冻融循环对固化淤泥土力学性质的影响

2019-08-21

长江科学院院报 2019年8期

(1. 三峡大学特殊土土力学研究所，湖北宜昌 443002； 2.中国建筑第二工程局有限公司深圳分公司，广东深圳 518000)

1 研究背景

江河湖海城市沟渠等水域沉积的淤泥，阻碍通航，恶化水质，需要定期进行疏浚[1]。疏浚淤泥以堆场形式暴露于大气中，对周边水域和土壤造成污染[2-4]，同时占用大量土地资源，提高工程造价[5-7]。淤泥固化技术(Solidified/stabilized silt)通过水泥等固化剂，将疏浚淤泥转化为工程填料，从而促进疏浚淤泥的大规模资源化利用，具有保护环境、节约工程造价等多重社会经济价值[8-10]。固化淤泥土用于工程填筑，将持续受到干湿循环、冻融循环、酸雨等大气环境的周期性作用，从而导致其力学性能劣化[11]，限制淤泥固化技术的规模化应用。

冻融循环的劣化作用[12-14]在宏观上主要体现为体积收缩、裂隙发育和强度降低等物理力学指标的衰减，如：齐吉林等[15]研究表明土的初始状态、冰晶的生长和冻融过程中产生负孔隙水压力导致的有效应力增大等方面，结合冻融作用对正常固结土的结构强化的分析，提出了冻融作用对超固结土的结构弱化效应。郑郧等[16]研究表明：反复冻融循环使土粒的颗粒发生破碎，导致土的液塑限、比表面积均有所增大，并且冻融循环中水分相变、冰晶生长和水分迁移对土颗粒和孔隙的反作用力是冻融循环对土结构性影响的根本原因。但是对于淤泥的研究基本停留于常温下固化后的力学性质[17]，或者烧结成砖块后的抗冻性能[18]。对于固化淤泥土经冻融循环后的强度、固结屈服压力、黏聚力等还缺少足够的关注。

因此，本文在现有研究的基础上，模拟固化淤泥土的冻融循环作用过程，通过无侧限抗压强度试验(UCS)、直剪试验和固结压缩试验等宏观试验方法，研究固化淤泥土的强度指标和刚度指标等变化规律，重点研究固化淤泥土在冻融循环作用下的形变特征以及劣化机理。研究成果将揭示冻融循环下固化淤泥土的劣化机理，为固化淤泥土冻融循环劣化防治措施的制定提供科学的思路。

2 试验方案

2.1 试验材料

疏浚淤泥取自湖北省宜昌市某清淤现场。新鲜淤泥呈黑色、流塑状、泥质细腻、含较多有机质及动植物残体残叶。采用数显pH计测试淤泥的酸碱度为pH=7.32～8.10，偏中性。采用重铬酸钾氧化法测定有机质含量为43.81%。淤泥基本物理指标如表1所示。固化剂如普通硅酸盐水泥和石灰等通过商业途径购买获取，其化学成分如表2所示。

表1 淤泥基本物理指标Table 1 Basic physical indicators of sludge

表2 普通硅酸盐水泥、水泥的化学成分Table 2 Chemical composition of common Portlandcement and lime

2.2 试样制备

无侧限抗压强度试样为圆柱体(Φ50 mm×100 mm),直剪试验和压缩试验所用试样均采用环刀样(Φ79.8 mm×20 mm)。制样过程为：①控制淤泥的初始含水率为100%；②在淤泥中按照淤泥湿重质量添加15%水泥和5%石灰；③用搅拌机将固化剂与淤泥充分搅拌均匀；④拌合均匀的混合土在30 min内装入模具内，并通过振动台振捣以消除其中气泡，随后用刮刀将试样刮平，为防止试样由于失水导致收缩等变形情况，用保鲜膜将每一个试样包裹，并且放置恒温恒湿箱中养护180 d，使其强度充分稳定，养护温度为25 ℃，相对湿度为95%。养护完成后，发现试样的含水率均在45%左右。为保持试样一致，将试样抽真空饱和，然后将试样脱湿处理，将初始含水率控制在45%左右。

2.3 试验过程

2.3.1 冻融循环模拟

将养护完成的试样放入可程式高低温试验箱，设置程序为-24 ℃冷冻24 h，然后在25 ℃融化24 h，至此1个干冻融循环过程完成；依据试验方案，对养护完成的试样，分别进行0，3，6，12，18次冻融循环。

2.3.2 宏观试验方法

根据规范《土工试验方法标准》(GB T50123—1999)，进行固化淤泥土试样的无侧限抗压强度试验(UCS)、固结压缩试验和直剪试验。

图1 固化淤泥土冻融循环后的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of solidified silt afterfreeze-thaw cycles

3 试验结果与讨论

3.1 冻融循环对固化淤泥土形变特征的影响

图1是固化淤泥土经过冻融循环后的应力-应变曲线，0DR表示无冻融循环，1DR表示1次冻融循环，以此类推。由图1可知，0DR，3DR的应力-应变曲线在到达峰值前均有一个波动的阶段，并且经过较长的变形时间，应力才明显的开始下降；而6DR，12DR，18DR的应力-应变曲线基本是达到峰值后立刻下降。所以0～6次冻融循环为塑性破坏，6～18次冻融循环为脆性破坏。随着冻融循环次数的增加，其破坏应力也越来越小，但是破坏应变在经0～6次循环时逐渐减小，经6～12次循环时，逐渐增大，说明随着冻融循环次数的增加，其相对变形先减小后变大。这是因为经0～6次循环时，由于结构的破坏，固化淤泥土内小颗粒逐渐增多，可以填补一些微小的裂隙，使结构变得相对有韧性，相对变形逐渐变小；随着冻融循环的次数越来越多，其结构破坏更为明显，所以相对变形也越来越大。

图1的应力-应变曲线中应力峰值对应的是无侧限抗压强度，0，3，6，12，18次冻融循环后试样的无侧限抗压强度依次为868.7，835.6，783.56，694.2，586 kPa，由此可以看出经过冻融循环后，淤泥固化土的强度有明显的下降。

3.2 冻融循环对淤泥固化土抗剪强度的影响

图2是固化淤泥土在抗剪强度试验时不同冻融循环次数下剪切强度-法向应力曲线。结果表明：在同一冻融循环次数下，固化土抗剪强度随着法向应力的增大均有大幅度的增大，法向应力从100 kPa增大到400 kPa时，土样的抗剪强度增大了近2.1倍；其次，从0次冻融到18次冻融循环完成，固化淤泥土的抗剪强度平均衰减近30.5%左右，说明随着冻融循环次数的增加，固化淤泥土的剪应力变小。

图2 不同冻融循环次数下剪切强度曲线Fig.2 Curves of shear strength at differentfreezing-thawing cycles

图3 含水率、内摩擦角、黏聚力随冻融循环变化曲线Fig.3 Curves of moisture content, internal friction angle,and cohesive force with freeze-thaw cycle

图3(a)是固化淤泥土经冻融循环后含水率的变化曲线，从图中可看出冻融循环使试样的含水率逐渐降低，虽然试样用保鲜袋密封，仍然会有少许水分散失。图3(b)是固化淤泥土经冻融循环后黏聚力与内摩擦角的变化曲线，可明显看出随着冻融循环次数的增加，黏聚力逐渐变小，0～3次时下降速度较快，3～12次逐渐减慢，12次后下降幅度骤增；与黏聚力相同，随着冻融循环次数的增加内摩擦角逐渐变小。

随着干湿循环的次数增加，含水率减小，黏聚力也越来越小。结合陈敬虞等[19]、龙玉民[20]的研究，分析造成这种结果的主要原因为：

(1)在进行冻融循环的过程中，土层温度降低到负温时，土中自由水结成冰晶体，随着温度继续下降，弱结合水最外层开始冻结，结合水的膜厚度变薄，导致土粒产生了剩余分子引力，使水膜变薄，这样未冻结区弱结合水向这里迁移，然后再冻结，如此恶性循环导致冰晶不断扩大至隆胀，最终会使土体内部的裂缝越来越大，越来越多，自由水会在融化阶段从这些裂缝、孔隙渗出，导致含水率降低，并且整体结构越来越松散，削弱结合水膜对土粒的粘结作用，使黏聚力减小。

(2)土颗粒之间不仅存在结合水膜的粘结作用，还存在范德华力，即分子力。分子力是土颗粒之间的互相吸引力，距离越小，排列越紧密，则吸引力越大。随着冻融循环次数的增加，试样内的裂隙越来越多，土颗粒之间的间距增大，分子力减小，黏聚力从而减小。

(3)固化淤泥土的黏聚力与其中的水化硅酸钙(CSH)胶结物是密不可分的。CSH胶结物主要是水泥、石灰经水化反应、火山灰反应后形成的产物，将土颗粒粘结在一起。但是随着干湿循环的次数增加，CSH胶体中的水经过结晶—融化—蒸发的过程，使胶体从内部发生破坏，减少了胶体的数量，削弱了胶结的作用，从而使固化淤泥土的黏聚力降低。

随着干湿循环次数增加，含水率减小，内摩擦角也越来越小。造成这种结果的主要原因为：随着冻融循环次数的增多，试样内的裂隙越来越多，孔隙越来越大。在剪切过程中固化淤泥土发生相对移动，由于咬合作用，土颗粒需要拔出并越过相邻的土颗粒，而试样内部的裂痕与孔隙越来越大，为土体的移动提供了足够的空间，使土粒移动时所受到的阻力减小，即咬合摩擦力减小，所以内摩擦角减小。

3.3 冻融循环对固化土压缩特性的影响

通过压缩试验得到固化淤泥土的e-p曲线，如图4所示。结果表明：冻融循环对固化土孔隙比的影响较大，在固结压力为0 kPa时，随着冻融循环次数的增加，孔隙比越来越小，这主要是因为自由水从孔隙和裂隙中渗出，使试样收缩；在压缩过程中，0～6次冻融循环的e-p曲线随着压力的增加，孔隙比下降幅度并不大，而6次冻融循环后，随着压力的增加，孔隙比下降幅度明显增大。

图4 固化淤泥土e-p曲线Fig.4 Curves of void ratio versus pressure

图5为固化淤泥土的ln(1+e)-p关系曲线。结果表明:当试验荷载小于固化土屈服压力时，固化土的压缩变形主要以固化土内部的宏观大孔隙的挤压及大颗粒间孔隙压缩为主，固化淤泥土的压缩变形量不大，压缩曲线较为平缓；随着试验荷载逐渐增大，试验荷载大于固化土的前期固结压力，冻融循环破坏了固化土的内部结构，降低了固化土颗粒间的胶结连结，产生损伤性破坏，致使颗粒重新紧密排列，固化土间的颗粒变得更加致密。因此，变形量与前一阶段相比增大很多，压缩曲线斜率变大，即固化淤泥土在结构屈服前后的工程力学性质差异很大，一旦屈服，压缩系数骤增，极易产生突然破坏；压缩屈服压力随着冻融循环次数的增加表现出先增大后减小的趋势，在6次冻融循环达到最大。由此可见，固化淤泥土的抗压缩性能不是由其密实程度决定，而是由其内固化骨架的完整程度决定的。