邵應(yīng)峰， 周云東， 黃安國， 王 響， 高玉峰

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

自密實固化土是利用溝槽、基坑開挖產(chǎn)生的廢棄土作為原料，再摻入一定比例的固化劑和水，經(jīng)充分拌合后形成的具有高流動性及自密實性能的一種填筑材料，它既可作為道路路基材料用于路基工程中，還可用于各類溝槽、基坑的回填和地基加固處理中. 利用自密實固化土進行實際工程建設(shè)具有以下幾個優(yōu)點：可對廢棄土進行資源化利用，減少廢棄土的外運，降低能源消耗與工程造價，體現(xiàn)了低碳理念；采用無揚塵的濕法施工，降低了對環(huán)境的污染；僅靠自身重力即可在狹小和異形的空間中保證填筑體的均勻密實，且在填筑過程中無須振搗，不僅可減少噪音對環(huán)境的影響，還可縮短工期；在低水泥摻量下仍具有較高的強度，大幅提高了填筑質(zhì)量.

季節(jié)性凍土在我國分布廣泛［1］，季節(jié)性凍土一般會在冬季凍結(jié)、夏季全部融化，土體每年至少要經(jīng)歷一次凍融循環(huán)，而土中水分發(fā)生凍結(jié)和融化后會導(dǎo)致土體原有的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，最終會影響土體的安全性和耐久性［2-4］. 因此，眾多學(xué)者［5-8］展開了關(guān)于凍融循環(huán)后土體力學(xué)特性的試驗研究. 談云志等［9］通過試驗探究了凍融循環(huán)對不同初始含水率和初始壓實度的改良粉土強度及孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律. 王天亮等［10］通過試驗探究了凍融循環(huán)次數(shù)對水泥改良土和石灰改良土的強度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響. 陳四利等［11］通過試驗探究了凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗剪強度、抗壓強度及滲透系數(shù)的影響. 侯淑鵬等［12］通過試驗分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)后水泥土試樣的單軸抗壓強度和質(zhì)量的變化，并探討了凍融循環(huán)條件下水泥土的損傷劣化機制. 張淑玲等［13］對粉煤灰土和水泥土在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)特性變化規(guī)律進行了對比研究. 鄭旭等［14］對MgO 碳化固化土與水泥固化土在凍融循環(huán)作用下的物理特性與力學(xué)特性變化規(guī)律進行了對比研究.趙振亞等［15］通過試驗分析了凍融循環(huán)對水泥紅黏土強度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響. 陳四利等［16］通過試驗探究了水泥土的抗壓強度和疲勞壽命隨凍融循環(huán)次數(shù)、水泥摻量的變化規(guī)律. 張經(jīng)雙和段雪雷［17］通過試驗探究了凍融循環(huán)對水泥土損傷特性和能量耗散的影響. 崔宏環(huán)等［18］通過試驗探究了凍融循環(huán)次數(shù)對不同養(yǎng)護齡期的水泥改良土力學(xué)性能的影響規(guī)律.

綜合來看，目前鮮有學(xué)者對自密實固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性進行研究. 為了提高自密實固化土的流動性，自密實固化土的摻水率往往較高，若在季節(jié)性凍土區(qū)利用自密實固化土進行工程建設(shè)，凍融循環(huán)將是影響其長期性能的重要因素之一，故研究自密實固化土的凍融循環(huán)力學(xué)特性對于其耐久性的評價及推廣應(yīng)用非常重要. 鑒于此，本研究通過室內(nèi)試驗分析了不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的無側(cè)限抗壓強度，并建立了自密實固化土的凍融循環(huán)強度損傷模型，以便于根據(jù)實際工程中流動度、強度、極限凍融循環(huán)條件的要求對自密實固化土進行配合比設(shè)計.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

原料土取自江蘇省南通市的某工程現(xiàn)場，屬于粉質(zhì)黏土. 原料土的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 原料土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of raw soil

試驗使用的固化劑為P·O42.5型號水泥，該水泥的部分性能檢測結(jié)果見表2.

表2 水泥的部分性能檢測結(jié)果Tab.2 Test results of some properties of cement

1.2 試驗方法

1.2.1 配合比設(shè)計

流動度是衡量自密實固化土流動性的物理指標(biāo)，隨著摻水率的增大而增大，故通過調(diào)節(jié)摻水率可控制自密實固化土的流動度. 為了研究凍融循環(huán)對不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，需先制備水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%，摻水率分別為50%、52%、54.5%、55%、55.5%、56%、57%、58%、60%的自密實固化土試樣，然后根據(jù)試驗內(nèi)容從中選取幾組不同配合比的自密實固化土試樣進行凍融循環(huán)試驗. 本研究中，水泥摻量指的是自密實固化土中水泥的質(zhì)量占烘干的原料土質(zhì)量的百分比，摻水率指的是自密實固化土中水的質(zhì)量占烘干的原料土質(zhì)量的百分比. 自密實固化土試樣的編號為Cx-Fy，其中x、y分別代表了該自密實固化土試樣中的水泥摻量和流動度，例如水泥摻量為15%、流動度為160 mm的自密實固化土試樣的編號為C15-F160.

1.2.2 試樣的制備及養(yǎng)護

首先將取回的原料土樣進行烘干處理，按照設(shè)計的配合比將烘干的原料土、水、水泥攪拌均勻并測定混合料的流動度，再將試樣裝入直徑為50 mm、高為100 mm 的模具中，將裝有試樣的模具放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后取出拆模，檢查自密實固化土試樣的完整性. 然后將自密實固化土試樣重新放入養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護，到規(guī)定齡期（28 d）后進行凍融循環(huán)試驗. 養(yǎng)護箱設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境：溫度（20±2）℃，濕度95%.

1.2.3 凍融循環(huán)試驗方法

目前國內(nèi)還沒有關(guān)于自密實固化土凍融循環(huán)試驗的規(guī)范，本研究是在參照文獻［19］的基礎(chǔ)上開展凍融循環(huán)試驗的，具體方法如下：首先將養(yǎng)護至28 d的自密實固化土試樣密封后放入-15 ℃的低溫試驗箱中冷凍12 h，再將自密實固化土試樣放入20 ℃的養(yǎng)護箱中融化12 h，此即一個凍融循環(huán)周期，如此反復(fù)，分別對自密實固化土試樣進行0、3、6、10次的凍融循環(huán)，最后取出不同凍融循環(huán)次數(shù)下自密實固化土的試樣并測定其無側(cè)限抗壓強度，同時根據(jù)公式（1）計算經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的自密實固化土試樣的強度衰減率α.

式中：α為強度衰減率，%；q0為凍融循環(huán)前試樣的無側(cè)限抗壓強度，kPa；qn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試樣的無側(cè)限抗壓強度，kPa.

1.2.4 流動度及無側(cè)限抗壓強度的測定方法

測定自密實固化土流動度的具體方法為：首先將攪拌均勻的自密實固化土緩慢裝入內(nèi)徑為80 mm、凈高為80 mm的空心圓筒中并填滿，然后將圓筒垂直向上緩慢提起，令自密實固化土自由流動1 min，再用直尺測量自密實固化土相互垂直兩個方向的最大水平直徑，取其平均值作為自密實固化土的流動度.

采用萬能試驗機測定自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度，選用應(yīng)變控制模式，加載速率為1 mm/min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)與不同配合比的自密實固化土強度衰減率的關(guān)系

隨機選取6 組不同配合比的自密實固化土試樣（C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165）進行凍融循環(huán)試驗，并計算每組試樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強度衰減率α，同時利用冪函數(shù)分別對這6組試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強度衰減率進行非線性擬合，結(jié)果如圖1所示. 由圖1可知，試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C15-F165、C10-F165、C18-F165、C22-F165 在經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為11.95%、12.75%、18.88%、21.99%、24.30%、35.04%，這說明在相同凍融循環(huán)條件下，不同配合比的自密實固化土的極限凍融循環(huán)次數(shù)是不同的. 從圖1中的擬合曲線可以看出，6組試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強度衰減率擬合曲線的斜率均為正值且斜率在逐漸減小，這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這6組試樣的強度衰減率均逐漸增大，但是強度衰減率的增加幅度在逐漸減小，由此可以說明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)對自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響程度在逐漸減小.

圖1 凍融循環(huán)次數(shù)與不同配合比的自密實固化土強度衰減率的關(guān)系Fig.1 Relationship between the freeze-thaw cycle times and the strength decay rates of self compacting solidified soils with different mix ratios

2.2 凍融循環(huán)對不同流動度的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

為了研究凍融循環(huán)對不同流動度的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，對水泥摻量均為12.5%，流動度分別為124、165、235 mm的3組自密實固化土試樣進行凍融循環(huán)試驗，并計算每組試樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強度衰減率，結(jié)果如圖2 所示. 由圖2 可以看出，自密實固化土試樣C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235經(jīng)歷3次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為7.99%、8.12%、17.54%，經(jīng)歷6次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為8.88%、10.50%、16.87%，經(jīng)歷10 次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為11.95%、12.75%、17.43%. 以上結(jié)果表明，在相同的水泥摻量和凍融循環(huán)次數(shù)條件下，自密實固化土試樣的強度衰減率隨著流動度的增加而增加，即流動度越高，凍融循環(huán)對自密實固化土的影響越大. 分析原因可能是：一方面是因為流動度越高，自密實固化土的孔隙水含量就越高，在受到冷凍作用時，孔隙水因結(jié)冰而體積變大，進而會破壞自密實固化土的孔隙，使自密實固化土的結(jié)構(gòu)受到更大的損傷；另一方面是因為在相同的水泥摻量條件下，自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度會隨著流動度的增大而減小，所以其抵抗凍融循環(huán)破壞的能力會隨著流動度的增大而減小. 因此，為保證自密實固化土在季節(jié)性凍土區(qū)的長期性能，在對其進行配合比設(shè)計時，建議不要選擇過高的流動度，以盡量避免由過高的流動度導(dǎo)致的凍融損傷.

圖2 凍融循環(huán)對不同流動度的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.2 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different fluidity

2.3 凍融循環(huán)對不同水泥摻量的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響

為了研究凍融循環(huán)對不同水泥摻量的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，對流動度均為165 mm，水泥摻量分別為10%、12.5%、15%、18%、22%的5組自密實固化土試樣進行凍融循環(huán)試驗，并計算每組試樣經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)后的強度衰減率，結(jié)果如圖3 所示. 由圖3 可以看出，自密實固化土試樣C10-F165、C12.5-F165、C15-F165、C18-F165、C22-F165經(jīng)歷3次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為11.06%、8.15%、10.25%、8.31%、15.56%，經(jīng)歷6 次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為17.53%、10.50%、15.86%、18.66%、28.80%，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)作用后的強度衰減率分別為21.99%、12.75%、18.89%、24.30%、35.04%. 以上結(jié)果表明，在相同的流動度和凍融循環(huán)次數(shù)條件下，自密實固化土的強度衰減率隨著水泥摻量的增加先減小后增大，并且當(dāng)水泥摻量為12.5%時，自密實固化土的強度衰減率最小. 出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是：在流動度相同的條件下，自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度和密實程度均會隨著水泥摻量的增大而增大，但其孔隙率則會隨之減?。?0］，所以在水泥摻量較低的情況下，自密實固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力會隨著水泥摻量的增大而增大，但當(dāng)水泥摻量增大到一定程度時，自密實固化土的孔隙率因變得過小而導(dǎo)致其無法適應(yīng)孔隙水結(jié)冰時的體積變化，進而會導(dǎo)致其產(chǎn)生更大的凍融破壞. 因此，為保證自密實固化土在季節(jié)性凍土區(qū)的長期性能，在對其進行配合比設(shè)計時，建議采用的水泥摻量為12.5%.

圖3 凍融循環(huán)對不同水泥摻量的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw cycles on unconfined compressive strengths of self-compacting solidified soils with different cement contents

3 自密實固化土的力學(xué)模型

為給應(yīng)用在季節(jié)性凍土區(qū)的自密實固化土的配合比設(shè)計提供參考，在以上試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建了自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度模型和凍融循環(huán)強度損傷模型.

3.1 自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度模型

將水泥摻量分別為10%、12.5%、15%，摻水率分別為50%、52%、55%、58%、60%的15組自密實固化土試樣的無側(cè)限抗壓強度值進行多元非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度模型，結(jié)果如公式（2）和圖4所示.

圖4 自密實固化土的無側(cè)限抗壓強度模型圖Fig.4 Model diagram of unconfined compressive strength of self-compacting solidified soil

式中：z為自密實固化土養(yǎng)護28 d 后的無側(cè)限抗壓強度，kPa；x為水泥摻量，%；y為摻水率，%. 依靠該模型，可以根據(jù)實際工程的需求，為在不同的水泥摻量條件下需達到某一特定無側(cè)限抗壓強度的自密實固化土的配合比設(shè)計提供參考.

3.2 自密實固化土的凍融循環(huán)強度損傷模型

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強度的自密實固化土試樣經(jīng)過0、3、6、10次凍融循環(huán)后的強度衰減率進行非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的凍融循環(huán)強度衰減率模型，結(jié)果如公式（3）所示.

式中：z為自密實固化土經(jīng)歷x次凍融循環(huán)后的強度衰減率，%；x為凍融循環(huán)次數(shù)，次；y為初始強度，kPa.參照混凝土耐久性試驗標(biāo)準(zhǔn)，以25%的強度衰減率作為極限凍融條件，依靠該模型可預(yù)測不同初始強度的自密實固化土的臨界凍融循環(huán)次數(shù).

將C10-F136、C10-F165、C10-F246、C12.5-F124、C12.5-F165、C12.5-F235、C15-F165、C18-F165、C22-F165這9組不同初始強度的自密實固化土試樣經(jīng)過0、3、6、10次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度值進行非線性曲面擬合，可以得到自密實固化土的凍融循環(huán)強度損傷模型，結(jié)果如公式（4）和圖5所示.式中：z為自密實固化土經(jīng)歷y次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度，kPa；x為初始強度，kPa；y為凍融循環(huán)次數(shù)，次. 依靠該模型，可以根據(jù)實際工程的需求，為在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下需達到某一特定無側(cè)限抗壓強度的自密實固化土的配合比設(shè)計提供參考.

圖5 自密實固化土的凍融循環(huán)強度損傷模型圖Fig.5 Freeze-thaw cycle strength damage model of self-compacting solidified soil

4 結(jié)論

通過試驗研究了凍融循環(huán)對不同流動度、不同水泥摻量的自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，得到以下結(jié)論：

1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融循環(huán)對自密實固化土無側(cè)限抗壓強度的影響程度在逐漸減小.

2）相同的凍融循環(huán)次數(shù)和水泥摻量的條件下，自密實固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力隨著流動度的增大而減小.

3）相同的凍融循環(huán)次數(shù)和流動度條件下，自密實固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力隨著水泥摻量的增大呈先增強后減弱的趨勢，當(dāng)水泥摻量為12.5%時，自密實固化土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力最強.

4）構(gòu)建了自密實固化土的凍融循環(huán)強度損傷模型，根據(jù)該模型可為不同凍融循環(huán)次數(shù)下需達到某一特定無側(cè)限抗壓強度的自密實固化土的配合比設(shè)計提供參考.