行擬合分析，得到水泥改良凍土過程中自由水減少過程的函數表示：

(10)

水化產物中結合水不能直接測得，可以通過初始的自由水質量分數減去養護到期后的自由水質量分數再減去水化產物中礦物水質量分數得到，水化產物中結合水增長的函數可以表示為

(11)

式中w結合水表示結合水質量分數，當t→∞時，結合水的最大轉化量為-k1-k4。

不同水泥改良凍土過程中的水分變化均遵循以上的水分轉化規律，只是在具體的水分轉化參數上有一定的區別，分別將兩種水泥改良凍土的水分轉化過程進行表示，如圖10所示。圖中A代表水化產物中的結合水隨養護齡期的生成量；B代表水化過程中自由水隨養護齡期的變化；C代表水化產物中礦物水隨養護齡期的生成量。由圖10可以直觀地看出，當水化反應開始后，自由水大量減少，分別轉化為礦物水和結合水。其中，自由水轉化成礦物水的量較少，大部分的自由水轉化成為了結合水。而到養護齡期28 d后，仍然有部分自由水存在，這說明在-1.0 ℃養護環境下，以上摻量及養護齡期下沒有將自由水完全消耗。這也說明結合水沒有參與到水化反應過程中。

圖10 水泥改良凍土過程各組分水分隨齡期的變化規律

通過對比兩種水泥改良凍土的水分轉化過程發現，其水分轉化規律是相似的，但具體的轉化過程略有不同。SAC改良凍土中，養護28 d情況下，礦物水生成量要小于OPC改良凍土。且由圖10可以看出，SAC改良凍土中的礦物水在早期生成迅速，隨著齡期的增長，逐漸趨于平緩，結合水也是相似的規律；然而OPC改良凍土中的礦物水隨著養護齡期的增長一直在增長，只是養護初期的增長速率略大于養護后期的增長速率，且結合水只是在養護初期大量發生轉化，養護后期幾乎不變，因此，養護后期自由水的減少主要是轉化到了礦物水中。

3.2 水分與無側限抗壓強度的關系

將水化產物中的礦物水和結合水增量與水泥改良凍土的無側限抗壓強度之間關系進行分析，如圖11所示。可以看出，在同樣的礦物水及結合水增量的情況下，SAC改良凍土的強度要大于OPC改良凍土。這說明SAC中所生成的結晶礦物及膠凝產物對改良凍土的強度貢獻更突出，其結晶礦物的強度及膠凝產物所產生的膠結作用也更強。這可能是二者宏觀力學性質存在較大差異的主要原因。兩種水泥改良土的礦物水、結合水與強度的關系在增量較小時離散性較大，當其增量達到一定數值后相關性則較好。這主要是因為當水化產物較少時，水泥土材料受自身不均勻性的影響較大，當水化產物成為其強度主要來源時，性質則相對穩定。礦物水增量與強度的擬合關系較差，而結合水增量與強度的擬合關系更好，這說明強度與膠凝產物的相關性更高。

圖11 水化產物中礦物水、結合水增量與抗壓強度的關系

分別對水泥摻量為5%、養護齡期為28 d的SAC、OPC改良凍土進行掃描電鏡試驗，得到了改良后凍土水化產物的微觀形貌特征。如圖12所示，在2 000倍放大倍數下，SAC和OPC改良凍土的微觀特征差別比較顯著。由文獻知，SAC和OPC水化反應的結晶狀產物主要為鈣礬石[24]。通過對比掃描電鏡圖像可以看出，圖中的細條狀晶體即為鈣礬石晶體。在SAC改良凍土中的鈣礬石主要呈現形態較為粗大的棒狀結構，而OPC改良凍土中，鈣礬石晶體則多為細小的針狀結構。結合兩種水泥的主要成分可知，兩種水泥的成分大致相同，只是在具體的配比上略有不同。SAC相對于OPC具有更高比例的氧化鋁和氧化硫，作為生成鈣礬石的主要成分，充足的含量使得鈣礬石發育較好，形態也較為粗大，強度較高。這為SAC改良凍土強度較高提供了有力的證據。

結合上述水分轉化規律和強度特征可知，SAC改良凍土在養護早期自由水迅速減少，轉化為礦物水和結合水，即快速生成了結晶礦物和膠凝產物，從而實現其早強快硬的特征。而OPC改良凍土強度發展比較平緩，只是在養護初期強度發展稍快一些，因而在水分轉化角度則表現出養護初期礦物水和結合水的轉化速率要低于SAC。由此可以得出，在負溫條件下，SAC仍然具有良好的水化性能，更適合作為改良凍土的材料。

4 結 論

1)SAC具有良好的早強性能，能夠在負溫的養護環境下實現對凍土的改良。與OPC相比，SAC只需更短的時間就能達到可以碾壓的強度，更適合用于改良凍土。

2)在負溫養護條件下，SAC改良凍土中自由水轉化成礦物水和結合水的速率較快，宏觀上表現為強度增長較快，但礦物水、結合水增量要小于OPC。

3)水泥改良凍土中的礦物水和結合水在增量較小時，與強度的相關性較差，超過一定量值后，則相關性較好。與OPC相比，SAC改良凍土中的結晶礦物及膠凝產物對改良凍土的強度貢獻更突出。