耿凱強(qiáng)，李曉麗

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

鄂爾多斯地區(qū)地表、地面下分布著大量的砒砂巖.砒砂巖膠結(jié)力低、易于風(fēng)化、遇水極易潰散、粒徑分布相對集中且粒徑較均勻的中粗砂[1-2].隨著該地區(qū)的公路、鐵路、橋梁等土木工程迅猛發(fā)展，工程中大部分砒砂巖以砂土的形式被開挖，開挖出來的砒砂巖散體將會再回填于基坑和路基中，此時裸露在表面的砒砂巖土體吸水性極強(qiáng)，極易在雨水沖刷下發(fā)生不均勻沉降和水土流失現(xiàn)象，這將會給工程建設(shè)帶來極大的安全隱患.而裸露的砒砂巖散體顆粒極易被水蝕、風(fēng)蝕，造成黃河沿岸嚴(yán)重的水土流失.由于水泥土具有取材方便、造價低廉、施工方便等優(yōu)勢，現(xiàn)已被廣泛用于地基加固、基坑圍護(hù)、渠道防滲襯砌、路面基層材料等各類土木工程領(lǐng)域中[3].以砒砂巖為主要材料，將砒砂巖、水泥和水按一定比例摻和而成的砒砂巖水泥土，能夠改善砒砂巖遇水潰散的特性，提高砒砂巖土體的強(qiáng)度.砒砂巖水泥土既可以就地取材，節(jié)約成本，還可以減少水土流失，改善生態(tài)環(huán)境，為使砒砂巖水泥土能夠充分發(fā)揮在工程中的作用，故開展其力學(xué)性能及耐久性研究十分重要.

鄂爾多斯砒砂巖地區(qū)存在季節(jié)性凍土問題.在寒冬季節(jié)，地表土層中孔隙水凝結(jié)成冰，冰晶體將土顆粒膠結(jié)在一起導(dǎo)致強(qiáng)度增加，而在低溫環(huán)境下，水凍結(jié)成冰透鏡體時將導(dǎo)致土體大幅度凍脹變形.當(dāng)氣溫回暖時，冰晶體逐漸融化，此時土體強(qiáng)度逐漸降低，這將會導(dǎo)致一系列諸如沉陷滑塌、失穩(wěn)和不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生.因此，有必要對砒砂巖水泥土在凍融循環(huán)下的損傷特性進(jìn)行探究.

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對水泥土展開了大量的研究[4-5]，探究了水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期與水泥土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；李建軍等[6]通過討論不同試驗(yàn)手段對測定水泥土變形模量的影響，得出了水泥土變形模量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系；徐立勝等[7]分析了齡期、水泥種類和水泥摻入比對水泥土力學(xué)性能的影響；ESKISAR等[8]研究了水泥摻入比與壓縮指數(shù)和脆性指數(shù)的關(guān)系.陳四利等[9]通過大量試驗(yàn)得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及滲透系數(shù)影響.ZHAO等[10]研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同凍結(jié)溫度與水泥土的抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律.LAKE等[11]研究了凍融循環(huán)下水泥土力學(xué)性能的損傷特性.可見，凍融循環(huán)對水泥土的影響不容忽視，如何在反復(fù)凍融下評價砒砂巖水泥土的強(qiáng)度是其在鄂爾多斯地區(qū)進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵.文中探討凍融循環(huán)對砒砂巖水泥土力學(xué)性能的影響，為后期砒砂巖水泥土在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)土樣取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的紅色砒砂巖，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，表中θm為天然含水量，θs為飽和含水量，k為滲透系數(shù)，P為孔隙率，ρ為密度，WL為液限指數(shù)，WP為塑限指數(shù)，IP為塑性指數(shù).將取回的砒砂巖碾磨壓碎，自然風(fēng)干后，過2.36 mm篩備用.水泥為冀東PO42.5普通硅酸鹽水泥，其基本的水泥性能指標(biāo)見表2，表中f為細(xì)度，Ti為初凝時間，Tf為終凝時間，Vs為體積安定性，LOI為燒失量，fc為抗壓強(qiáng)度，ft為抗折強(qiáng)度.水為普通自來水.

表1 砒砂巖基本的物理指標(biāo)

表2 水泥性能指標(biāo)

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

試樣制備根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行.依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度(1.88 g/cm3)和最優(yōu)含水率(13.4%)，在砒砂巖中摻入5%，10%，15%，20%的硅酸鹽水泥，將配制好的混合料分3層等質(zhì)量裝填到直徑為39.1 mm，高度為80 mm的三瓣模擊實(shí)筒內(nèi)，分3層擊實(shí)，擊實(shí)完成后脫模.將脫模后的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)27 d后放入20±2 ℃水中浸泡24 h飽水后進(jìn)行試驗(yàn).

采取氣凍水融的方法對砒砂巖水泥土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，1次凍融循環(huán)周期設(shè)置為24 h，文中凍融循環(huán)試驗(yàn)將試件放置在-20 ℃的低溫箱中凍16 h，再在(20±2)℃水中浸泡8 h進(jìn)行融化.如此進(jìn)行數(shù)次凍融循環(huán)(0，1，3，5，7，9，11次).凍融完成后用TSZ-6A全自動靜三軸儀，在室溫下對試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)(UU)，加載速率為0.5 mm/min，圍壓設(shè)置為100，200，300，400 kPa.

使用超景深三維顯微鏡對砒砂巖水泥土表面放大50倍，對砒砂巖水泥土的表面細(xì)貌特征進(jìn)行觀測.超景深顯微鏡可以用變焦鏡頭生成精確的3D曲面，用轉(zhuǎn)盤式的觸摸屏控制臺可以控制對焦和旋轉(zhuǎn)鏡頭，并用Leica Map軟件對放大50倍的圖像進(jìn)行地形層采集和三維立體圖像構(gòu)建.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 未凍融時水泥土的剪切特性

砒砂巖水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與水泥摻量αw之間的關(guān)系如圖1所示.圖中黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、峰值強(qiáng)度τm隨水泥摻量的增加均呈現(xiàn)出線性增長的趨勢.并將各參數(shù)與水泥摻量進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)具有較好的擬合效果，擬合系數(shù)R2均大于0.980.這是由于水泥摻量越大，砒砂巖顆粒被水泥包裹得就越嚴(yán)密，水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的膠凝物越多，黏聚力增大，膠結(jié)力增強(qiáng)，因此強(qiáng)度也就隨之越大.

圖1 砒砂巖水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨水泥摻量變化的曲線圖

2.2 凍融對水泥土各力學(xué)參數(shù)的影響

2.2.1 凍融對峰值強(qiáng)度的影響

圖2為不同凍融循環(huán)次數(shù)下，峰值強(qiáng)度隨圍壓變化情況.由圖可知，水泥摻量為5%,10%的水泥土在初次凍融后峰值強(qiáng)度τm降低較大,σ為圍壓；15%水泥摻量下的砒砂巖水泥土在凍融3次時強(qiáng)度減小幅度較大，而水泥摻量為20%的水泥土隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值強(qiáng)度減少幅度緩慢.從中可以看出，砒砂巖水泥土的抗凍性隨水泥摻量的增加而得到較好的改善.

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下峰值強(qiáng)度隨圍壓變化趨勢圖

通過引入階段劣化度和總劣化度來更好地對比凍融循環(huán)對水泥土抗剪強(qiáng)度影響，即水泥土在凍融n次后峰值強(qiáng)度總降低為總劣化度Sn，凍融作用后峰值強(qiáng)度的降低值為階段劣化度ΔSn，則

(1)

ΔSn=Sn-Sm，

(2)

式中：T0為砒砂巖水泥土在未凍融時的初始值；Tn為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后的峰值強(qiáng)度.當(dāng)n=1次時，m=0；當(dāng)n依次為3，5，7，9，11次時，m=n-2.

由于不同圍壓下劣化度與總劣化度變化規(guī)律大致相同，由于篇幅限制僅列舉100 kPa圍壓下的ΔSn和Sn.通過表3可以看出水泥摻量為5%，10%，15%的砒砂巖水泥土的Sn隨凍融次數(shù)的增加大致呈增長趨勢，說明凍融次數(shù)越多，劣化程度越明顯，而水泥摻量為20%的砒砂巖水泥土的峰值強(qiáng)度總劣化度不明顯，表明摻量為20%的砒砂巖水泥土有較好的抗凍性.水泥摻量為5%，10%的砒砂巖水泥土在凍融第1次時的階段劣化度較大，說明初始凍融對這2個摻量水泥的峰值強(qiáng)度影響較劇烈.由于水泥土試樣處于正、負(fù)溫周期性變化時，試樣內(nèi)部的水分不斷發(fā)生相變，因此砒砂巖與水泥水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物在水冰相變作用下產(chǎn)生的膨脹力不斷擠壓下，膠結(jié)物質(zhì)遭到破壞，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，峰值強(qiáng)度降低.而11次的凍融循環(huán)產(chǎn)生的膨脹力對水泥摻量為20%的水泥土影響較小，所以峰值總劣化度增長得不明顯.

表3 不同凍融次數(shù)下砒砂巖水泥土峰值強(qiáng)度劣化度

2.2.2 凍融對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

各配比下的砒砂巖水泥土的黏聚力c隨凍融次數(shù)n的增加呈現(xiàn)出降低趨勢，而在凍融循環(huán)第3次之后水泥摻量αw為20%的砒砂巖水泥土的黏聚力變化趨于穩(wěn)定，見圖3a.隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各配比下的水泥土的內(nèi)摩擦角均呈波浪狀運(yùn)動趨勢，見圖3b.從圖中可以看出，凍融循環(huán)對砒砂巖水泥土的黏聚力影響更大，對內(nèi)摩擦角影響較小，凍融循環(huán)對砒砂巖水泥土抗剪強(qiáng)度的主要影響是通過改變黏聚力實(shí)現(xiàn)的.

圖3 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢

2.2.3 凍融對水泥土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響

為研究不同凍融循環(huán)對砒砂巖水泥土結(jié)構(gòu)影響，借助超景深顯微鏡對試件表面的細(xì)觀形貌進(jìn)行觀測.以水泥摻量為5%,20%的試樣為例，如圖4所示，經(jīng)過11次凍融后5%水泥摻量的試樣的表面平均高差由198 μm變?yōu)?47 μm，而水泥摻量為20%的試樣的表面平均高差由163 μm變?yōu)?84 μm.由此可見砒砂巖水泥土的表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)下發(fā)生改變，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞致使孔隙逐漸增大.

圖4 砒砂巖水泥土超景深3D圖

低溫環(huán)境下，試件表面的水分最先結(jié)冰，使得試件中的水分由外向內(nèi)逐步擴(kuò)展形成冰晶體，從而產(chǎn)生壓力梯度.試件中膠凝物質(zhì)所產(chǎn)生的拉力小于水冰相變時產(chǎn)生的壓力時，將發(fā)生凍融損傷和破壞，致使試件內(nèi)部孔隙劣化，表面顆粒逐步脫落.水泥摻量越高，其砒砂巖顆粒被水泥砂漿包裹得越多，水化產(chǎn)物C-S-H等膠凝物質(zhì)對砒砂巖土顆粒連接得越緊密，水分子就越難進(jìn)入試樣內(nèi)部，水冰相變的膨脹力就越小.所以高摻量水泥下的水泥土試樣表面破壞不明顯，具有較好的抗凍性，而低摻量水泥下的砒砂巖水泥土的膠凝物質(zhì)極易在反復(fù)凍融循環(huán)作用下遭到破壞，水分更容易滲入試件內(nèi)部，最終導(dǎo)致在反復(fù)的水冰相變中砒砂巖顆粒脫落.

3 結(jié) 論

1) 砒砂巖水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特性.隨水泥摻量的增加水泥土的脆性特征表現(xiàn)得越明顯，砒砂巖水泥土的峰值強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨水泥摻量增加呈線性增長.

2) 水泥摻量為5%，10%的砒砂巖水泥土的峰值強(qiáng)度在初次凍融下降低明顯.水泥摻量為5%，10%，15%的砒砂巖水泥土的峰值總劣化度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出增長趨勢，只有水泥摻量為20%水泥土的峰值總劣化度在凍融循環(huán)作用下變化趨勢不明顯.

3) 隨著凍融次數(shù)的增加，不同水泥摻量的砒砂巖水泥土的黏聚力都呈現(xiàn)出減小的趨勢，而內(nèi)摩擦角呈波浪狀變化趨勢上下波動且變化幅度不大，從而可以看出凍融循環(huán)對內(nèi)摩擦角影響較小，對黏聚力影響較大.而水泥摻量為20%的砒砂巖水泥土在凍融第3次以后黏聚力趨于穩(wěn)定，表明水泥摻量的增多，可提高水泥土抗凍性.

4) 通過超景深對水泥土細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)作用下，5%水泥摻量下的砒砂巖水泥土的3個界面縱向位移變化大，而水泥摻量為20%的砒砂巖水泥土縱向位移不明顯.凍融循環(huán)致使低摻量水泥的砒砂巖水泥土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變，試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增大，而隨水泥摻量的增加水泥土結(jié)構(gòu)致密性得到了改善，有效地抵抗了水冰相變產(chǎn)生的膨脹力，從而提高了水泥土的抗凍性.