崔宏環(huán) 朱超杰 楊尚禮 胡淑旗

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災實驗室，張家口 075000；2.河北建筑工程學院，張家口 075000)

0 引 言

赤泥亦稱紅泥，鋁土礦提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物，是一種堿性物質，它會隨著雨水的沖淋溶解出堿從而污染地表水和地下水[1].目前大量的赤泥不能有效的利用，只能依靠大面積的堆場堆放，占用了大量土地，赤泥的產生已經對人類的生產、生活造成多方面的影響[2]，在這種環(huán)境下，汪雙清、朱建華[3]基于地質成巖作用原理和地球化學工程學方法，通過加入赤泥、煤矸石等多種工業(yè)廢料改變土壤的化學性質促進物理結構的改善和力學性能的提高，設計加工而成的一種新型固化劑，最初稱為土壤巖凝劑，后由公司生產改稱土凝巖(后均稱為土凝巖)，它是一種環(huán)保清潔固化劑，主要環(huán)保指標體現(xiàn)在使用DHT土凝巖每代替1萬噸水泥的用量，將減少5200噸CO2氣體的排放量；每代替1萬噸石灰使用量，可減少8000噸CO2氣體的排放量；每減少1萬立方米的碎石用量，能夠使約700平方米的植被得到保護.已有相關學者對土凝巖做了部分研究，其中裴國陸[4]對土凝巖力學性能進行了研究，得出土凝巖摻量在8%和10%時可以滿足A、B級基層抗壓強度要求.在季凍區(qū)的適用性方面，崔宏環(huán)等[5，6]將土凝巖改良土與水泥改良土進行對比研究，發(fā)現(xiàn)土凝巖改良土在季節(jié)性凍土區(qū)的干縮溫縮性能性高于水泥改良土，在季凍區(qū)具有較好的適用性.

季凍區(qū)關于強度損失機理方面，鄭鄖等[7]所做的研究表明，凍融循環(huán)造成土體試件內部發(fā)生水分遷移，使土體的孔隙形態(tài)、顆粒排列等結構性要素發(fā)生顯著改變.肖東輝，張澤等[8-9]通過對不同黃土的凍融循環(huán)發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后土體的結構發(fā)生弱化，改變了黃土的原有骨架和結構，從而使強度和耐久性削弱.土凝巖的固土機理為：凝聚成型——化學結構調整——巖化三個階段[2]，與巖石性質頗為相似.巖化作用是利用土凝巖中的凝巖成分與土體中的礦物形成聚合物，土壤與土凝巖混合接觸后，在水和外力的作用下，發(fā)生化學反應與物理作用，使土凝巖中的膠聯(lián)劑與土壤中的元素發(fā)生化學反應，形成以化學鍵鏈接的一種立體網狀結構，隨著時間的推移，化學鍵的調整使土壤凝聚體中的化學結構逐漸穩(wěn)固，最終達到巖化作用.

周創(chuàng)兵、賈海梁[10-12]等，在分析多孔巖石凍融疲勞損傷模型時發(fā)現(xiàn)孔隙率增加是凍融循環(huán)對巖石造成的最直接損傷，并以孔隙率的變化為損傷指標建立了砂巖凍融循環(huán)損傷演化方程.張慧梅等[13]對孔隙結構進行了微觀的分析，她利用CT掃描技術分析了紅砂巖的凍融損傷，得出了損傷變量和名義承載體積與有效承載體積之間的關系.而經過凍融循環(huán)后，試件質量的增加量是對孔隙率變化的間接反應，本文對試件質量的變化規(guī)律展開分析.

眾多研究表明，在季凍區(qū)路基強度損失的主要原因是凍融循環(huán)改變了土體的結構.因此本篇文章在前人的基礎上，對新型固化劑土凝巖改良土試件凍融損傷數(shù)據(jù)進行研究分析，總結土凝巖改良土受凍融循環(huán)后的強度變化規(guī)律，分析其凍融耐久性，為新型路基固化劑土凝巖在寒區(qū)的普及運用提供理論依據(jù)與指導.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用原土取自張小線K5+750-K7+520延邊路基土，通過基礎試驗得出土壤的基本參數(shù)見表1，試驗用水為張家口市自來水.

表1 試驗土體基本物理指標

表2 不同摻量固化劑物理指標

1.2 試驗方法

本文按照JTGE51-2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的試驗方法進行實施，試件大小φ50mm×50mm的圓柱體抗壓試件，保持與實際路基施工中壓實度一致，本文控制試樣壓實度為95%，土凝巖和水泥摻量分別為4%、6%、8%、10%，采用標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期分別為28d、90d，養(yǎng)護最后一天進行浸水養(yǎng)護，為模擬季凍區(qū)凍融循環(huán)最不利的影響，本試驗凍融循環(huán)采用氣凍水融的方法，這樣做的目的是模擬最不利凍融循環(huán)所造成的損害，凍融循環(huán)次數(shù)設定為0、1、3、5、7、10、16次，凍結溫度根據(jù)張家口當?shù)貧夂驐l件選取-18℃，凍結12h后放入20±2℃的水中融化，融化12h止，達到凍融循環(huán)次數(shù)后進行無側限抗壓強度試驗.每組試件設5個平行試件，當試件達到試驗條件后進行加載，試驗數(shù)據(jù)處理時運用了數(shù)理統(tǒng)計方法進行偏差分析，剔除異點后取平均值.

2 試驗現(xiàn)象及結果分析

2.1 土凝巖改良土與水泥改良土的對比

由于土凝巖是一種新型固化劑，因此選擇了相同配比的水泥改良土進行對比，對7d無側限抗壓強度及經歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的抗壓強度進行分析.其中4%土凝巖摻量的改良土不能很好的滿足實際使用要求，因此只用于下文預測驗證，試驗分析不再涉及.

通過圖1可以看出，土凝巖改良土的無側限抗壓強度均高于水泥改良土，10%固化劑摻量的土凝巖改良土無側限抗壓強度已經達到了3.75MPa，要高于水泥改良土將近0.4MPa；7d無側限抗壓強度相差最小的為6%固化劑摻量的土凝巖改良土，強度仍高于水泥改良土0.13MPa，說明土凝巖改良土的7d無側限抗壓強度整體要優(yōu)于水泥改良土，且二者均滿足公路路基設計規(guī)范(JTGD30-2015)路基的填筑要求.

圖1 水泥改良土與土凝巖改良土7d無側限抗壓強度對比

通過圖2可以看出，土凝巖改良土在經歷凍融循環(huán)后的強度變化與水泥改良土具有相同變化趨勢，其中90d齡期10%固化劑摻量的土凝巖改良土與水泥改良土，在經歷凍融循環(huán)前后強度相差較大達到1.68MPa.凍融循環(huán)前后抗壓強度變化最小的為90d齡期固化劑摻量6%的改良土為0.95MPa.因此隨著兩種改良土固化劑摻量的增多，經歷凍融循環(huán)后強度差值也隨著增大.

(a)28天標養(yǎng)試件水泥改良土與土凝巖改良土經歷凍融循環(huán)后強度對比

兩種改良土在經歷0-3次凍融循環(huán)時，土凝巖改良土的無側限抗壓強度要高于水泥改良土，而當凍融循環(huán)次數(shù)到達5次以后，土凝巖改良土無側限抗壓強度要低于水泥改良土，說明新型土凝巖固化劑在前期凍融循環(huán)時無側限抗壓強度要優(yōu)于水泥改良土.

2.2 凍融循環(huán)對無側限抗壓強度的影響

通過上文的分析發(fā)現(xiàn)，新型固化劑土凝巖改良土無側限抗壓強度優(yōu)于水泥改良土，雖然長期凍融性能低于水泥改良土，但依然能達到水泥改良土經歷相同凍融后無側限抗壓強度的90%，因此有必要對土凝巖改良土展開分析.試驗結果如表3所示：

表3 土凝巖改良土28d與90d的無側限抗壓強度

根據(jù)前人的研究中得到啟發(fā)[14]，筆者根據(jù)無側限抗壓強度損失速率的快慢，將凍融循環(huán)造成的強度損失分為快速損失階段及緩慢損失階段，其中0～5次凍融循環(huán)為強度的快速損失階段；5～15次凍融循環(huán)為緩慢損失階段.

通過圖3(a)可以看出，28天標準養(yǎng)護的試件經過凍融循環(huán)后，試件的無側限抗壓強度整體呈下降趨勢，其中經歷第1次凍融循環(huán)后，試件抗壓強度下降的尤為明顯，當凍融循環(huán)次數(shù)達到第5次時，無側限抗壓強度略有上升，但是總體趨勢仍處于下降狀態(tài).原因分析：土凝巖的固化作用不是將土體顆粒膠結在一起，而是將土體顆粒固化成巖，屬于巖化的一個過程.28d養(yǎng)護期間是巖化作用與凍融損傷對試件強度影響的博弈過程，前5次凍融造成的強度損傷要大于巖化的強度增強，因此，強度呈降低趨勢，隨著時間的增長巖化繼續(xù)發(fā)生，對強度貢獻值逐漸大于凍融損傷，所以強度開始有微上升現(xiàn)象.然而這個增長并不是持續(xù)的，如圖3(b)養(yǎng)生90d巖化作用已經完成，不再隨時間增加繼續(xù)進行，因此沒有出現(xiàn)強度增長的趨勢.

(a)28天標準養(yǎng)護齡期關系圖 (b)90天標準養(yǎng)護齡期關系圖

2.3 凍融循環(huán)對質量增加量的影響

如圖所示，6%土凝巖摻量的改良土經16次凍融循環(huán)后，試件表面產生輕微的脫落現(xiàn)象，當凍融循環(huán)次數(shù)小于16次時，試樣表面無脫落現(xiàn)象，與8%、10%土凝巖摻量的改良土試件現(xiàn)象一致，均屬于裂紋破壞模式，說明土凝巖改良土的水穩(wěn)定性能較好，這是由于土凝巖改良土進行了巖化反應，性質與巖石有很大的相似性，出現(xiàn)了裂紋破壞.試件融化階段在20℃溫水中進行，試件內部經凍融循環(huán)產生的裂隙被水填充，試件內部質量將會增加，試件質量的增加量可以間接的反映試件內部孔隙變化的狀況，因此本文采用試件質量的增加量這一指標表示試件內部經凍融循環(huán)的影響程度：

m增=m后-m前

(1)

式(1)中：m增為試件質量增加量，g；m后為試件凍融循環(huán)后的質量，g；m前為試件凍融循環(huán)前的質量，g.

通過圖4可以看出，齡期28d的土凝巖摻量為8%和10%的土凝巖改良土試件，質量的增加量一直隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增長，根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)試樣在經歷干濕循環(huán)過程中試樣的完整性并未遭到破壞說明質量變化是由于土凝巖改良土的凍融損傷引起的.6%、8%與10%土凝巖摻量的改良試件中，28d養(yǎng)護齡期的試件在凍融循環(huán)次數(shù)達到13次時，質量的增加量繼續(xù)增大，而90d養(yǎng)護齡期試件的質量的增加量開始下降，這是因為齡期90d時土凝巖達到完全的巖化，隨著時間的增加，巖化作用不再發(fā)生，凍融循環(huán)次數(shù)在13次時，土體結構達到了新的平衡，因此質量的增加量不再隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大；齡期28d的土凝巖改良試件，隨著凍融循環(huán)次數(shù)(時間)的增加巖化反應繼續(xù)發(fā)生，質量的增加量依然隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大.

(a)28天標養(yǎng)齡期關系曲線 (b)90天標養(yǎng)齡期關系曲線

(a)6%土凝巖摻量改良土試件經過3、7、15次凍融循環(huán)后的圖像

3 兩種固化劑改良土經歷凍融循環(huán)后的強度預測

根據(jù)表3試驗結果，對無側限抗壓強度p進行對數(shù)處理分析,并進行數(shù)據(jù)擬合，擬合公式為式2，結果見圖6.

(a)齡期28d土凝巖改良土logρ擬合曲線 (b)齡期90d土凝巖改良土logρ擬合曲線

logρ=A+BN+CN2

(2)

式(2)中p為無側限抗壓強度，MPa；N為凍融循環(huán)次數(shù)，N；A、B、C為凍融循環(huán)相關擬合參數(shù).

由圖6(a)可以看出，土凝巖改良土試件在養(yǎng)護齡期為28d時，多項式擬合曲線效果較差，這是由于隨著時間的增長，凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土凝巖改良土內部巖化作用繼續(xù)發(fā)生，導致土凝巖改良土強度出現(xiàn)增長的現(xiàn)象.因此本預測關系不適用于未完全巖化的改良土試件，28d養(yǎng)護齡期試件不再進行預測.圖6(b)可以看出，logp與凍融循環(huán)次數(shù)之間有很好的擬合度，究其原因，土凝巖改良試件已經完全巖化，規(guī)律性較強，因此建議進行強度預測時采用完全巖化的土凝巖改良土.

(3)

式(3)中F為各個參數(shù)在摻量為C時的值；C′為參考摻量，本文取C′=10%土凝巖摻量，試驗摻量的最大值，由表4可知3個參數(shù)的值，通過計算可得到模型參數(shù)與無量綱摻量比對應的模型參數(shù)比，如表5所示.

表4 90d養(yǎng)護齡期土凝巖改良土logρ擬合參數(shù)

表5 90d土凝巖養(yǎng)生齡期的模型參數(shù)無量綱比

基于表5中三種不同參數(shù)的關系，按照式(7)進行計算得出冪級數(shù)系數(shù)的計算結果見表5.

表6 90d養(yǎng)生齡期冪級數(shù)系數(shù)計算結果

可以根據(jù)上表中6%、8%、10%摻量土凝巖改良土各系數(shù)的計算結果，預測4%摻量改良土的各項指標對比如下圖所示.

圖7(a)可以看出，4%土凝巖摻量的強度指標的預測值與實際值較為接近，且(b)圖通過觀察預測值與實際值均勻分布在四十五度線附近，說明該預測公式有很好的適用性，為了說明預測方法的合理性，對水泥改良土也采用相同的方法預測凍融循環(huán)強度損傷作為對比.

(a)4%土凝巖摻量強度對比 (b)4%土凝巖摻量壓強度對比

logρ=A+BN+CN2

(2)

圖8 水泥改良土logρ與凍融循環(huán)次數(shù)擬合曲線

表7 90d養(yǎng)護齡期水泥改良土logρ擬合參數(shù)

表8 90d水泥改良土養(yǎng)生齡期的模型參數(shù)無量綱比

通過圖9水泥改良土的預測對比發(fā)現(xiàn)，該方法有很好的的適用性，對土凝巖的預測較合理，可以實現(xiàn)有限的數(shù)據(jù)發(fā)揮最大的效應.特別說明的是，本文得出的預測公式對于28d養(yǎng)護齡期的土凝巖改良土適用性較差，可以很好的預測齡期90d的土凝巖各個摻量的改良土.

(a)4%水泥摻量強度對比 (b)4%水泥摻量強度對比

4 結 論

本文對新型固化劑土凝巖固化后的改良土進行凍融循環(huán)以及無側限抗壓強度試驗，建立了可以預測經歷不同凍融循環(huán)后強度及質量變化狀況的預測方法，并對造成改良土強度損失的原因進行了分析，通過6%、8%和10%摻量的土凝巖改良土的數(shù)據(jù)得到計算參數(shù)，以4%土凝巖摻量改良土實驗數(shù)據(jù)進行驗證，又以水泥改良土強度預測作為對比，說明了該方法有較好的適用性，結合本文內容得出以下幾點結論.

(1)土凝巖改良土的強度損失規(guī)律，可按照強度快速損失階段和緩慢損失階段分段進行分析，這樣比較符合土凝巖的性質.

(2)經過和水泥改良土的對比發(fā)現(xiàn)，土凝巖改良土的7d無側限抗壓強度要明顯優(yōu)于水泥改良土.經歷3次凍融之前的土凝巖改良土抗壓強度要優(yōu)于水泥改良土，而經歷長期的凍融循環(huán)后的土凝巖改良土抗壓強度要低于水泥改良土.因此建議在非季凍區(qū)或季凍區(qū)的臨時性交通道路使用土凝巖改良路基較為經濟.

(3)完全巖化的改良土，經凍融循環(huán)后，改良土的強度特征規(guī)律比較明顯，因此當改良土中改良劑達到完全巖化或凝結硬化后，可以進行有效的強度預測.