冻融循环下钢渣粉水泥改良膨胀土室内试验研究*

2021-07-19吴燕开苗盛瑶曹玉鹏胡兴涛

工程地质学报 2021年3期

吴燕开苗盛瑶李鑫王浩曹玉鹏胡兴涛

(①山东科技大学，山东省土木工程防灾减灾重点实验室，青岛 266590，中国)(②山东科技大学土木工程与建筑学院，青岛 266590，中国)(③山东科技大学交通学院，青岛 266590，中国)(④泰安博奥安全评价有限公司，泰安 271000，中国)

0 引言

膨胀土工程问题因其处理的复杂性被视为建筑工程中的”难点”，是一种被称为“有关处理灾难性土”的问题(Chen et al.，2007；陈强等， 2019)。膨胀土遇水膨胀失水收缩的特性，给上部结构安全性带来了巨大的危害(Zhang et al.，2009； Puppala et al.，2011)。因此针对膨胀土的特性，很多学者提出各种各样的改良方法，目前对膨胀土的改良主要有物理改良和化学改良两种。物理改良主要通过在膨胀土中掺入砂、砾、碎石以及炉渣等粗颗粒材料来改良膨胀土的工程特性，化学改良则是通过在膨胀土中掺入粉煤灰、水泥以及石灰等材料与膨胀土发生物理化学反应从而增强膨胀土的各物理力学指标。众多学者针对改良后膨胀土的物理力学特性进行了详细的研究(王保田等， 2006；孔令伟等， 2010； Al-Mukhtar et al.，2012； Stoltz et al.，2012； Khemissa et al.，2014； Hotineanu et al.，2015；冷挺等， 2018)。

改良后膨胀土的胀缩性明显降低，对上部结构体系造成的破坏作用也随之降低。但是土体经过改良后，当外部条件发生变化时，其物理力学性质仍会发生变化，如干湿循环(何中江等， 2018；慕焕东等， 2018)、冻融循环(杨忠平等， 2019)等作用。目前对于膨胀土和改良后的膨胀土在干湿循环作用下物理力学特性研究比较多(Alonso et al.，2005； Estabragh et al.，2015； Rosenbalm et al.，2017)，而对于冻融循环对膨胀土以及改良膨胀土的影响，研究得相对较少。Bin-Shafique et al. (2011)通过多种试验研究冻融循环条件下的粉煤灰和人造纤维改良的膨胀土，发现土体的改良造成了强度的降低，膨胀势的提高。Olgun(2013)通过无侧限抗压强度试验和膨胀试验研究冻融循环下的石灰、谷壳灰和纤维改良膨胀土，发现改良膨胀土同样受到冻融循环的影响。Hotineanu et al.(2015)将膨胀土和高岭土通过石灰改良，研究其在冻融循环作用下的特性，结果表明冻融循环主要影响土的黏聚力且第一次冻融循环的影响最明显。Lu et al.(2019)对膨胀土采用不同含水量制作试样，在3种温度下(-5℃、-10℃、-15℃)进行冻融循环试验，得到了冻结温度对膨胀土体积变化率有着显著影响的结论。杨俊等(2016)采用风化砂改良膨胀土，在冻融循环作用下对其收缩变形规律进行了研究，认为掺入风化砂可有效抑制冻融循环而产生的体积变化率。Wang et al.(2018)在冻融循环作用下对采用离子固化剂改良膨胀土进行试验研究，发现随着含水量的增加，改良膨胀土强度是降低的，试样的强度也会随着冻融循环次数的增加而降低，膨胀土的孔隙率会随着冻融循环次数的增加而变大，对剪切强度变化最大的是第1次冻融循环后， 7次冻融循环后，强度变化幅度最小，并趋于稳定。许雷等(2017)在研究冻融循环下的水泥改良膨胀土时发现改良后的膨胀土呈现“冻缩融胀”现象，随掺灰比的增加，最大冻缩量和最大融胀量会随之减小；随着冻融次数的增加，强度和弹性模量衰减趋于稳定。这一系列的研究，均探讨了改良后的膨胀土在冻融循环作用下的物理力学性质的变化规律，但不同的改良方法，其物理力学性质的变化规律存在差异。

本文利用钢渣粉作为膨胀土的主要改良剂，改良膨胀土的物理力学特性。钢渣作为炼钢的一种副产品，与水泥有着相似的化学成分，而且是一种工业废弃料。目前中国的钢渣综合利用率约22%(何若楠等， 2019)，剩余的主要采用堆放处理，这对环境易造成二次污染。把钢渣碾磨后加工成钢渣粉，用于改良膨胀土，不但可以改良膨胀土的物理力学特性，还可以实现废弃资源的再利用。通过钢渣粉改良膨胀土，研究冻融循环下改良膨胀土的体积变化率与冻融循环次数、养护龄期的相互关系，自由膨胀率随养护龄期变化的规律以及无荷膨胀率、无侧限抗压强度随冻融循环次数变化的规律。从而为钢渣粉用于改良膨胀土提供实验理论依据。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验所用材料

实验所用的膨胀土取自山东省临沂市南郊，对现场取回的原状土样进行物理力学参数的测试，进行击实试验获取其最优含水量以及最大干密度，具体参数如表1所示。从表1可知，膨胀土的塑性指数为37.1，液限为68.8，该膨胀土可定义为高塑性土；自由膨胀率为66.5%，该土为中等膨胀土。

表1 膨胀土的物理力学参数

试验所用水泥为山东省淄博市山水牌普通硅酸盐水泥；钢渣粉为日照钢铁公司产钢过程的副产品。水泥及钢渣粉的主要化学成分及各成分的百分含量如表2所示，由表2可知，钢渣粉有着与水泥相似的化学成分。图1为膨胀土、水泥以及钢渣粉的外观图。

图1 试验用到材料

表2 钢渣粉及水泥的主要化学成分及百分含量

1.2 试样制备

土样最大干密度为1.5g·cm-3，最优含水率为28.2%，制备试样所用含水率和用土量均由最大干密度和最优含水率确定。制作的试样尺寸分别为3.91cm×8cm、6.18cm×2cm，前者用于无侧限抗压强度试验、UU三轴压缩试验，后者用于一维无荷载膨胀率试验。

试验主要采用3种方法改良膨胀土，分别为水泥改良膨胀土(ES-C)、钢渣粉水泥改良膨胀土(ES-SSP-C)以及钢渣粉水泥掺NaOH活性激发剂改良膨胀土(ES-SSP-C-SH)。根据前期的研究结果(吴燕开等， 2017)，3种改良方案掺入料的具体比例如表3所示。

表3 各改良膨胀土改良配比方案

根据表3的膨胀土改良配比方案，采用击实法制样，制样完成后脱模取出试样，立即存放在恒温(25℃)恒湿(相对温度95%)的养护箱中养护备用。冻融循环时试样用保鲜膜包裹以减少水分散失(图2)。

图2 制备好的各种改良膨胀土试样

2 冻融循环及测试内容

2.1 冻融循环

改良膨胀土在室内冻融循环的模拟试验，主要参照Ghazavi et al.(2010)、Tang et al.(2018)、Lu et al.(2019)以及Dagesses et al.(2013)的冻融循环试验方案，将包裹好的试样放入低温试验箱中冷冻12h，然后将试样取出放在室温下融化12h，记为一次冻融循环。冻融循环试验所用到的DWX低温试验箱如图3所示。

图3 冻融循环所用低温试验箱

本次冻融循环试验，将3种改良后的膨胀土试样分别养护7d、28d、60d、90d，把不同养护龄期的试样放入低温试验箱内，进行最低温度为-10℃的冻融循环试验研究。以养护28d的试样为例，将3种改良膨胀土试样制备好养护28d，进行最低温度为-10℃的冻融循环实验。试样在进行冻融循环过程中，用保鲜膜包裹，采取平行试验，在测定不同的物理力学参数时，每组测定3个试样，取平均值作为试验的最终结果。

2.2 测试内容

2.2.1 体积变化率

试样在每次冻结或融化后用游标卡尺对试样进行直径与高度测量。为减少测量误差，每个试样直径、高度分别取7处和5处位置进行测量，取3个试样的平均值作为最终的直径与高度，然后计算出试样的体积，并求出试样冻结或融化后的体积变化率。

式中：δFn为第n次冻结后试样的体积变化率，正为膨胀，负为收缩；δTn为第n次融化后试样的体积变化率，正为膨胀，负为收缩；VFn为第n次冻结时试样体积；VTn为第n次融化时试样体积；V0为试样未进行冻融循环前初始状态体积。

2.2.2 自由膨胀率

自由膨胀率是人工制备的松散干燥的粒径小于0.5mm土样在5%浓度NaCl溶液中膨胀稳定后的体积增量与原始体积之比(中华人民共和国行业标准编写组，2019)。测定土体处于非结构化状态下的膨胀特征即自由膨胀率试验。试验结果计算公式：

式中：FS为自由膨胀率(%)，计算误差为1%；V1为试样在水中膨胀某一时间的体积(mL)；V0为试样原体积(mL)。

2.2.3 无荷膨胀率

一维无荷载膨胀率试验是利用WZ-2膨胀仪测取制备试样不同时刻下的膨胀量，然后由下式计算任意时刻的膨胀率：

式中：δt为时间为t时的无荷载膨胀率(%)；zt为时间为t时的位移计读数(mm)；z0为时间为0时的位移计读数(mm)；h0为初始试样高度(mm)。

2.2.4 无侧限抗压强度

利用室内WAW-1000B型电液伺服液压万能试验机，对冻融循环作用下纯膨胀土试样及改良膨胀土试样进行无侧限抗压强度试验。试验机试验过程可以监测试样的应力-应变值，试验过程加载应变速率控制在1.25%。

2.2.5 电镜扫描

利用电镜扫描试验，观察微观结构面的颗粒、孔洞等结构的分布、大小等特性，分析宏观强度变化的原因，使微观特性与宏观表现更好地结合在一起，试验仪器如图4所示。

图4 扫描电子显微镜

3 试验结果及分析

3.1 冻融循环次数与体积变化率间关系

图5为未改良膨胀土与3种改良土随冻融循环次数变化的体积变化率图。将试样制备好后，放入标准养护箱中养护7d，进行最低温度为-10℃的不同冻融循环次数试验，在试验过程中对试样的体积变化进行测定。

图5 改良土随冻融循环次数变化的体积变化率

由图5可知，ES试样无论是冻结还是融化，相对于改良后的试样，冻和融的体积变化率是非常明显的。在冻融循环时，ES试样整体呈抛物线上升的趋势，前4次冻融循环膨胀土表现出“冻缩融胀”现象。随着冻融循环次数的增加，体积变化率只出现膨胀，当冻融循环次数超过8次以后，体积变化率及冻和融体积变化率差值趋于稳定。分析其原因，前1～4次冻融循环时，膨胀土中的水冻结成冰，体积膨胀，但因为黏土颗粒表面大量失水，膨胀土颗粒出现体积收缩，这时失水收缩的特性占主导，所以体积较原体积相比呈现出收缩的状态。前4次融化时，膨胀土中的冰融化成水体积减少，但膨胀土遇水后土体颗粒膨胀，当融胀量大于冻缩量，体积较原体积开始增大。从第8次冻融循环开始，膨胀土的冻缩量和融胀量都渐趋稳定。未改良膨胀土在整个冻融循环过程中，冻融体积变化率差值最大时为5.38%，转入稳定状态后维持在2.6%左右。膨胀土冻融体积的变化足以对上部结构造成严重的影响甚至破坏。

改良膨胀土除ES-SSP-C试样在第一次冻融循环时遵循“冻缩融胀”规律外，其余循环次数试样均表现为收缩； ES-C、ES-SSP-C-SH试样在全部冻融循环过程中融化时体积没有出现膨胀的现象，冻融过程以收缩为主。这是因为钢渣粉和水泥会发生水化反应产生水化胶凝物，水化胶凝物将使膨胀土颗粒变得致密，同时增加土颗粒间的吸附力，致使土体在冻融循环后均出现体积收缩现象。

相比于ES和ES-SSP-C-SH试样，ES-C和ES-SSP-C试样体积变化率呈现良好的线性平稳态势。在第1次循环时，ES-C和ES-SSP-C试样体积变化幅度最大，因为此时所掺的钢渣粉与水泥的水化反应还未彻底完成，同时新生成的水化产物与颗粒间的胶结也未达到理想状态，因此在第一次冻融循环时改良膨胀土“冻缩融胀”的特性还较明显。第 2 次融化时，ES-C和ES-SSP-C试样的体积没有膨胀，从第 3 次冻融循环开始，改良膨胀土就进入了动态稳定态势，且没有出现膨胀的现象，而ES-SSP-C试样最大的冻融体积变化率差值仅为1.93%，表明钢渣粉和水泥的加入对膨胀土因冻缩融胀引起的体积变化具有明显的改善效果。

3.2 养护龄期与体积变化率间关系

3种改良后的膨胀土试样分别养护7d、28d、90d后，在最低温度为-10℃下进行不同冻融循环次数试验，测定试样体积变化。

图6为ES-C试样、ES-SSP-C试样以及ES-SSP-C-SH试样在最低温度为-10℃下，经历不同养护龄期后，不同冻融循环次数作用下土样冻结状态以及融化状态下的体积变化率曲线图。

图6 不同养护龄期试样随冻融循环次数变化的体积变化率曲线图

由图6a可知，随着循环次数的增加，养护7d和28d后的水泥改良土试样冻和融时的体积变化幅度都比较大，与冻融循环次数关系不大。而养护90d的ES-C试样随着冻融循环次数的增加，体积变化率逐渐减小，最后趋于稳定。表明试样的养护龄期对膨胀土试样膨胀潜势具有控制性作用。

由图6b可知，养护7d和28d的ES-SSP-C试样在冻融循环过程的体积变化几乎一致，但与ES-C试样的变化幅度相比要小。养护90d后 ES-SSP-C试样冻、融时的体积变化率均在0上下微小浮动，说明膨胀土的膨胀态势得到控制。ES-SSP-C试样在1、6、12次循环时体积变化率相比于ES-C试样要小，说明掺加钢渣粉可以降低冻融循环对试样的破坏程度。随着养护龄期的增加，各循环次数下试样体积变化率差值在逐渐减少，且最小值在0.3%左右，表明膨胀土的膨胀态势已经得到良好控制。

将图6c与图6a、图6b对比，可看出28d、90d的ES-SSP-C-SH试样冻融循环体积变化率在-1%～0.5%之间起伏，起伏较ES-C和ES-SSP-C试样稳定。这说明掺加NaOH可加快钢渣粉和水泥水化稳固膨胀土， 28d后ES-SSP-C-SH试样的膨胀态势已趋于稳定。各龄期下第1、6、12次冻融循环试样的体积变化率差值相似，说明循环次数对ES-SSP-C-SH试样的膨胀性影响不大。对比ES-SSP-C、ES-SSP-C-SH试样可知，掺加NaOH加快钢渣粉水泥的水化， 7d试样两者的体积变化率的变化规律起伏均较大，但从28d开始，ES-SSP-C-SH试样的体积变化率已大大减少，而ES-SSP-C试样仍具有较大的起伏，因为NaOH遇水放热，并为钢渣粉和水泥水化提供碱性环境，且游离的Na+进入蒙脱石的层间结构内，使得体积膨胀加大。

以上试验结果说明，掺入钢渣粉后，可有效改善膨胀土的冻融循环体积膨胀特性，随着养护龄期的增长，改良后的膨胀土在冻融循环作用下体积膨胀性就越小，随着冻融循环次数的增加，体积变化率趋于平稳。而掺了活性激发剂后，可有效缩短养护龄期，从而在较短的时间内，使改良后的膨胀土的膨胀性变小且趋于稳定。

3.3 自由膨胀率

图7为改良膨胀土养护不同龄期后，在最低冻结温度为-10℃下进行不同次数的冻融循环试验时所测得的自由膨胀率曲线图。

图7可知，所有改良膨胀土在改良后养护龄期从7d到90d，其自由膨胀率均小于10.0，与ES试样的初始自由膨胀率66.5%相比，自由膨胀率大幅度降低，说明3种方法对膨胀土的改良都是非常有效的。3种方法改良后的膨胀土，其自由膨胀率均随着冻融循环次数的增加而降低，当冻融循环次数达到12次时，其自由膨胀率几乎为0。

图7 改良膨胀土试样不同冻融循环下自由膨胀率曲线图

冻融循环对土体性能的影响主要体现在对结构的破坏、裂隙的发育、颗粒的松散以及整体性的劣化上，但在自由膨胀率试验中，膨胀率与无结构的土体材料相关，是土体自由态膨胀性的表现，也是土中矿物成分的体现，因此在龄期逐渐增加时，水化产物的不断增多是自由膨胀率降低的原因，水化产物增加，试样内部密实，孔隙水含量降低，试样的自由膨胀受冻融循环的影响降低。而自由膨胀率也随着冻融循环次数的增加出现降低，说明冻融循环的过程中也伴随着胶凝材料的水化反应，由此可以看出，冻融循环的过程既是冻融侵蚀破坏土体的过程，也是胶凝材料水化改善土体性能的过程。但随着冻融循环次数的继续增加，试样中水化反应完全，劣化以冻融循环引起内部结构的冻胀融缩为主。

图7c中的ES-SSP-C-SH试样7d、28d、60d、90d的自由膨胀率分别为10%、9%、7%、9%。随着养护龄期的增长，ES-SSP-C-SH试样在各冻融循环次数时自由膨胀率变大了，因为随着养护时间的延长，水化反应逐渐稳定(尹钰婷， 2019)，但掺入的NaOH为蒙脱石层间结构提供了Na+，黏土矿物在碱性环境中发生阳离子交换，成为易水化的钠型黏土，使黏土的水化膨胀加剧。

3.4 无荷膨胀率

3种改良土试样养护28d后在最低冻融温度为-10℃时经历不同冻融循环次数后的无荷膨胀率随时间变化曲线图如图8所示。

图8 改良土不同冻融循环次数下无荷膨胀率

由于无荷膨胀率试验是每个冻融循环周期在试样冻结或融化12h后立即进行，因此，无荷膨胀率曲线图存在不同形式。由图8可知，试样在不同冻融循环下，其无荷膨胀率曲线变化图一般可划分为两种类型，第1种是如图8a中的典型的膨胀土无荷膨胀率曲线变化图，曲线发展可划分为3个阶段；膨胀阶段，缓慢膨胀阶段，稳定阶段。第2种为典型的改良膨胀土经历冻融后的无荷膨胀率曲线图，曲线的变化也可划分为3个阶段：短暂膨胀阶段(a-b)，快速收缩阶段(b-c)，恒定收缩阶段(c-d)，如图8b所示。未改良的膨胀土以及改良后的膨胀土未经过冻融循环时，其无荷膨胀率曲线均为第一种类型，而经受冻融循环的改良膨胀土都表现出第二种类型的曲线变化。该现象主要是因为经改良后的膨胀土，掺入的固化剂会发生水化反应，生成新的胶凝材料，可使土颗粒紧密地联结在一起。当改良土经受冻融循环后，一方面，冰晶增加引起的土体膨胀会破坏土颗粒间的联结；另一方面，水泥的掺入与负孔隙水压力的产生引起土体孔隙间有效应力的提高，从而表现为土体压缩。弹性变形发生在改良土中有效应力小于改良土原有固结压力的阶段，在此阶段有效应力的增加不会对土体的结构造成影响。而融化初期的“融胀”现象是由融化开始时有效应力大幅降低产生“卸荷回弹”引起的土体的短暂性膨胀。

改良土在无荷载膨胀率试验中达到稳定值时，数值远小于纯膨胀土试样，大体都在±0.5%以内，相比于纯膨胀土无荷载膨胀率的2%，改良效果达到75%的减小率，而经历冻融循环之后，改良土仍具有较小的膨胀率，相比于纯膨胀土的8%以上的无荷载膨胀率有90%以上的减小量，从而可以判断出改良土在膨胀性的控制上有了极大的改善。与钢渣粉的性质有关，钢渣粉不易水化，当钢渣粉部分取代水泥时，水化反应不如水泥作激发剂时充分(Wang et al.，2009)，造成无荷膨胀率增大，但激发剂的加入促使钢渣充分水化，无荷膨胀率降低；在冻融循环作用下，ES-SSP-C试样略强于另外两者，体现了钢渣粉对膨胀土承受冻融循环的有利作用。

3.5 无侧限抗压强度试验

图9为在最低温度为-10℃下，养护不同龄期的各改良土试样在不同冻融循环次数后无侧限抗压强度随冻融循环次数变化的曲线图。

图9 改良膨胀土无侧限抗压强度随冻融循环次数变化曲线图

由图9可知，ES试样无侧限抗压强度值很低，未改良膨胀土本身强度较低，且随着冻融循环次数的增加，试样的内部结构发生改变，颗粒间的胶结作用减弱，导致膨胀土的无侧限抗压强度、黏聚力、抗剪强度、弹性模量总体上均呈下降趋势(季雅茹， 2018)；前3次冻融循环对无侧限抗压强度影响较大， 3次冻融循环后，强度受冻融循环的影响较小。ES-C试样以及ES-SSP-C试样其无侧限抗压强度值在经历不同次数的冻融循环后，强度值很接近，而ES-SSP-C-SH试样的无侧限抗压强度最大。改良膨胀土经过第1次冻融循环后，强度明显衰减。当ES-SSP-C-SH试样养护60d以及90d后再进行冻融循环试验，发现第1次冻融循环对强度影响不大，强度的降幅明显比ES-C试样以及ES-SSP-C试样小。养护龄期越长，强度越大，在经受冻融循环后，强度衰减越小。

图10为各改良膨胀土试样冻融循环前以及12次冻融循环后的无侧限抗压强度柱状图。结合图9以及图10，充分说明钢渣粉的掺入可起到代替水泥的作用，同时掺入NaOH活性激发剂，可有效激发钢渣粉的活性，使其水化反应加快，并产生更多的水化胶凝产物，从而提高土体的强度。养护龄期越长，改良后的膨胀土抗冻融能力越强。

图10 改良膨胀土冻融循环前以及12次冻融循环后的无侧限抗压强度柱状图

4 SEM测试分析

图11为养护90d后的膨胀土试样在冻融循环前的扫描电镜图。对比发现，未改良膨胀土的结构较其余3种改良膨胀土松散，ES-C较为致密，孔隙与ES-SSP-C相比较小，但比ES-SSP-C-SH大，这与水泥颗粒较钢渣小易水化有关，ES-SSP-C-SH孔隙小是因为NaOH的加入促进了钢渣和水泥的水化，生成胶凝材料C-S-H增多，填充孔隙。

图11 F-T循环前试样的微观结构图(90d)

图12为养护90d后的膨胀土试样经12次F-T循环后的扫描电镜图。由图可知，3种改良膨胀土冻融循环后，整体上结构性较未改良膨胀土还是比较完好，但是ES-C试样的孔隙明显比其他两种试样的孔隙大，颗粒间的联结也没有后两种紧密，土粒表面的冰晶相对较少，局部可见钙矾石(Aft)。ES-SSP-C以及ES-SSP-C-SH两种改良土试样颗粒间的联结更紧密，水化生成的胶凝产物较多，絮状的C-S-H胶凝产物填充在颗粒间的孔隙中。这也充分说明掺入钢渣粉后，特别是在掺入NaOH活性激发剂后，可以进一步促进水化反应的进行，生成更多的具有胶凝性的水化产物，从而使膨胀土颗粒变得密实。冻融循环虽使得膨胀土产生膨胀劣化，但水泥、钢渣和NaOH的加入有效地减少了膨胀土的冻胀，可见钢渣对膨胀土的研究是有利的。对比未经过冻融循环的试样(图11)，经过冻融循环后试样表面呈稀碎、疏松状态，有裂隙发育可见。裂隙的出现是导致改良土试样在冻融循环下物理性质出现过大变化的主要原因。