劉欣，趙記領(lǐng)，楊平*

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210037； 2. 常州地鐵集團(tuán)有限公司，常州 213000)

我國(guó)季節(jié)凍土地區(qū)存在大量有機(jī)質(zhì)土，其工程特性與常規(guī)軟土不同，具有孔隙比大、含水量高、極強(qiáng)凍脹特性[1-2]。且隨氣溫周期變化經(jīng)歷著反復(fù)凍融，在此類地區(qū)工程建設(shè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?；诓捎盟嘞祵?duì)有機(jī)質(zhì)土加固治理為工程背景，凍融循環(huán)下強(qiáng)度特性是工程設(shè)計(jì)與施工的重要參數(shù)，且孔隙特征可直接反映凍融作用下土體結(jié)構(gòu)的變化。

有機(jī)質(zhì)土主要成分為腐殖物質(zhì)，腐殖物質(zhì)中具有代表性的成分為富里酸與胡敏素，且富里酸對(duì)水泥水化負(fù)面影響最顯著，因此很多學(xué)者通過(guò)添加富里酸配制有機(jī)質(zhì)土[3]。關(guān)于有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度特性，國(guó)內(nèi)方面已有大量研究成果。徐日慶等[4]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)含量增加呈對(duì)數(shù)減小，隨水泥摻量提高強(qiáng)度呈冪函數(shù)增長(zhǎng)，且破壞形式由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐摹９惷舻萚5]、庹秋水等[6]分別以抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了不同固化劑對(duì)有機(jī)質(zhì)水泥土固化效果的影響程度及其固化機(jī)理。朱劍鋒等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度隨含水量增加、齡期延長(zhǎng)分別呈冪函數(shù)降低與對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，并建立了預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度的模型。宋愛(ài)蘋(píng)等[8]研究發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰可減少有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥土強(qiáng)度的負(fù)面影響。國(guó)外方面，Zulkifley等[9]對(duì)水泥固化有機(jī)質(zhì)土機(jī)理進(jìn)行了探究，認(rèn)為水泥攪拌工藝適用于深層有機(jī)質(zhì)土加固。Harvey等[10]和Kalantari等[11]探究了有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥土強(qiáng)度影響機(jī)理。

凍融循環(huán)會(huì)破壞水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)[12-13]，研究發(fā)現(xiàn)水泥土中摻入橡膠顆粒、粉煤灰后，可提高其抗凍性能[14-15]?？紫短卣骺煞从硟鋈谘h(huán)下土體結(jié)構(gòu)變化，陳鑫等[16]發(fā)現(xiàn)隨凍融次數(shù)增加，黃土孔隙率呈先增加后減小再穩(wěn)定的趨勢(shì)；侯淑鵬等[17]和孫韜[18]研究了凍融循環(huán)下水泥土的微觀特征，并對(duì)水泥土損傷劣化機(jī)理進(jìn)行了探究。

綜上，常規(guī)條件下有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度特性已有不少研究，但凍融循環(huán)條件下有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度特性及孔隙特征研究尚很少開(kāi)展。因此，筆者研究不同水泥-粉煤灰摻比(水泥摻入比-粉煤灰摻量)、凍融循環(huán)次數(shù)與齡期對(duì)水泥土強(qiáng)度及孔隙分布特征的影響，并分析抗壓強(qiáng)度與微觀孔隙特征間關(guān)系，可為季凍區(qū)有機(jī)質(zhì)土加固治理研究提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

季凍區(qū)有機(jī)質(zhì)土一般有機(jī)質(zhì)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為5%～20%，含水率為20%～900%。考慮現(xiàn)場(chǎng)取土土質(zhì)不均勻，且每個(gè)試樣有機(jī)質(zhì)含量難以定量一致，有機(jī)質(zhì)土主要成分為富里酸，且富里酸對(duì)水泥水化負(fù)面影響最顯著，因此很多學(xué)者通過(guò)添加富里酸室內(nèi)配制有機(jī)質(zhì)土開(kāi)展研究[1-4]?；诓捎盟嗌顚訑嚢韫に囂幚碛袡C(jī)質(zhì)土，粉煤灰可減少有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥土強(qiáng)度的負(fù)面影響[8]，因此本研究通過(guò)人工配制有機(jī)質(zhì)土，再通過(guò)摻入水泥與粉煤灰改良開(kāi)展試驗(yàn)。

試驗(yàn)用土取自南京地區(qū)的典型粉質(zhì)黏土，原狀土指標(biāo)見(jiàn)表1，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。水泥為PS.A32.5，粉煤灰為鞏義市元享凈水材料廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰，富里酸為合肥巴斯夫生物科技有限公司生產(chǎn)的富里酸(≥98%分析純)。原狀土經(jīng)105 ℃條件烘干24 h后，用試驗(yàn)?zāi)鹃城盟檫^(guò)2 mm篩，按有機(jī)質(zhì)含量確定富里酸量，倒入量筒中并加入定量蒸餾水，用玻璃棒攪拌，將富里酸溶液倒入干土中，經(jīng)手工拌和均勻，配制有機(jī)質(zhì)含量為15%、含水率為40%的有機(jī)質(zhì)土[4]，經(jīng)密封并在(20±3)℃條件下靜置24 h后使用。按照水灰比1∶2與不同水泥-粉煤灰摻比配制混合漿液再加入有機(jī)質(zhì)土中，并充分?jǐn)嚢琛Ｆ渲?，有機(jī)質(zhì)含量=富里酸質(zhì)量/干土與水質(zhì)量之和，水泥摻入比=水泥質(zhì)量/有機(jī)質(zhì)土質(zhì)量，粉煤灰摻量=粉煤灰質(zhì)量/有機(jī)質(zhì)土質(zhì)量。

表1 原狀土基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of undisturbed soil

圖1 級(jí)配曲線Fig. 1 Gradation curve of soil

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

單軸抗壓試驗(yàn)試樣尺寸為Ф50 mm×100 mm，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，再密封養(yǎng)護(hù)到計(jì)劃齡期。需要凍融的試樣先放入水中浸泡96 h飽和，再密封放入環(huán)境箱進(jìn)行凍融循環(huán)?？紤]到季凍區(qū)極端溫度可達(dá)-20 ℃，有機(jī)質(zhì)水泥土凍結(jié)處于最不利狀態(tài)，本研究1次凍融為：-20 ℃凍結(jié)12 h，標(biāo)準(zhǔn)室溫20 ℃融化12 h[19]，直至達(dá)到指定凍融循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)采用南京林業(yè)大學(xué)自行研制的微機(jī)控制凍土壓力試驗(yàn)機(jī)，參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，加載速率為1%/min，試驗(yàn)峰值后應(yīng)變達(dá)到3%～5%或應(yīng)力下降20%結(jié)束試驗(yàn)。取3組平行樣平均值為水泥土抗壓強(qiáng)度，平行樣滿足最大值和最小值與中間值之差均不超過(guò)中間值的15%。

考慮通過(guò)水泥土試樣切削制樣，會(huì)造成壓汞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損試驗(yàn)結(jié)果不精確，因此壓汞試驗(yàn)試樣采用特制模具制樣，尺寸為Ф8 mm×10 mm，養(yǎng)護(hù)及凍融條件與抗壓試驗(yàn)一致。試驗(yàn)前采用真空烘箱抽真空對(duì)水泥土樣品進(jìn)行干燥[20]，試驗(yàn)采用AutoPore IV9500全自動(dòng)壓汞儀，試驗(yàn)參數(shù)：汞表面張力取0.485 N/m，汞與樣品浸潤(rùn)角取140°，最大進(jìn)汞壓力為241.32 MPa。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度特性分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況，60 d齡期條件下所有試驗(yàn)摻比中20-5摻比強(qiáng)度最大，為合理?yè)奖?，具有代表性，因此?0-5摻比為例分析有機(jī)質(zhì)水泥土破壞形態(tài)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征、抗壓強(qiáng)度與彈性模量特性。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

有機(jī)質(zhì)水泥土不同齡期與不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2a可見(jiàn)，隨齡期延長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)水泥土塑性減弱、脆性增強(qiáng)，3 d齡期時(shí)呈現(xiàn)明顯塑性性能，隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力緩慢增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定數(shù)值，最大軸向應(yīng)變達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定應(yīng)變結(jié)束條件；7 d時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線開(kāi)始出現(xiàn)峰值應(yīng)力，峰值后緩慢下降，14 與28 d齡期曲線相似，隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力不斷增長(zhǎng)，應(yīng)變繼續(xù)增加應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)直至達(dá)到峰值后下降；60與90 d齡期曲線相似，隨應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力快速增長(zhǎng)達(dá)到峰值后快速下降，軸向總應(yīng)變很?。磺引g期越長(zhǎng)應(yīng)力增長(zhǎng)速率和下降速率均加劇，隨齡期增長(zhǎng)，各齡期曲線所對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，且脆性不斷增強(qiáng)。

由圖2b可見(jiàn)，60 d齡期各凍融循環(huán)次數(shù)下(FT表示凍融循環(huán))有機(jī)質(zhì)水泥土應(yīng)力應(yīng)變趨勢(shì)發(fā)展大體相同，隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力不斷增長(zhǎng)，且應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸增大；直至達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨應(yīng)變繼續(xù)增加應(yīng)力不斷下降達(dá)到結(jié)束條件。各曲線最大軸向應(yīng)變值較小，不到1.5%，為脆性破壞。未凍融FT0峰值應(yīng)力最大，對(duì)比未凍融，凍融1次后峰值應(yīng)力下降幅度最大，凍融24次峰值應(yīng)力最小。且隨凍融次數(shù)增加，應(yīng)力增長(zhǎng)段斜率減小，峰值應(yīng)力減小，對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)變與最大軸向應(yīng)變不斷增大。

圖2 不同齡期與不同凍融循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 2 Stress-strain relationship after different curing periods and freeze-thaw cycles

2.1.2 齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響

本研究彈性模量以抗壓強(qiáng)度的1/2與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變比值來(lái)表征[21]，有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度及彈性模量與齡期關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，隨齡期延長(zhǎng)抗壓強(qiáng)度及彈性模量呈現(xiàn)對(duì)數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)；隨齡期延長(zhǎng)，水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度逐漸變小，由3 到7 d齡期的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度最大，為0.042 5 MPa/d，60 到90 d齡期，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度最小，僅為0.003 MPa/d，1個(gè)月僅增加了0.09 MPa；可見(jiàn)在60 d時(shí)水泥土強(qiáng)度已基本穩(wěn)定，但隨齡期延長(zhǎng)仍會(huì)緩慢增長(zhǎng)，因此本研究選擇60 d齡期的有機(jī)質(zhì)水泥土開(kāi)展研究。有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律的主要原因?yàn)椋禾幱诙听g期時(shí)，土體含有大量水分，此時(shí)處于水化反應(yīng)初期，水泥水化反應(yīng)劇烈，水化物生成量較多，水化物膠結(jié)土顆粒，因而水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大；隨齡期延長(zhǎng)，土體中水分消耗，當(dāng)處于水泥水化后期時(shí)，水化反應(yīng)緩慢，且粉煤灰火山灰質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物生成量較少，共同作用將細(xì)化土體顆粒間的孔隙，增加土體密實(shí)度，因此長(zhǎng)齡期條件下水泥土強(qiáng)度仍會(huì)呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 抗壓強(qiáng)度及彈性模量與齡期關(guān)系曲線Fig. 3 Relationship curves among compressive strength, elastic modulus and curing period

2.1.3 凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度與彈性模量的影響

不同有機(jī)質(zhì)水泥土水泥摻入比與粉煤灰摻量下抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知，抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)具有良好的指數(shù)擬合關(guān)系如下：

fcu=Ae-Bn+C

(1)

式中：fcu為抗壓強(qiáng)度，MPa；n為凍融循環(huán)次數(shù)；A、B、C為具體擬合系數(shù)，詳見(jiàn)表3。

各摻比下抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)大體相同，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律減小，且強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定，與現(xiàn)有研究一致[22]。其中1次凍融對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大，強(qiáng)度下降最顯著，20-7.5，20-5，20-2.5，20-0，15-5，10-5各摻比對(duì)應(yīng)降幅(強(qiáng)度下降量/原強(qiáng)度值)分別為：12%，13%，9%，15%，16%，20%。

究其原因?yàn)椋贺?fù)溫條件下水泥土中水結(jié)冰發(fā)生凍脹，凍脹力大于土顆粒間膠結(jié)力，造成土體結(jié)構(gòu)破壞；正溫條件下，隨土中冰融化發(fā)生融沉，產(chǎn)生無(wú)法恢復(fù)的微裂紋，對(duì)比未凍融，1次凍融作用對(duì)水泥土強(qiáng)度影響最為明顯；由于土體處于飽和狀態(tài)，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，水泥土土體間微裂紋不斷發(fā)展，但達(dá)到一定次數(shù)后，由于試樣密封沒(méi)有水分的補(bǔ)充，土體凍脹時(shí)對(duì)土體間造成的裂紋得不到進(jìn)一步發(fā)展，因而凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度下降幅度會(huì)趨于穩(wěn)定。

圖4 抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship curves between compressive strength and freeze-thaw cycles

表3 有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)擬合系數(shù)Table 3 Fitting relationship coefficients between compressive strength and freeze-thaw cycle of organic cement soils

不同水泥摻入比與粉煤灰摻量的有機(jī)質(zhì)水泥土彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5可知，和抗壓強(qiáng)度相似，彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)具有良好的指數(shù)擬合關(guān)系如下：

E50=Ae-Bn+C

(2)

式中：E50為彈性模量，MPa；n為凍融循環(huán)次數(shù)；A、B、C為具體擬合系數(shù)，詳見(jiàn)表4。

圖5 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig. 5 Relationship curves between elastic modulus and freeze-thaw cycle

其中1次凍融對(duì)有機(jī)質(zhì)水泥土彈性模量影響最大，由0次到1次凍融循環(huán)彈性模量下降最明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)12次時(shí)，各摻比彈性模量下降幅度很小，且基本趨于穩(wěn)定。

表4 有機(jī)質(zhì)水泥土彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)擬合系數(shù)Table 4 Fitting relationship coefficients between elastic modulus and freeze-thaw cycles of organic cement soil

2.1.4 水泥-粉煤灰摻比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥-粉煤灰摻比關(guān)系曲線見(jiàn)圖6。由圖6a可知，固定5%粉煤灰摻量，各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度均隨水泥摻入比增加不斷增大；摻入比由10%到15%，水泥土強(qiáng)度提升效果不明顯，摻入比由15%增加到20%強(qiáng)度提升效果更為明顯，各凍融循環(huán)次數(shù)FT(0，1，3，6，12，24)下強(qiáng)度增幅(強(qiáng)度增加量/原強(qiáng)度值)分別為：247%，264%，263%，274%，275%，273%；建議工程中宜選用水泥摻入比20%，其強(qiáng)度、固化效果、抗凍融性均較好。究其原因?yàn)椋和环勖夯覔搅肯?，隨水泥摻入比增加，水泥水化反應(yīng)的水化物生成量與自由水消耗量增加，膠結(jié)土顆粒，從而強(qiáng)化了土體結(jié)構(gòu)；此外水泥水化物反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物填充了土顆粒間孔隙，提升了水泥土抗?jié)B透性，減少了凍融循環(huán)過(guò)程中凍脹融沉損傷，因而在不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體強(qiáng)度及抗凍融性增強(qiáng)明顯。

由圖6b可知，固定20%水泥摻入比，各凍融循環(huán)次數(shù)下的有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度均隨粉煤灰摻量增加呈現(xiàn)先增大后減小規(guī)律，存在一臨界粉煤灰摻量5%使各凍融循環(huán)次數(shù)下抗壓強(qiáng)度最大，且凍融循環(huán)24次后，其強(qiáng)度仍可達(dá)到0.485 MPa，說(shuō)明水泥粉煤灰改良有機(jī)質(zhì)土其強(qiáng)度可滿足工程長(zhǎng)期凍融循環(huán)環(huán)境。合理的粉煤灰摻量可有效提高凍融后水泥土強(qiáng)度，但過(guò)多粉煤灰摻量對(duì)提升水泥土強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效果。究其原因?yàn)椋涸趽郊铀嗷A(chǔ)上摻加粉煤灰，水泥水化反應(yīng)為粉煤灰所含有的火山灰質(zhì)提供了反應(yīng)所需的堿性環(huán)境條件，隨粉煤灰水化生成的水化反應(yīng)物，填充土體顆粒間的空隙，致使孔隙變得更小，增加了土體密實(shí)度，進(jìn)一步提升了水泥土強(qiáng)度及抗?jié)B性能，因而凍融循環(huán)前土體飽和含水率降低，凍融損傷減弱，因此粉煤灰可提升同一凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土強(qiáng)度；但過(guò)量的粉煤灰無(wú)法充分反應(yīng)，粉煤灰成分包裹于水泥礦物顆粒表面阻礙水泥水化反應(yīng)，造成水泥土強(qiáng)度降低。不同水泥摻入比會(huì)存在一個(gè)合理的粉煤灰摻量，使水泥土強(qiáng)度最大。

圖6 抗壓強(qiáng)度與水泥-粉煤灰摻比關(guān)系曲線Fig. 6 Relationship curves between compressive strength and cement-fly ash ratio

2.1.5 有機(jī)質(zhì)水泥土破壞形態(tài)

不同凍融循環(huán)次數(shù)的有機(jī)質(zhì)水泥土單軸抗壓試驗(yàn)后破壞形態(tài)見(jiàn)圖7。由圖7可知，在0，1，3次凍融循環(huán)次數(shù)下破壞特征大體相似，呈現(xiàn)為自試樣上部延伸至中部的斜裂縫，剪切破壞特征明顯，試樣完整度較高；6次凍融循環(huán)后，剪切破壞特征不再明顯，延伸發(fā)展的裂縫數(shù)量增多，上下部位有剝離趨勢(shì)，完整度降低；12次凍融后，試樣破碎明顯有大部分剝離現(xiàn)象，完整度較差；隨凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，受凍融過(guò)程中的凍脹融沉影響，有機(jī)質(zhì)水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷累計(jì)，24次凍融后的試樣破壞已無(wú)法成形，破碎更為嚴(yán)重，完整度最差。此外結(jié)合圖2b可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加試樣破壞時(shí)軸向總應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)下有機(jī)質(zhì)水泥土單軸受壓破壞形態(tài)Fig. 7 Failure modes of organic cement soil under uniaxial compression after different freeze-thaw cycles

2.2 微觀孔隙特征分析

2.2.1 凍融循環(huán)下孔隙率變化規(guī)律

不同水泥-粉煤灰摻比下有機(jī)質(zhì)水泥土孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線見(jiàn)圖8。由圖8可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，孔隙率呈對(duì)數(shù)規(guī)律不斷增長(zhǎng)且增長(zhǎng)速度逐漸減慢，隨凍融循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，孔隙率略有下降；1次凍融循后，各個(gè)摻比下孔隙率增長(zhǎng)幅度最大，增加了11.03%～12.66%，可見(jiàn)，1次凍融循環(huán)對(duì)孔隙率影響最大；由1次到12次凍融循環(huán)孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增長(zhǎng)速度逐漸減慢，增加了1.90%～3.42%；由12次到24次凍融循環(huán)孔隙率均略有下降，下降了0.40%～0.82%；可見(jiàn)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到12次，各摻比孔隙率變化基本趨于穩(wěn)定。

圖8 孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig. 8 Variation curves of void volume with freeze-thaw cycles under different cement-fly ash ratios

不同凍融循環(huán)次數(shù)下有機(jī)質(zhì)水泥土孔隙率隨水泥-粉煤灰摻比變化曲線見(jiàn)圖9。由圖9a可知，固定粉煤灰摻量5%，各凍融循環(huán)次數(shù)下孔隙率均隨水泥摻入比增加不斷減小。由此可見(jiàn)提高水泥土摻入比，可有效減小水泥土的孔隙率，提高水泥土的密實(shí)度。由圖9b可知，固定水泥摻入比20%，各凍融循環(huán)次數(shù)下孔隙率隨粉煤灰摻量增加呈先減小后上升規(guī)律，存在一粉煤灰摻量(5%)對(duì)應(yīng)最小孔隙率。由此可見(jiàn)，在摻水泥基礎(chǔ)上，摻入粉煤灰可有效減小水泥土孔隙率，提高水泥土密實(shí)度，但過(guò)高粉煤灰摻量對(duì)提高水泥土密實(shí)度不利。

圖9 不同凍融循環(huán)次數(shù)下孔隙率隨水泥-粉煤灰摻比變化曲線Fig. 9 Variation curves of void volume with cement-fly ash ratio after different freeze-thaw cycles

2.2.2 凍融循環(huán)下孔隙分布特征

結(jié)合現(xiàn)有對(duì)孔隙分類的研究[23]以及本試驗(yàn)情況，將有機(jī)質(zhì)水泥土孔隙進(jìn)行分類，劃分為4種類型：①微孔(孔徑≤50 nm)；②小孔(50 nm<孔徑≤100 nm)；③中孔(100 nm<孔徑≤1 000 nm)；④大孔(孔徑>1 000 nm)。以20-5摻比為例，分析不同凍融循環(huán)次數(shù)下有機(jī)質(zhì)水泥土的孔徑分布(圖10)，由圖10可知，未經(jīng)凍融時(shí)主要分布中孔與小孔以及微孔，占孔隙分布總和86.92%，中孔分布最多，占孔隙分布比例51.02%；1次凍融循環(huán)后，中孔與大孔分布比例均有明顯上升，而小孔與微孔分布比例下降明顯；由1次到12次凍融循環(huán)，大孔與中孔以及小孔與微孔分布比例均有上升與下降，大中孔與小微孔呈現(xiàn)“此長(zhǎng)彼消”趨勢(shì)，沒(méi)有明顯規(guī)律；24次凍融循環(huán)，大孔與中孔分布比例呈下降趨勢(shì)，而小孔與微孔分布比例呈上升趨勢(shì)。

究其原因?yàn)椋?次凍融循環(huán)對(duì)水泥土影響最為明顯，因?yàn)榇罂着c中孔中含水量較多，小孔與微孔含水量相對(duì)較少，低溫條件下孔隙內(nèi)水結(jié)成冰，隨后融化出現(xiàn)凍脹融沉現(xiàn)象，進(jìn)而孔隙會(huì)隨裂隙發(fā)展，中孔發(fā)展為大孔，一些小孔與微孔發(fā)展為中孔與小孔；在多次凍融循環(huán)過(guò)程中，孔隙變化極為復(fù)雜，一些小孔隙在凍融作用下發(fā)展成為中、大孔徑孔隙，一些大孔徑孔隙分裂成中、小孔徑孔隙，因而沒(méi)有明顯規(guī)律；隨凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，水泥土孔隙不斷發(fā)展變化，但達(dá)到一定次數(shù)后，由于試樣密封沒(méi)有水分補(bǔ)充，土體凍脹對(duì)土體間造成的裂隙得不到進(jìn)一步發(fā)展，因而凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，大孔與中孔分布比例趨于穩(wěn)定，且在融沉作用下因土體疏松，大中孔發(fā)展為小微孔。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔徑分布Fig. 10 Pore size distributions under different freeze-thaw cycles

2.3 抗壓強(qiáng)度與孔隙率、孔徑分布關(guān)系

選取20-5摻比進(jìn)行強(qiáng)度與孔隙率、孔徑分布比例關(guān)系分析(圖11)。由圖11a可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)FT(0，1，3，6，12，24)對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)水泥土抗壓強(qiáng)度隨孔隙率增加呈指數(shù)規(guī)律不斷減小，且抗壓強(qiáng)度變化顯著程度與孔隙率變化幅度成正比，說(shuō)明水泥土孔隙率變化與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)顯著。水泥土孔隙率低表示土體結(jié)構(gòu)密實(shí)，強(qiáng)度高、力學(xué)性能好。由圖11b可知，不同凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度隨微孔(孔徑≤50 nm)分布比例增加而增大，隨中孔(100 nm<孔徑≤1 000 nm)分布比例增加而減小，即微孔含量越多時(shí)強(qiáng)度越高，中孔含量越多時(shí)強(qiáng)度越低；而抗壓強(qiáng)度與大孔(孔徑>1 000 nm)、小孔(50 nm<孔徑≤100 nm)之間沒(méi)有明顯關(guān)系；此外抗壓強(qiáng)度隨孔隙率與各孔分布比例不斷變化仍有小幅度下降，但基本趨于穩(wěn)定。究其原因?yàn)椋簝鋈谘h(huán)下，負(fù)溫時(shí)水泥土孔隙中水結(jié)冰膨脹，正溫時(shí)土體融化沉降，反復(fù)凍脹融沉作用破壞了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且土體間裂隙不斷延伸發(fā)展導(dǎo)致土顆粒間隙增大(即孔隙率增加)，土顆粒間水化物膠結(jié)作用松弛即土顆粒間膠結(jié)力削弱，主要表現(xiàn)為微孔發(fā)展為中孔，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度隨孔隙率增加、微孔分布比例減小、中孔分布比例增加而減?。挥捎谠嚇用芊鉄o(wú)水分補(bǔ)給，凍融一定次數(shù)后，凍脹對(duì)土體造成的裂隙得不到進(jìn)一步發(fā)展，此時(shí)凍脹融沉作用對(duì)土體結(jié)構(gòu)影響趨于穩(wěn)定，因此強(qiáng)度隨孔隙率以及各孔徑分布變化而下降也趨于穩(wěn)定。

圖11 抗壓強(qiáng)度與孔隙率、孔徑分布比例關(guān)系Fig. 11 Relationship curves among compressive strength, void volume and pore size distribution

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)采用富里酸人工配制有機(jī)質(zhì)土，再摻入水泥與粉煤灰改良有機(jī)質(zhì)土，開(kāi)展了不同齡期、不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同水泥-粉煤灰摻比的有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度試驗(yàn)與壓汞試驗(yàn)，研究了有機(jī)質(zhì)水泥土強(qiáng)度特性與微觀孔隙特征，主要結(jié)論如下：

1)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同摻比下水泥土強(qiáng)度及彈模均呈指數(shù)規(guī)律減小，且最終強(qiáng)度會(huì)在凍融循環(huán)12次后逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明水泥粉煤灰改良有機(jī)質(zhì)土其強(qiáng)度可滿足工程長(zhǎng)期凍融循環(huán)條件。

2)隨水泥摻入比增加，水泥土強(qiáng)度增大；隨粉煤灰摻量增加，水泥土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，20%水泥摻量條件下存在一臨界粉煤灰摻量(5%)對(duì)應(yīng)最大強(qiáng)度，彈性模量與強(qiáng)度變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，該摻量可作為季凍土地區(qū)改良有機(jī)質(zhì)土的合理?yè)搅俊?/p>

3)1次凍融后中孔與大孔分布比例均顯著上升，而小孔與微孔下降明顯；由1次到12次凍融循環(huán)，大、中孔以及小、微孔分布比例均分別上升與下降，呈現(xiàn)“此長(zhǎng)彼消”趨勢(shì)；24次凍融后大孔與中孔分布比例呈下降趨勢(shì)，而小孔與微孔呈上升趨勢(shì)。

4)孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，隨水泥摻入比增加而降低，隨粉煤灰摻量增加呈先降低后增長(zhǎng)規(guī)律?？箟簭?qiáng)度隨孔隙率增加、微孔分布比例減小、中孔分布比例增加而減小，且最終趨于穩(wěn)定。