冻融循环下水泥改性膨胀土物理力学特性研究 冻融循环下水泥改性膨胀土物理力学特性研究
许 雷1，2，鲁 洋2，薛 洋1，宋迎俊2，杨 齐2
(1.国家能源局 大坝安全监察中心，杭州 310014；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098)
摘 要：为探究冻融循环作用对水泥改性膨胀土物理力学特性的影响，以南阳膨胀土为试验对象，进行不同掺灰比的水泥改性，然后对经历不同冻融循环次数后的试样进行变形测量和无侧限压缩试验。试验结果表明：在冻融循环过程中，水泥改性膨胀土试样的含水率损失量较小，不同掺灰比试样的体积变化规律均呈现为“冻缩融胀”，掺灰比越大，试样体积的变化幅度越小，最大冻缩量和最大融胀量也越小，但会存在一个最优水泥掺灰比。冻融循环作用对水泥改性膨胀土力学特性的影响较大，尤其是初次冻融。随着冻融循环次数的增多，不同掺灰比试样的强度与弹性模量逐渐降低并趋于稳定，掺灰比越大，强度和弹性模量的衰减量越小。水泥改性膨胀土经历冻融后韧性变好。
关键词：膨胀土；水泥改性；冻融循环；体积变化；应力-应变曲线；无侧限抗压强度；弹性模量
1 研究背景
膨胀土是一种由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成并具有多裂隙性和显著胀缩性的典型非饱和土，在我国20多个省份中广泛分布，其中以河南、云南、四川等地表现得最为突出[1]。在自然条件下，膨胀土极易发生反复的胀缩变形，增大了土体的变形并降低其强度，这对公路、铁路、水利工程等建筑物产生严重的破坏作用。南水北调中线工程是遭遇膨胀土问题的典型水利工程，该工程由南向北穿过了5个省市地区，约有180 km的挖方渠段要经过膨胀土地区，因此，在工程建设过程中针对膨胀土问题采取了积极有效的措施，其中以水泥改性最为经济有效。但考虑到该工程处在长江以北地区，大部分膨胀土渠道工程处在我国季节性冻土区，这些渠道边坡易受到冻融循环的作用，在季节和昼夜交替过程中，土体内部的水分会发生冻结与融化，进而产生胀缩变形和冻融变形，严重威胁着工程的安全与稳定。
目前，针对水泥改性膨胀土物理力学特性的研究已经取得了不少成果。胡波等[2]进行水泥改性膨胀土控制吸力条件下的直剪试验，试验结果表明，3%的水泥掺量能使得膨胀土的自由膨胀率由51%下降到30%，在不同的基质吸力和竖向压力下，水泥改性膨胀土的应力-应变关系表现为应变软化特性，水泥改性不仅提高了膨胀土的饱和抗剪强度参数c′和φ′，还提高了非饱和抗剪强度参数φb。黄斌等[3]通过膨胀土水泥改性试验研究发现，随着水泥掺量的增加，其胀缩特性降低，但存在一个最优掺量；水泥改性能很好地抑制膨胀土的强度软化和模量降低。刘志彬等[4]利用自动吸附仪对水泥改性膨胀土进行液氮吸附试验，结果表明水泥的掺入使得膨胀土内的微孔体积减小，中孔以上孔隙体积增加。上述研究成果表明水泥改性可以有效地降低膨胀土的自由膨胀率和胀缩性并提高其强度，有利于膨胀土工程的安全稳定。但是处于季节性冻土区的膨胀土工程极易受到冻融循环作用，影响其物理力学特性，而现有的研究成果较少考虑冻融循环这一因素，故进行冻融循环下水泥改性膨胀土物理力学特性研究具有重大的实际意义和工程价值。
本文主要以南阳膨胀土为试验对象，对其进行水泥改性，研究冻融循环和掺灰比对水泥改性膨胀土物理力学特性的影响，并与素膨胀土的试验结果作对比，为南水北调中线工程水泥改性膨胀土渠道边坡在冻融循环条件下的安全运行提供参考，并为处于季节性冻土区的膨胀土工程防冻融破坏设计提供一种思路。
2 试验概况
2.1 试验土料及试样制备
本次试验所用土料取自南水北调中线工程输水总干渠南阳段建设工地，根据规范[5]测得其基本物理性质指标和颗粒组成如表1所示。土料呈棕黄色，属于中膨胀土。试验所用水泥为海螺牌P.O 32.5普通硅酸盐水泥。
表1 膨胀土的基本物理性质指标
Table 1 Basic physical properties of expansive soil
相对密度G最大干密度ρdmax/(g·cm-3)最优含水率ωop/%塑限ωp/%液限ωL/%塑性指数Ip自由膨胀率/%颗粒含量/%
本试验采用圆柱形重塑土试样，首先将试验土料从工地现场取回，自然风干后过2 mm筛，再根据预设的掺灰比(水泥质量与膨胀土质量比)向风干土中添加水泥并混合均匀，然后根据试样的含水率向土中喷洒一定量的水，搅拌均匀后立即制样，确保在初凝时间前完成制样。试样采用分5层的击样法制得，由于水泥土的最大干密度一般比素土高0.01～0.03 g/cm3，但随掺灰比的增减变化不明显，其最优含水率接近素土，随掺灰比的增加而缓慢增加[6]，故控制干密度均为1.60 g/cm3(压实度90%)，含水率均为20%，试样高度125 mm，直径61.8 mm。最后将制备好的试样按照掺灰比的不同进行分组，放入恒温恒湿箱中养护28 d。每组共包含13个试样，其中4个用于每次冻结或融化后试样的变形测量，8个用于经历不同冻融循环次数作用后试样的无侧限压缩试验，1个备用，共计42个试样。
2.2 试验设计
选取掺灰比分别为2%，5%，8%的水泥改性膨胀土和素膨胀土(掺灰比为0%)试样进行不同冻融循环次数条件下的变形测量与无侧限压缩试验。
待试样养护完成后，在自主研发的冻融循环模型试验装置[7]中进行室内冻融循环试验。该装置的温度控制装置具有自整定功能，控制精度为±1 ℃，通过外接马氏瓶还可以进行冻融循环过程中试样的补水控制，由于本次试验所用试样体积较小，补水控制困难，故进行不补水条件下的冻融循环试验。在一次冻融循环过程中，先在-10 ℃的低温环境中冻结12 h，冻结完成后，在室温条件下融化12 h。研究表明，8～12次可以满足研究冻融循环作用对土体力学性质影响的要求[8]，故本次试验共进行了12次冻融循环。
为了探究冻融循环作用对试样体积的影响，每组均有4个试样用来测量其直径和高度，即在每次冻结或融化后，将这4个试样从试验装置中小心取出，然后用数显游标卡尺对其直径与高度进行测量。考虑到试样在冻融过程中变形的不均匀性，对每个试样进行沿高度方向5个断面的直径测量与沿顶面2个垂直方向的高度测量，然后各取平均值。为了解在冻融过程中试样的含水率变化情况，在尺寸测量后对其进行称重，反算出含水率。
为了研究冻融循环作用对试样力学参数的影响规律，对分别经过0(初始状态)，1，2，3，5，7，9，12次冻融循环作用后的膨胀土试样进行无侧限压缩试验，在微机控制电子万能试验机上进行，均采用控制应变法进行加载，加载速率为1.25 mm/min。
3 试验结果与分析
3.1 冻融循环过程中试样含水率变化
冻融循环是高低温交替变化的具体表现形式，会使土体内部水分发生相变，并进行迁移。若将试样与大气直接接触，土体在冻融过程中就会发生水分损失，进而会引起膨胀土的胀缩变形与强度变化。而本次试验重点考察冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响，故将每个试样用密封袋进行包裹[9]，封闭在一个狭小的空间中，防止试样水分的损失。图1为冻融循环过程中不同掺灰比条件下膨胀土试样水分损失情况(横坐标的0代表初始状态，0.5代表第一次冻结完，1代表第一次融化完，以此类推，下同)。
从图1中可以看出随着冻融循环次数的增加，试样的水分损失率逐渐增大，即含水率逐渐减小，并趋于稳定，损失率均
图1 冻融循环过程中试样水分损失情况
Fig.1 Water loss of samples during the freeze-thaw cycles
3.2 冻融循环对试样体积的影响
图2为不同掺灰比试样体积随冻融循环次数的变化情况。由图2可知，在冻融循环过程中，试样体积总体呈现的规律为“冻缩融胀”，即冻结时体积变小，融化时体积增大。随着冻融循环次数的增加，体积变化幅度渐趋稳定。这是因为在低温条件下，土体内部水分冻结，虽然冰的体积比水大，但是水冻结成冰的过程也是膨胀土失水收缩的过程，试样内部存在较多的孔隙，土颗粒有充足的空间向内收缩，故在这一过程中试样的体积发生了较大程度的减小；融化则为冻结的逆过程，对于素膨胀土而言，每次冻融后试样的体积随着冻融循环次数的增加而逐渐增大并趋于稳定，水泥改性膨胀土试样的体积则基本稳定，即其干密度基本不变。
图2 试样体积随冻融循环次数的变化
Fig.2 Volume change of samples vs. number of freeze-thaw cycles
3.3 水泥掺量对试样体积的影响
将水泥掺入膨胀土中后会与土中水分发生水化反应，水化产物与土颗粒进一步反应，从而将土从离散状态变成一种均匀的胶结结构[10]，提高了膨胀土的强度，降低了其胀缩特性。由图2可知，水泥的掺入极大地影响了膨胀土在冻融循环过程中的体积变化，水泥改性膨胀土试样的体积受冻融循环作用的影响较小。水泥掺量的不同也改变着试样体积受冻融循环作用的影响程度，掺灰比越大，试样在冻融循环过程中体积的变化幅度越小，最大冻缩量和最大融胀量也越小，由此可以说明增大水泥掺量可以减小冻融循环过程中试样的体积变化。但是掺灰比为7%的试样的体积受冻融循环的影响程度略小于掺灰比5%的试样，说明在减小冻融循环对土体变形的影响程度上，并不是水泥掺量越多越好，考虑到经济性和施工的可操作性，会存在一个最优水泥掺量。
3.4 冻融循环对试样力学特性的影响
冻融循环作为自然界常见的强风化作用，极大地影响着土石材料的结构性，进而改变了其力学性质[11]。经历不同冻融循环次数作用后试样的力学参数主要通过无侧限压缩试验测得，主要包括应力-应变曲线、无侧限抗压强度、弹性模量和破坏应变。
3.4.1 应力-应变曲线
图3为不同冻融循环次数条件下不同掺灰比试样的应力-应变曲线，从图3中可以看出，不同掺灰比试样的应力-应变曲线均呈现为“软化型”。
图3 不同冻融循环次数下试样的应力-应变曲线
Fig.3 Stress-strain curves of samples under different freeze-thaw cycles
由图3(a)可知，素膨胀土试样的应力-应变曲线总体呈现为“胖矮”，即土体可在较大的应变范围内保持较高的强度;由图3(b)—图3(d)可知，水泥改性膨胀土试样的应力-应变曲线总体呈现为“瘦高”，即土体只能在较小的应变范围内保持较高强度。试样的应力-应变曲线受冻融循环作用的影响较大，对于素膨胀土来说，随着冻融循环次数的增加，应力-应变曲线越来越变得“瘦矮”，而水泥改性膨胀土的应力-应变曲线则越来越变得“胖矮”，即冻融循环作用在降低水泥改性膨胀土强度的同时，提升了其韧性。
3.4.2 无侧限抗压强度
对于应力-应变曲线呈现“软化型”的试样来说，可取其轴应力的峰值点作为试样的无侧限抗压强度。由于初始状态下不同掺灰比试样的无侧限抗压强度不同，为了方便比较冻融循环作用对不同掺灰比试样无侧限抗压强度的影响，引入一个无量纲参数F(无侧限抗压强度比)，即不同冻融循环次数作用后试样的无侧限抗压强度与初始状态下强度的比值。图4为不同掺灰比试样的F随冻融循环次数的变化情况。
图4 F随冻融循环次数的变化
Fig.4 Curves of F vs. number of freeze-thaw cycles
由图4可知，随着冻融循环次数的增加，不同掺灰比试样的强度逐渐降低，尤其是第一次冻融。这主要是因为在初次冻融过程中，土体内部的水分分别经历了一次冻结与一次融化，在冻结过程中，水转化为冰，体积增大9%，将土颗粒撑开，但是液态水的减少导致膨胀土的收缩变形，土颗粒向内挤压孔隙，融化过程是冻结的逆过程，在复杂的冰水相态转变和膨胀土胀缩变形的影响下，土体的结构性遭到严重的破坏，孔隙分布发生变化[12-13]，试样在宏观上显得更加疏松。初次冻融后，试样强度的衰减量逐渐降低，经过7次冻融循环后基本趋于稳定。
掺灰比的不同影响着试样强度随着冻融循环次数的变化规律，由图4可知，掺灰比越大，试样强度在冻融循环过程中衰减得越慢、越少。掺灰比越大，试样内部所含的水泥量越大，水化产物越多，土颗粒也就被胶结得越牢固，受到冻融循环的破坏作用也就越小。由此可以说明，掺灰比的增加有助于减小膨胀土强度受冻融循环的影响。
3.4.3 弹性模量
土体的弹性模量是一个重要的力学参数，本文取应力-应变曲线中应变为1.0%所对应的割线模量作为冻融土的弹性模量[14]。不同掺灰比试样在初始状态下弹性模量相差较大，故为方便比较冻融循环作用对不同掺灰比试样弹性模量的影响，引入一个无量纲参数Q(弹性模量比)，即不同冻融循环次数作用后试样的弹性模量与初始状态下弹性模量的比值。图5为不同掺灰比试样的Q随冻融循环次数的变化情况。
图5 Q随冻融循环次数的变化
Fig.5 Curves of Q vs. number of freeze-thaw cycles
由图5可知，试样的弹性模量随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，并趋于稳定，其中试样经历第一次冻融作用后弹性模量衰减量较大。水泥的掺入影响了膨胀土弹性模量随着冻融循环次数的变化，水泥改性膨胀土在经历第一次弹性模量衰减后，缓慢减小并趋于稳定，且掺灰比的不同对Q的影响微小。
图6 破坏应变随冻融循环次数的变化
Fig.6 Curves of failure strain vs. number of freeze-thaw cycles
3.4.4 破坏应变
破坏应变是衡量土体变形特征的重要指标。破坏应变越大，说明土体的韧性越好；破坏应变越小，土体的韧性越差，具有一定的脆性[15]。在“软化型”的应力-应变曲线上，破坏应变即为轴应力峰值点对应的轴应变。图6为不同掺灰比试样的破坏应变随冻融循环次数的变化。
从图6中可以看出，素膨胀土试样的破坏应变在冻融循环过程中呈现出先增大后减小的趋势，水泥改性膨胀土试样的破坏应变主要受初次冻融的影响，几乎不受后续冻融循环的影响。由此说明，水泥改性膨胀土经历初次冻融后韧性变好，随后基本趋于稳定。
4 结 论
(1) 在冻融循环过程中，水泥改性膨胀土试样的含水率逐渐减小，并趋于稳定，掺灰比越大，含水率的损失量越小。
(2) 在冻融循环过程中，不同掺灰比的膨胀土试样的体积变化规律均呈现为“冻缩融胀”，对于素膨胀土而言，每次冻融后试样的体积随着冻融循环次数的增加而逐渐增大并趋于稳定，而水泥改性膨胀土试样的体积则基本稳定，即其干密度基本不变。
(3) 水泥掺量的不同改变着试样体积受冻融循环作用的影响程度，掺灰比越大，试样在冻融循环过程中体积的变化幅度越小，最大冻缩量和最大融胀量也越小，但并不是水泥掺量越多，效果越好，考虑到经济性和施工的可操作性，会存在一个最优水泥掺量。
(4) 冻融循环作用对水泥改性膨胀土力学特性的影响较大，尤其是初次冻融。随着冻融循环次数的增多，不同掺灰比试样的强度与弹性模量逐渐降低并趋于稳定，掺灰比越大，强度和弹性模量的衰减量越小。水泥改性膨胀土经历初次冻融后韧性变好，随后基本趋于稳定。
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(编辑：罗 娟)
Physico-mechanical Properties of Cement-modifiedExpansive Soil under Freeze-thaw Cycles
XU Lei1，2, LU Yang2, XUE Yang1, SONG Ying-jun2, YANG Qi2
(1.Dam Safety Supervision Center, National Energy Administration, Hangzhou 310014, China;2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)
Abstract：In the aim of exploring the effect of freeze-thaw cycles on the physico-mechanical properties of cement-modified expansive soil, Nanyang expansive soil which was modified with cement in different mixed ratios was selected as test objective, and then deformation measurements and unconfined compressive test were carried out after different freeze-thaw cycles. Results showed that the water loss of cement-modified expansive soil samples was little in the process of freeze-thaw cycles. The pattern of volume change of samples with different cement dosages could beall described as “shrinking in frost and expanding in thaw”. The bigger the cement ratio was, the less the variation of volume change was, and the smaller the maximum frozen shrinkage and maximum thaw expansion were. Yet there was an optimum cement ratio. Freeze-thaw cycles had a great effect on the mechanical properties of cement-modified expansive soil, especially for the initial freeze-thaw cycle. With the increasing of freeze-thaw cycles, strength and elastic modulus of samples with different cement ratios decreased gradually and then tended to be stable. The larger the cement ratio was, the smaller the attenuation of strength and elastic modulus were. The toughness of cement-modified expansive soil improved after freeze-thaw cycles.
Key words：expansive soil; cement modification; freeze-thaw cycles; volume change; stress-strain curve; unconfined compressive strength; elastic modulus
收稿日期：-01-21；
修回日期：-02-23
基金项目：江苏省普通高校研究生实践创新计划项目(SJZZ15_0058)
作者简介：许 雷(1991-)，男，江苏盐城人，助理工程师，硕士研究生，主要从事特殊土工程特性方面的研究，(电话)15850603755(电子信箱)xulei_hhu@。
通讯作者：鲁 洋(1991-)，男，江苏南京人，博士研究生，主要从事水工岩土方面的研究，(电话)15161461318(电子信箱)luyhhu@。
doi：10.11988/ckyyb.0070
,34(4):87-91,103
中图分类号：TU43
文献标志码：A
文章编号：1001-5485()04-0087-05
