冻融循环对化学改良黄土性能的影响
2013-09-13王银梅程佳明高立成
王银梅,程佳明,高立成
(太原理工大学 水利科学与工程学院,太原030024)
我国西北、华北地区广泛分布着大量的黄土,由于黄土的特殊性质常常引起工程危害,成功实现黄土的固化改良具有重要的意义。
土质化学固化改良的方法较多,就改良材料来说有传统材料和新型土固化剂。目前学者们开展较多的是各种材料改良不同类型土的力学性能的试验研究,也做了部分冻融耐久性试验。如张立新进行了石灰土冻胀特性试验研究,表明加入石灰可防止土的冻胀,最优石灰掺量为12%-15%[1];周永祥对自主开发的土壤固化剂YZS固化盐渍土抗冻融性能研究,发现固化剂掺量会影响固化盐渍土的抗冻性能,提高固化盐渍土抗冻性能的关键因素是养护[2];Aly Ahmed,苏群等对废石膏、PAMCATS、水泥、石灰及粉煤灰等材料固化土的环境效应进行了研究工作,得到了上述固化材料可以不同程度地改良土的耐久性能,水泥较石灰的抗冻融性能较好等很多有意义的结果[3-4]。王少江采用SK-T系列渠系土壤固化剂稳定土,试验结果表明,固化剂性能优良,抗冻性良好,能够满足渠系工程高抗冻性要求[5];黄志军根据青藏地区路基处理要求,研究了冻融条件下奇极土壤固化剂处理土体的性能,认为加入1∶100奇极土壤固化剂改良土强度在长期冻融循环条件下有所降低,但降低幅度较小,同时加入1∶100奇极土壤固化剂和1/100水泥粉,能够较好的改善土的使用性能,提高土的抗冻性能,可以在寒区、冻土地区推广使用[6]。陈晓明使用XF-1型和RT-12型高分子水溶性土固化剂改善土体的耐水性,并对其原理做了探索[7]。周琦等对滨海盐渍土经生石灰、水泥和新型高分子材料SH固化处理,发现综合使用三者来固化盐渍土,可有效保证固化盐渍土的耐久性,满足滨海地区公路工程建设的使用[8]。王银梅等进行了新型高分子材料SH固化沙土抗冻性和固化黄土渗透性的研究,认为SH抗冻性优于其它同类化学固沙剂,其抗冻性良好[9],SH对黄土抗渗性有较好的改善作用等结论。
为了弄清用SH固化改良黄土后其抵抗环境因素变化作用的耐久性,即经过不同季节的变化考验后,其强度和质量的变化规律,开展了不同掺量的SH固化黄土冻融循环性能的试验研究。
1 原料及试验方法
1.1 黄土和改良固化剂
试验用土为山西太原黄土(表1),固化改良剂为自主开发的高分子材料SH。
表1 黄土的性质
1.2 试验方法
1.2.1 试件的成型方法,养护与强度测试
采用Ø40mm×80mm的模具,设计干密度为1.6g/cm3,以手工静压制样成型,脱模后放入室内自然风干养护,采用STWCY-1型无侧限压力仪测定无侧限抗压强度。
1.2.2 冻融试验
目前国内没有统一的标准用以评价固化土的抗冻性能,笔者参考混凝土冻融试验设计。将已制备经风干养护28d的固化黄土试样分为两组,一组为检验试件继续风干养护,另一组先浸水饱和24h,然后放入-19~-22℃的的冰箱里冷冻8h,取出再放进19~22℃的恒温水槽融化8h,为一次循环,如此反复至规定的循环次数。分别测定检验试件和冻融试验后试件的烘干抗压强度和质量,并按下式计算强度损失和质量损失。
式中:Gn为n次冻融循环后抗压强度损失百分率;R0为检验试件的抗压强度,MPa;Rn为n次冻融循环后的抗压强度,MPa;Dn为n次冻融循环后质量损失百分率;M0为检验试件的质量,g;Mn为n次冻融循环后试件烘干质量,g。
2 试验结果及分析
按前述的冻融循环试验方法进行了不同掺量SH固化黄土(掺量指SH的质量分数,下文同)的冻融试验,结果与相同掺量的水泥黄土(质量分数,下文同)冻融循环试验结果进行对比,结果如表2所示。
2.1 抗压强度与冻融循环的关系
图1 SH固化黄土冻融循环抗压强度
图1,图2显示,固化黄土试样经过冻融循环后,土体的抗压强度整体趋势是减小的。随循环次数的增大,强度损失递增,随SH或水泥掺量增大(均为质量分数),强度损失减小。相同循环次数条件下,SH改良黄土强度高于水泥黄土,强度损失也较小。
对固化土抗压强度R与冻融循环次数N进行回归的结果如表3所示。
表2 SH和水泥固化黄土的冻融试验结果
表3 固化黄土抗压强度的变化关系
由表3可见,SH和水泥固化黄土的抗压强度随冻融循环次数递减的程度不同,前者呈指数式衰减,后者当掺量小时以直线下降,速度较快,当掺量增大,则呈二次函数减小。
2.2 冻融循环过程中试样质量变化
图2 水泥黄土冻融循环抗压强度
图3,图4为SH和水泥黄土试样经过冻融循环过程的质量损失。图中可以看出,伴随着固化黄土冻结与融化,其中的水分结冰和溶解,反复作用后固化黄土试样产生微裂隙,出现掉皮掉角现象,质量逐渐减小,质量损失率递增。掺加SH或水泥的用量增大,质量损失均有所减小,抗冻效果较小掺量为好。
图3 经历冻融循环SH固化黄土试样的重量损失
图4 经历冻融循环水泥黄土试样的质量损失
当SH和水泥掺量为10%时,15次冻融循环后其抗压强度损失均超过25%;SH掺量增至14%时,经历25次冻融循环其质量损失1.67%,强度损失19.6%,固化试件结构没有明显变化,所以14%的SH固化黄土至少可以抵抗25次冻融循环。而水泥掺量为16%甚至18%时,强度损失仍大于25%,大于16%的水泥黄土才可承受15次冻融循环。
2.3 影响抗冻性的因素
固化黄土受冻融影响的程度与许多因素有关,如黄土的性质、固化剂种类及掺量、密度以及不同的冻融条件和冻融循环的次数等。
在冻融循环中,水是冻融破坏的主要构成条件。严寒地区的冻融交替,主要是由于水在孔隙中结冰时,体积增加9%,固化体孔隙变大,微裂隙增多,经过冻融破坏,反复的次数越多,裂隙会越来越多,越来越大,密度将逐步下降,强度和质量降低或减少,损失率增大。
由于SH和水泥固化黄土的机理和形成的固化体结构不同,其性能不同。已有试验证实,SH通过高分子链间的交联,将黄土固化为一空间网状结构,随着SH掺量的增加,韧性增强,破坏模式逐渐由脆性转为塑性;水泥则是由CSH等水化物的胶结作用而形成,水泥掺量增大,破坏逐渐由塑性转为脆性[9]。所以,SH固化改良黄土表现为具有较高的强度,较好的抗冻性能,水泥黄土强度较小,抗冻融能力较差。
3 结论
本文在查阅文献的基础上,对SH固化改良黄土受环境条件的影响,即在冻融循环条件下的耐久性能进行了试验研究,得到以下结论:
1)素黄土试件浸水后崩解,黄土如果不固化改良不能承受冻融循环作用。添加SH固化剂,改良后黄土的强度得到提高,冻融循环后的强度降幅减少,改良黄土的耐久性得到明显改善。
2)随着冻融循环次数的增加,固化黄土中水分结冰融化,固化黄土试件的强度降低,质量减少,固化土体劣化。这一特性取决于固化剂种类和掺量,冻融循环次数等因素。
3)固化剂掺量对固化黄土的抗冻融影响非常明显。随着SH或水泥掺量的增加,固化黄土的强度损失和质量损失率递减。SH掺量为14%及以上时,固化黄土的抗冻融性能较好。
4)当SH掺量大于14%时可耐25次冻融循环,同样条件下水泥黄土仅能承受15次及以下次数。由于SH和水泥的固化机理和形成的固化黄土结构不同,SH固化黄土具有较好的抗冻性能,强于水泥。
[1] 张立新,王家澄.石灰土冻胀特性试验研究[J].岩土工程学报,2002,24(3):336-339.
[2] 周永祥,阎培渝.固化盐渍土抗冻融性能的研究[J].岩土工程学报,2007,29(1):14-19.
[3] Aly Ahmed,Keizo Ugai.Environmental effects on durability of soil stabilized with recycled gypsum [J].Cold Regions Science and Technology,2011(66):84-92.
[4] 苏群,杨扬.PAMCATS固化土强度及抗冻性能研究[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2008,22(4):1-3.
[5] 王少江,马锋玲.高性能渠系土壤固化剂研究[J].水利与建筑工程学报,2007,5(1):70-72.
[6] 黄志军,梁波,孙常新.冻融条件下奇极土壤固化剂改良土性能研究[J].兰州铁道学院学报,2003,22(6):88-91.
[7] 陈晓明等.高分子水溶性土固化剂对改善土体耐水性的研究[J]].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2003,11(1):72-75.
[8] 周琦,邓安,韩文峰,王沛.固化滨海盐渍土耐久性试验研究[J]].岩土力学,2007,28(6):1129-1132.
[9] 王银梅,韩文峰,谌文武.新型高分子材料固沙抗冻性能的试验研究[J].中国地质灾害与防治学报,2006,17(4):145-148.
[10] 王银梅,高立成.固化黄土渗透特性的试验研究[J].太原理工大学学报,2013,44(1):63-66.