尹振華，張建明，張 虎，王宏磊

(1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)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(xué)院大學(xué)，北京 100049)

多年凍土區(qū)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(zāi)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(yǎng)護來改變凍土的力學(xué)性質(zhì)，將其改良為適合工程應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)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(wěn)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(zhì)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(xué)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(yīng)的進行。土中的水分可以分為自由水、結(jié)合水和礦物水[11]。其中自由水以液態(tài)形式存在，結(jié)合水吸附在固體介質(zhì)的表面，礦物水則是水化產(chǎn)物的組成部分，并參與到晶格結(jié)構(gòu)中[12]。水泥改良凍土?xí)r，凍土中冰發(fā)生融化，融化后的自由水部分轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物中的結(jié)合水和礦物水，水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充等作用，促使改良土體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)育，最終導(dǎo)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(yīng)的進程，進而建立起各組分水分與改良土強度之間的關(guān)系。

很多學(xué)者對水泥改良土中水分轉(zhuǎn)化機制及其對物理力學(xué)性質(zhì)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(guī)律，得到了漿料不同硬化階段的水分質(zhì)量分數(shù)變化；程福周等[16]基于核磁共振技術(shù)研究了改良淤泥過程中的孔隙水質(zhì)量分數(shù)及分布的變化規(guī)律。Zhu等[17]采用了離心機法研究了自由水、結(jié)合水及礦物水在淤泥改良過程中的轉(zhuǎn)化規(guī)律，并建立起水分質(zhì)量與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系；Chiu等[18]則利用離心機法從水分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yōu)勢。

為了揭示凍土改良過程中的水分轉(zhuǎn)化規(guī)律，從水分轉(zhuǎn)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(guān)系，以青藏高原多年凍土區(qū)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(yǎng)護齡期下改良凍土中不同組分的水分質(zhì)量分數(shù)，分析了水化過程中的水分轉(zhuǎn)化規(guī)律，并揭示了水分轉(zhuǎn)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(qū)淺層凍土主要為黏土，因此，試驗土樣選擇多年凍土區(qū)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(fēng)干后碾碎并過2 mm篩，土樣的顆粒分布及物理化學(xué)性質(zhì)如表1所示。根據(jù)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(chǎn)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(zhì)，常用在寒區(qū)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(xué)性質(zhì)

表2 不同水泥成分質(zhì)量分數(shù)

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(yù)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(shè)置為5.0%、10.0%、15.0%(質(zhì)量分數(shù))。為了促使水化反應(yīng)的進行，需要凍土在養(yǎng)護過程中融化產(chǎn)生液態(tài)水，因此均加入1.0%的抗凍劑(NaNO2)。為了促進OPC的水化反應(yīng)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(fā)生融化，對各組分水分測定產(chǎn)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(yǎng)護。分別養(yǎng)護3、7、14和28 d取出進行無側(cè)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(fā)，每個土樣的制樣過程控制在20 min內(nèi)。-1.0 ℃的選取是為了模擬多年凍土區(qū)淺層凍土的溫度，為水泥改良凍土的養(yǎng)護溫度。以上百分比均為凍土質(zhì)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(yǎng)護，養(yǎng)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(zhì)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(zhuǎn)半徑；r2為土樣中心運轉(zhuǎn)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(shù)；H為水柱高度，cm。

隨著離心機的離心作用，土樣發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，r/min。

將圖1中各數(shù)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(shù)，得到相對應(yīng)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(jù)pF的大小可以對自由水、結(jié)合水和礦物水進行區(qū)分。

通過在實驗中設(shè)置離心機不同轉(zhuǎn)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(zhì)量即為土中自由水的質(zhì)量。具體尺寸、試管土樣及轉(zhuǎn)子的示意如圖1所示。

圖1 試管及轉(zhuǎn)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(fā)生融化轉(zhuǎn)化為自由水和土中的結(jié)合水。假定水泥在與凍土中的水分參與反應(yīng)時，土顆粒本身含有的礦物水和結(jié)合水量不發(fā)生變化，則參與水化反應(yīng)的水分僅為冰融化后的自由水。自由水部分轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物中的礦物水，部分轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物中的結(jié)合水。其水分轉(zhuǎn)化過程如圖2。

圖2 水分轉(zhuǎn)化示意[19]

由于水化產(chǎn)物中礦物水和結(jié)合水很難直接測定，根據(jù)圖2的水分轉(zhuǎn)化原理，可以通過間接的方法得到水化產(chǎn)物中的各組分水分質(zhì)量，具體如下：

1)改良凍土自由水量的確定。根據(jù)Lebedev[22]提出的水分分界勢能理論，自由水的勢能pF<3.8。設(shè)定離心機轉(zhuǎn)速進行離心機試驗，將離心前后的試管土樣進行稱質(zhì)量，離心前后的質(zhì)量差值即為分離出的自由水的質(zhì)量m②。圖3(a)為TGL-16M高速冷凍離心機，最高轉(zhuǎn)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(nèi)進行控溫。試驗溫度取與養(yǎng)護溫度相同的-1.0 ℃。試驗結(jié)束后分離得到的自由水如圖3(d)所示。

2)水化產(chǎn)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(chǎn)物中結(jié)合水m③和土中結(jié)合水m④，只有水化產(chǎn)物中礦物水m①留在了改良土中，因此，凍干前后的質(zhì)量差值即為水化產(chǎn)物中礦物水質(zhì)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(jié)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(nèi)為真空環(huán)境，可以提供-50.0 ℃的腔內(nèi)溫度，保證土樣在脫水過程中水泥水化反應(yīng)幾乎停止，確保得到的水分質(zhì)量數(shù)據(jù)精確。

圖3 試驗設(shè)備

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

4)初始自由水量確定。初始自由水質(zhì)量即凍土融化后的自由水質(zhì)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(yù)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(jīng)過12 h飽和后稱質(zhì)量，土樣的飽和度為85%。將飽和后的土樣置于離心機中，設(shè)置離心機轉(zhuǎn)速，分別在不同轉(zhuǎn)速下離心工作3.5 h，然后稱質(zhì)量記錄每一級轉(zhuǎn)速下水分損失質(zhì)量。離心試驗結(jié)束后，將土樣烘干，測試其干質(zhì)量。最后得到土樣的土水勢曲線，如圖4所示?？梢钥闯觯x心機法測得的土水勢曲線與文獻結(jié)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(jié)合水質(zhì)量分數(shù)為14.58%。使用初始凍土水分質(zhì)量分數(shù)減去結(jié)合水質(zhì)量分數(shù)即可得到初始自由水質(zhì)量分數(shù)。

1.3.3 水泥改良凍土無側(cè)限抗壓強度試驗

將養(yǎng)護到期的試樣進行無側(cè)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(yīng)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(yīng)力。

2 試驗結(jié)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(yǎng)護齡期下的總含水量如圖5所示。水泥改良凍土的水分質(zhì)量減少主要分為兩大部分；一是水泥加入直接導(dǎo)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(zhì)量減少。由圖5可以看出，由于水泥加入而造成的水分質(zhì)量減少占主要部分。同時，含水量隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)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(fā)生在OPC摻量15.0%、養(yǎng)護28 d后，水分質(zhì)量分數(shù)從凍土初始的33.00%降至23.73%。而SAC在摻量為15%、養(yǎng)護28 d時，水分質(zhì)量分數(shù)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(yǎng)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(yǎng)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(guī)律。

2.2.1 自由水隨養(yǎng)護齡期的變化

水泥改良凍土中的自由水隨著養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6(a)可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，SAC改良凍土中的自由水在前3 d內(nèi)發(fā)生了大幅度的減少，其中，當水泥摻量為15.0%時，自由水質(zhì)量分數(shù)從最初的15.07%減少到5.33%，之后的變化較為緩慢，到養(yǎng)護后期28 d時，變化趨于穩(wěn)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(yǎng)護齡期的增加，OPC改良凍土的自由水同樣在養(yǎng)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(jié)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(zhuǎn)化的速率。在水泥摻量為15.0%時，自由水質(zhì)量分數(shù)從初始的15.09%減少到7.48%。這說明了水泥在水化反應(yīng)初期反應(yīng)速率較高，但由于SAC快硬早強的特點，即使在-1 ℃的養(yǎng)護條件下水分轉(zhuǎn)化速率仍較快。隨著養(yǎng)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(yīng)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(yǎng)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(yīng)完全消耗。根據(jù)自由水勢能較低的原因首先參與水化反應(yīng)的假設(shè)可知，凍土中的結(jié)合水沒有參與到水化反應(yīng)中。

圖6 水泥土中自由水隨齡期的變化規(guī)律

2.2.2 礦物水隨養(yǎng)護齡期的變化

水泥改良凍土中的礦物水隨著養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7(a)可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，SAC改良凍土中的礦物水在養(yǎng)護初期的7 d內(nèi)大幅度增加，隨著養(yǎng)護齡期的增加，礦物水的增長速率減緩，礦物水質(zhì)量分數(shù)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(yǎng)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(chǎn)物量的效果已經(jīng)不是很明顯。

由圖7(b)可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，OPC改良凍土中的礦物水一直在增加，表現(xiàn)為養(yǎng)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(zhì)量分數(shù)從1.88%增長到2.41%；當水泥摻量從10%增加到15%時，礦物水質(zhì)量分數(shù)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(fā)生的水化反應(yīng)仍然較為充分。

圖7 水泥土中礦物水隨齡期的變化規(guī)律

2.2.3 水化產(chǎn)物中結(jié)合水隨養(yǎng)護齡期的變化

水化產(chǎn)物中結(jié)合水隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8(a)可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，SAC改良土中的結(jié)合水總體隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，具體表現(xiàn)為養(yǎng)護初期結(jié)合水質(zhì)量分數(shù)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(jié)合水變化可以看出，當水泥摻量從5%增加到10%時，結(jié)合水的增加量較少，水泥摻量從10%增加到15%時，結(jié)合水增加量很大。

由圖8(b)可以看出，OPC改良凍土中的結(jié)合水總體隨著養(yǎng)護齡期的增長而增大，具體表現(xiàn)為養(yǎng)護初期結(jié)合水質(zhì)量分數(shù)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(jié)合水變化可以看出，隨著水泥摻量的等量增加，結(jié)合水增加的量同樣也很接近。

圖8 水泥土中結(jié)合水隨齡期的變化規(guī)律

2.3 水泥改良凍土的強度

兩種水泥改良土的無側(cè)限抗壓強度如圖9所示?？梢钥闯觯瑑煞N水泥改良凍土均隨著水泥摻量及養(yǎng)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(yǎng)護3 d的強度與OPC改良凍土養(yǎng)護28 d的強度大致相同。這足以顯示出快硬水泥早強的優(yōu)勢。根據(jù)工程施工要求，一般在無側(cè)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(yǎng)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(jié)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(yōu)勢。

圖9 不同摻量、養(yǎng)護齡期的水泥改良凍土的無側(cè)限抗壓強度

3 討 論

3.1 水分轉(zhuǎn)化過程

通過對各組分水分結(jié)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(zhuǎn)化規(guī)律。根據(jù)擬合結(jié)果，礦物水的增加過程可以用以下函數(shù)來表示：

(9)

通過對自由水的結(jié)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(shù)表示：

(10)

水化產(chǎn)物中結(jié)合水不能直接測得，可以通過初始的自由水質(zhì)量分數(shù)減去養(yǎng)護到期后的自由水質(zhì)量分數(shù)再減去水化產(chǎn)物中礦物水質(zhì)量分數(shù)得到，水化產(chǎn)物中結(jié)合水增長的函數(shù)可以表示為

(11)

式中w結(jié)合水表示結(jié)合水質(zhì)量分數(shù)，當t→∞時，結(jié)合水的最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化規(guī)律，只是在具體的水分轉(zhuǎn)化參數(shù)上有一定的區(qū)別，分別將兩種水泥改良凍土的水分轉(zhuǎn)化過程進行表示，如圖10所示。圖中A代表水化產(chǎn)物中的結(jié)合水隨養(yǎng)護齡期的生成量；B代表水化過程中自由水隨養(yǎng)護齡期的變化；C代表水化產(chǎn)物中礦物水隨養(yǎng)護齡期的生成量。由圖10可以直觀地看出，當水化反應(yīng)開始后，自由水大量減少，分別轉(zhuǎn)化為礦物水和結(jié)合水。其中，自由水轉(zhuǎn)化成礦物水的量較少，大部分的自由水轉(zhuǎn)化成為了結(jié)合水。而到養(yǎng)護齡期28 d后，仍然有部分自由水存在，這說明在-1.0 ℃養(yǎng)護環(huán)境下，以上摻量及養(yǎng)護齡期下沒有將自由水完全消耗。這也說明結(jié)合水沒有參與到水化反應(yīng)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(guī)律

通過對比兩種水泥改良凍土的水分轉(zhuǎn)化過程發(fā)現(xiàn)，其水分轉(zhuǎn)化規(guī)律是相似的，但具體的轉(zhuǎn)化過程略有不同。SAC改良凍土中，養(yǎng)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(jié)合水也是相似的規(guī)律；然而OPC改良凍土中的礦物水隨著養(yǎng)護齡期的增長一直在增長，只是養(yǎng)護初期的增長速率略大于養(yǎng)護后期的增長速率，且結(jié)合水只是在養(yǎng)護初期大量發(fā)生轉(zhuǎn)化，養(yǎng)護后期幾乎不變，因此，養(yǎng)護后期自由水的減少主要是轉(zhuǎn)化到了礦物水中。

3.2 水分與無側(cè)限抗壓強度的關(guān)系

將水化產(chǎn)物中的礦物水和結(jié)合水增量與水泥改良凍土的無側(cè)限抗壓強度之間關(guān)系進行分析，如圖11所示?？梢钥闯?，在同樣的礦物水及結(jié)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(jié)晶礦物及膠凝產(chǎn)物對改良凍土的強度貢獻更突出，其結(jié)晶礦物的強度及膠凝產(chǎn)物所產(chǎn)生的膠結(jié)作用也更強。這可能是二者宏觀力學(xué)性質(zhì)存在較大差異的主要原因。兩種水泥改良土的礦物水、結(jié)合水與強度的關(guān)系在增量較小時離散性較大，當其增量達到一定數(shù)值后相關(guān)性則較好。這主要是因為當水化產(chǎn)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(chǎn)物成為其強度主要來源時，性質(zhì)則相對穩(wěn)定。礦物水增量與強度的擬合關(guān)系較差，而結(jié)合水增量與強度的擬合關(guān)系更好，這說明強度與膠凝產(chǎn)物的相關(guān)性更高。

圖11 水化產(chǎn)物中礦物水、結(jié)合水增量與抗壓強度的關(guān)系

分別對水泥摻量為5%、養(yǎng)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(chǎn)物的微觀形貌特征。如圖12所示，在2 000倍放大倍數(shù)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(yīng)的結(jié)晶狀產(chǎn)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(xiàn)形態(tài)較為粗大的棒狀結(jié)構(gòu)，而OPC改良凍土中，鈣礬石晶體則多為細小的針狀結(jié)構(gòu)。結(jié)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(fā)育較好，形態(tài)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(jù)。

結(jié)合上述水分轉(zhuǎn)化規(guī)律和強度特征可知，SAC改良凍土在養(yǎng)護早期自由水迅速減少，轉(zhuǎn)化為礦物水和結(jié)合水，即快速生成了結(jié)晶礦物和膠凝產(chǎn)物，從而實現(xiàn)其早強快硬的特征。而OPC改良凍土強度發(fā)展比較平緩，只是在養(yǎng)護初期強度發(fā)展稍快一些，因而在水分轉(zhuǎn)化角度則表現(xiàn)出養(yǎng)護初期礦物水和結(jié)合水的轉(zhuǎn)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(jié) 論

1)SAC具有良好的早強性能，能夠在負溫的養(yǎng)護環(huán)境下實現(xiàn)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(yǎng)護條件下，SAC改良凍土中自由水轉(zhuǎn)化成礦物水和結(jié)合水的速率較快，宏觀上表現(xiàn)為強度增長較快，但礦物水、結(jié)合水增量要小于OPC。

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