王銀梅，程佳明，高立成

（太原理工大學 水利科學與工程學院，太原030024）

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

土質化學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。目前學者們開展較多的是各種材料改良不同類型土的力學性能的試驗研究，也做了部分凍融耐久性試驗。如張立新進行了石灰土凍脹特性試驗研究，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)現固化劑摻量會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鍵因素是養(yǎng)護［2］；Aly Ahmed，蘇群等對廢石膏、PAMCATS、水泥、石灰及粉煤灰等材料固化土的環(huán)境效應進行了研究工作，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，試驗結果表明，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，認為加入1∶100奇極土壤固化劑改良土強度在長期凍融循環(huán)條件下有所降低，但降低幅度較小，同時加入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，并對其原理做了探索［7］。周琦等對濱海鹽漬土經生石灰、水泥和新型高分子材料SH固化處理，發(fā)現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)公路工程建設的使用［8］。王銀梅等進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，認為SH抗凍性優(yōu)于其它同類化學固沙劑，其抗凍性良好［9］，SH對黃土抗?jié)B性有較好的改善作用等結論。

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，即經過不同季節(jié)的變化考驗后，其強度和質量的變化規(guī)律，開展了不同摻量的SH固化黃土凍融循環(huán)性能的試驗研究。

1 原料及試驗方法

1．1 黃土和改良固化劑

試驗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

1．2 試驗方法

1．2．1 試件的成型方法，養(yǎng)護與強度測試

采用?40mm×80mm的模具，設計干密度為1．6g／cm3，以手工靜壓制樣成型，脫模后放入室內自然風干養(yǎng)護，采用STWCY－1型無側限壓力儀測定無側限抗壓強度。

1．2．2 凍融試驗

目前國內沒有統(tǒng)一的標準用以評價固化土的抗凍性能，筆者參考混凝土凍融試驗設計。將已制備經風干養(yǎng)護28d的固化黃土試樣分為兩組，一組為檢驗試件繼續(xù)風干養(yǎng)護，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19～22℃的恒溫水槽融化8h，為一次循環(huán)，如此反復至規(guī)定的循環(huán)次數。分別測定檢驗試件和凍融試驗后試件的烘干抗壓強度和質量，并按下式計算強度損失和質量損失。

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

2 試驗結果及分析

按前述的凍融循環(huán)試驗方法進行了不同摻量SH固化黃土（摻量指SH的質量分數，下文同）的凍融試驗，結果與相同摻量的水泥黃土（質量分數，下文同）凍融循環(huán)試驗結果進行對比，結果如表2所示。

2．1 抗壓強度與凍融循環(huán)的關系

圖1 SH固化黃土凍融循環(huán)抗壓強度

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

對固化土抗壓強度R與凍融循環(huán)次數N進行回歸的結果如表3所示。

表2 SH和水泥固化黃土的凍融試驗結果

表3 固化黃土抗壓強度的變化關系

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

2．2 凍融循環(huán)過程中試樣質量變化

圖2 水泥黃土凍融循環(huán)抗壓強度

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

圖3 經歷凍融循環(huán)SH固化黃土試樣的重量損失

圖4 經歷凍融循環(huán)水泥黃土試樣的質量損失

當SH和水泥摻量為10%時，15次凍融循環(huán)后其抗壓強度損失均超過25%；SH摻量增至14%時，經歷25次凍融循環(huán)其質量損失1．67%，強度損失19．6%，固化試件結構沒有明顯變化，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，強度損失仍大于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，如黃土的性質、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)的次數等。

在凍融循環(huán)中，水是凍融破壞的主要構成條件。嚴寒地區(qū)的凍融交替，主要是由于水在孔隙中結冰時，體積增加9%，固化體孔隙變大，微裂隙增多，經過凍融破壞，反復的次數越多，裂隙會越來越多，越來越大，密度將逐步下降，強度和質量降低或減少，損失率增大。

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

3 結論

本文在查閱文獻的基礎上，對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行了試驗研究，得到以下結論：

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，改良后黃土的強度得到提高，凍融循環(huán)后的強度降幅減少，改良黃土的耐久性得到明顯改善。

2）隨著凍融循環(huán)次數的增加，固化黃土中水分結冰融化，固化黃土試件的強度降低，質量減少，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)次數等因素。

3）固化劑摻量對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，固化黃土的強度損失和質量損失率遞減。SH摻量為14%及以上時，固化黃土的抗凍融性能較好。

4）當SH摻量大于14%時可耐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。由于SH和水泥的固化機理和形成的固化黃土結構不同，SH固化黃土具有較好的抗凍性能，強于水泥。

［1］ 張立新，王家澄．石灰土凍脹特性試驗研究［J］．巖土工程學報，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］．巖土工程學報，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．PAMCATS固化土強度及抗凍性能研究［J］．黑龍江工程學院學報（自然科學版），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］．水利與建筑工程學報，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］．蘭州鐵道學院學報，2003，22（6）：88－91．

［7］ 陳曉明等．高分子水溶性土固化劑對改善土體耐水性的研究［J］］．安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），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研究［J］］．巖土力學，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研究［J］．中國地質災害與防治學報，2006，17（4）：145－148．

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