冻融循环影响下水泥、煤矸石改良粉土的力学特性研究

黄道军，李东华，张镇山，王景辉，黄克峰，李永靖，张淑坤

(1.中建铁路投资建设集团有限公司,北京 100053；2.中建国际投资(安徽)有限公司,合肥 230051； 3.辽宁工程技术大学土木工程学院,阜新 123000)

0 引 言

在负温地区，大气温度的周期性变化会对路基结构的稳定性造成严重的危害，低温会导致路基收缩裂缝，尤其在地下水活动强烈的路段，低温易使路基造成冻胀，甚至导致路面结构破坏。在春季融化时，交通荷载较大的路段，伴随着升温融化又会形成路基翻浆病害[1-2]。粉土属于路基填筑的不良填料，干时有粘性，易于破碎，毛细作用强烈，浸水时易成为流动状态。存在负温地区使用该填料修筑路基时，易引发冻胀、翻浆等灾害[3-4]。因此，在水作用强烈的负温地区，路基填筑工程中若要使用粉土进行路基填筑，就需要对其土质进行改良。

现如今，有很多学者对粉土以及改良粉土作为路基填筑土的工程性质做出了大量研究。张德等[5]在围压0.3～15 MPa、温度-6 ℃对冻结粉土的工程性质进行了研究，发现，应力-应变关系曲线均分为线弹性、弹塑性以及应变软化三个阶段，且围压越大，强度是由增大后逐渐转为减小。宋金华等[6]以对冻融循环影响的素土以及掺不同石灰量的改性粉土为研究对象，通过室内试验得出，改性粉土抗冻性改良后要明显大于素土。朱福[7]在-15～15 ℃，以压实度和掺灰量为变量，对改良粉土进行性了压缩试验，结果表明，压实度、掺灰量越大，其强度越大，冻融循环在5～7次时强度下降较快，7次后逐渐变缓，石灰掺量过多，抗冻性能减弱显著。谈云志等[8]对分别掺加5%水泥和石灰的改性粉土，在不同的压实度和含水率的情况下进行了冷冻温度-16 ℃、常温25 ℃的冻融循环试验，结果表明，改良粉土的压实度越大，其强度越大，冻融循环后，其强度的衰减幅度是石灰改良粉土大于水泥改良粉土，抗冻稳定性石灰改良粉土的较差。杨晶[9]以初始含水率和压实度为变量，通过粉土的CBR试验，结果表明，CBR峰值出现在最优含水率的对应点。由于土体的力学性能最好是在最佳含水率时，因此本文研究处于最佳含水率土体的力学性能。

目前，粉土的改良多数是掺加石灰或者水泥进行改良，鉴于前人的研究，石灰改良粉土的抗冻性较弱，且改良粉土在低温稳定性研究方面并未大量展开[10-11]。因此，以水泥和煤矸石对粉土进行改良，开展冻融循环作用下水泥和煤矸石的改良粉土的力学特性研究，以期为类似粉土路基填筑工程施工提供相关借鉴。

1 实 验

1.1 材 料

粉土：京哈高速公路哈尔滨区间某土场，土样严格按照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)测定颗粒级配、液塑限、最优含水率，得出大于0.075 mm粒径的颗粒占总质量的45.22%，塑性指数IP=8.4，最大干密度1.70 g/cm3，最优含水率14.4%，不均匀系数Cu=1.6，曲率系数Cc=0.9，属于颗粒级配不良土。水泥：P·O 42.5普通硅酸盐水泥，源于阜新大鹰水泥。煤矸石：阜新清河门矿自燃煤矸石，在破碎处理后，经筛分后得：粒径在5～25 mm，连续级配良好；小于5 mm的粒径为中砂，细度模数Mx=2.76。水：阜新自来水。

1.2 试样制备

根据课题组前期试验成果，确定对于该粉质土改良剂比例，水泥掺入量为粉土质量的5%，煤矸石掺入量为粉土质量的20%。将取回的粉土晒干至均匀，过2 mm细筛网，向土样中掺入水泥和煤矸石，搅拌均匀后，分四层进行重击型击实，获得改良土的最优含水率为10.2%，最大干密度为1.95 g/cm3。因此，制作试件压实前，向经均匀搅拌后的改良粉土中加水至含水率为10.2%，之后按照《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)压实度96%进行重力型静力法制作圆柱形试件，分四层进行击实成型，直径39.1 mm、高80 mm，压实时间不能超过水泥的初凝时间4 h。试件制作完成后，保鲜膜密封保存，并对制成的试件进行标准养护7 d。

1.3 方 案

对养护后的试件恒温恒湿进行脱干或增湿至所需含水率10.2%，包好保鲜膜，放入冻融箱，综合考虑当地每年寒冷程度不同，调节冻结温度T分别等于-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃，冷冻24 h，取出放在20 ℃下融化24 h为完成一次冻融，即-25～20 ℃、-30～20 ℃、-35～20 ℃共三类冻融循环，循环次数n=0、1、4、8、12、16。

依据规程[12]，试验是在MTS815.02岩石力学试验系统上进行的，采取不固结不排水的方法，加载速率0.012 mm/s，由现场勘测得出当地粉土范围内的围压为70～150 MPa。试验研究围压σ3分别为0 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，在轴向应变为15%或试件彻底破坏时终止试验。冻融循环试件共240个，按照冻融温度分为三大组，每组75个，每大组分为25个小组进行三轴压缩试验，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 应力-应变关系

图1描述的是负温度T=-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃，冻融循环次数n=0、1、4、8、12、16时的改良粉土的应力-应变关系。T=-25 ℃时，围压0 kPa、50 kPa，冻融循环并未改变改良粉土的结构，应力-应变曲线均属于应变软化型；围压100 kPa，冻融循环16次，改良粉土的结构已经发生改变，呈现出应变硬化型；围压200 kPa，冻融循环8次、12次、16次，结构均发生损伤，属于应变硬化型；围压300 kPa，冻融循环4次、8次、12次、16次，均属于应变硬化型。T=-30 ℃时，围压0 kPa，应力-应变关系均属于应变软化；围压50 kPa，冻融循环16次，就开始出现结构损伤，呈应变硬化型，比-25 ℃冻融循环发生的早；围压100 kPa、200 kPa，冻融循环8次、12次、16次，均属于应变硬化型，比-25 ℃提前出现；围压300 kPa，应变硬化现象的发生与-25 ℃时冻融次数相同。T=-35 ℃时，围压为0 kPa，经过冻融16次改良粉土就呈现出应变硬化现象；围压50 kPa，在n=12次时开始发生应变硬化；围压100 kPa、200 kPa、300 kPa各在冻融循环8次、4次、4次呈现出应变硬化型。对图1(a)～1(c)纵向和横向比较可见，温度的降低、冻融循环次数的增多、围压的增大，可加重改良粉土结构的损伤。

图1 改良粉土的应力-应变曲线
Fig.1 Stress-strain curves of improved silt

2.2 极限强度

图2描述的是不同冻融循环次数、围压、温度条件下，改良粉土极限强度变化规律。当冻融次数和围压不变时，随着温度的降低，改良粉土极限强度逐渐衰减；当冻融次数和温度不变时，增大围压可提高改良粉土极限强度；当围压和温度不变时，冻融次数的增加可促使改良粉土极限强度降低，且在n=1时，极限强度减小的速度最快，冻融1～8次时，极限强度下降较为缓慢，冻融8～16次时，下降较为平缓。因此，可将改良粉土极限强度衰减分为三个阶段：快速阶段、缓慢阶段、稳定阶段。

冻融循环16次后，即改良粉土极限强度达到相对稳定。劣化为所研究力学指标在同一温度、围压下，冻融16次相对于未冻融时指标减小的百分数。温度相同时，随着围压的增大，强度劣化现象逐渐减小，且-25 ℃和-30 ℃劣化规律较为一致；围压在0～50 kPa和100～300 kPa区间，劣化减小速度较为缓慢；围压50～100 kPa区间，则劣化速度较快，-35 ℃时，0～100 kPa较100～300 kPa劣化减小的速度快；围压相同时，随着温度的降低，强度劣化越严重，且-30 ℃、-35 ℃较-25 ℃劣化较快，-30 ℃和-35 ℃劣化差距较小。原因在于温度越低，改良粉土的极限强度劣化越多，且在温度不断降低的过程中，劣化有趋于稳定的趋势；劣化随围压的增大逐渐减小，劣化程度逐渐趋于稳定。

2.3 弹性模量

图3描述了围压、冻融和温度共同影响下，改良粉土弹性模量的变化规律。温度和围压不变，弹性模量随冻融次数的增加是减小的，且在n=1时较未冻融前减小量最大。冻融循环8次以后，弹性模量逐渐趋于稳定，变化过程与极限强度相同，都经历了快速、缓慢、稳定三个过程；温度和冻融次数不变，增大围压可提升弹性模量；围压和冻融次数一定时，温度越低，弹性模量越小。从3条曲线的间距来看，-25 ℃与-30 ℃弹性模量差值较大，而-30 ℃与-35 ℃的差值较小。

图2 改良粉土的极限强度及劣化
Fig.2 Ultimate strength and deterioration of improved silt

图3 改良粉土弹性模量及劣化
Fig.3 Elastic modulus and deterioration of improved silt

不同围压作用下的试件，弹性模量在冻融循环16次后，整体上增大围压可抑制弹性模量劣化，降低温度可促进弹性模量劣化。-30 ℃、-35 ℃时，劣化曲线较为一致，可分为三段。0～50 kPa劣化减小的速度较快；50～100 kPa缓慢，100～300 kPa平缓，且0～200 kPa劣化较为接近；围压大于100 kPa、-35 ℃时，劣化趋于稳定，说明过低的温度不会导致弹性模量无限制减小。-25 ℃弹性模量的劣化在0～50 kPa、100～300 kPa明显低于-30 ℃、-35 ℃的劣化速度。

2.4 粘聚力

图4描述了改良粉土在负温度变化的情况下，粘聚力随冻融次数的变化规律，以及n=16时粘聚力的劣化情况。温度不变，冻融次数的增加促使粘聚力下降，但下降的斜率是减小的，且-25 ℃和-30 ℃在冻融循环12次时出现明显的转折现象，之后降速变慢。-35 ℃是在冻融8次出现转折的，可见温度越低，粘聚力降速变缓来得越早；冻融次数一定时，随温度的降低，表现出的粘聚力越弱；曲线间隔来看，-30 ℃和-35 ℃的粘聚力较为接近，而与-25 ℃的距离较远，可见降低温度，粘聚力劣化程度逐渐平稳。综上所述，温度越低，粘聚力的劣化越严重。从斜率上看，粘聚力劣化速度是变缓的。

2.5 内摩擦角

图5描述了改良粉土在负温度变化的情况下，内摩擦角随冻融次数的变化规律，以及在n=16时内摩擦角的劣化情况。温度一定时，增加冻融次数可促使内摩擦角降低，但减小的速率是逐渐变慢的，且-30 ℃和-35 ℃在n=8以后逐渐趋于平缓，并趋于定值，并高于-25 ℃的内摩擦角，可见温度的降低对改良粉土的内摩擦角影响较小，在前8次是随着温度的降低而减小的。内摩擦角的劣化程度总体上较小，低于20%，且随着温度降低，内摩擦角的劣化程度趋于稳定。

图4 改良粉土粘聚力及劣化
Fig.4 Cohesion and deterioration of improved silt

图5 改良粉土内摩擦角及劣化
Fig.5 Internal friction angle and deterioration of improved silt

3 讨 论

水泥和煤矸石的加入，降低了不良粉土的最优含水率，提升了最大干密度，改善了不良粉土的性能。首次冻融改良粉土的力学指标减弱的幅度较大，原因在于最初的水泥、煤矸石改良粉土试样处于平衡状态，压实度为96%，含水率为最优含水率，此时试样的各项力学指标都是最优的。经冻结，水泥未填充到的煤矸石自身微裂缝得到发展，平衡状态被打破，由外到内将产生温度差，水渗入煤矸石微裂缝，结冰后体积膨胀产生冻胀力，而试样内部的孔隙分布也随之发生改变，在负温度作用下，固体颗粒体积收缩但不均匀，温度越低，体积收缩的越严重，因此，在首次冻融循环后，试样力学指标减弱幅度较大，降低冻结温度可使力学性能减弱的幅度增大。多次冻融循环后，改良粉土试样为抵抗损伤的扰动而达到新的平衡状态，所以力学指标逐渐趋于平稳，则劣化的程度也趋于稳定，从温度上看，温度的降低是加重劣化的，但掺入水泥和煤矸石可降低劣化速度。路基工程应用中，当温度低于零度时，温度会沿着路基结构内的垂直方向从上到下渐渐过渡到零度以下，由此而产生负温度坡降。此时，路基土中的水分将会以液或气的状态，由热的地方向冷的地方移动，与掺入的水泥反复发生化学反应，水化产物可致密改良粉土结构，填充煤矸石孔隙，使得质量损失降低，煤矸石又可以起到很好的承载作用。所以，随着冻融循环次数的不断增加，改良粉土力学性能将逐渐稳定，且衰减程度也逐渐平缓。

4 结 论

(1)反复冻融、过低的温度、过高的围压，可促使改良粉土的应力-应变关系由应变软化型向硬化型转变。其中，土样的破坏形式是从脆性破坏过渡到塑性破坏。

(2)冻融会导致改良粉土力学性能减弱。宏观上表现为：极限强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角减小，且冻结温度越低，其性能越差，当冻融循环8次后其力学性能逐渐稳定。其中，首次冻融循环后，各力学指标降低的幅度显著，且冻结的温度越低，降低的幅度越大，冻融循环中期，降低的幅度越来越小，后期逐渐稳定。

(3)冻结的温度越低，改良粉土的极限强度、弹性模量、粘聚力的劣化程度越严重，内摩擦的劣化程度却是减轻的。随着温度的降低，各力学指标劣化曲线斜率的绝对值是逐渐减小的，即随着温度的降低，冻融循环后各力学指标不会无限度的劣化，而是趋于稳定的。