冻融循环下糯米浆对石灰土抗剪强度的影响

2022-08-08麻梦梦刘佳鑫

硅酸盐通报 2022年7期

张阳，麻梦梦，刘佳鑫，邓杰

(1.成都理工大学生态环境学院，成都 610059；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

0 引言

青藏高原约占我国陆地面积的四分之一，平均海拔在4 000 m以上，广泛发育着多年冻土和季节冻土，是世界上海拔最高、地形最复杂的高原冻土区[1]。季节性冻土中的水一般在冬季冻结，夏季融化，土体的物理力学性质会随着冻融过程的发展而发生动态变化[2]。季节性冻土区的重要问题之一是土壤在冻融作用下水理、物理及力学性质发生变化，这是因为冻融循环会导致土颗粒之间的连接结构以及排列方式发生改变[3]。而在冻融循环作用下，土质边坡稳定性下降的主要原因是土壤的抗剪强度参数在冻融循环下发生了较大变化[4]。

许多学者[5-9]已经进行了类似的研究工作，取得了一定的研究成果。在冻融循环条件下，青藏粉砂土抗剪强度随着冻融循环次数增加呈先降低后升高的趋势。在同一掺砂比例下，风化砂改良膨胀土的抗剪强度随冻融循环次数的增加而减小，最后逐渐趋于稳定[10]。Tang等[11]对膨胀土进行冻融试验，发现冻融次数存在阈值，随着冻融循环次数增加，膨胀土的有效剪切强度参数显著降低，然而，当冻融循环次数超过阈值时，冻融循环对膨胀土强度的影响并不显著。

青藏高原地区交通不便，就地取材进行土壤改性，从而提升土体力学性能，能够大幅减少工程成本[12]。加入水泥、石灰、粉煤灰等无机结合剂可以提高土壤在冻融条件下的抗剪强度，使土壤的物理力学性能得到改善。向土壤中添加水泥来提高土壤强度和稳定性是一种应用广泛的技术，加入水泥的膨胀土表现出更强的延性[13]。生石灰是非水合氧化钙，它从潮湿的土壤中吸收水分变成氢氧化钙，增强了土颗粒之间的黏结强度，从而提高土壤强度[14]。然而，这些化学外加剂会导致土壤硬度提高，增加生物对土壤的不适应性。同时，青藏高原地区生态环境极为脆弱，一经破坏极难恢复，所以在季节性冻土地区修建道路工程时，除了对土壤进行力学改性，还需要考虑保护脆弱的生态环境。为减少对环境造成的影响，本试验使用糯米浆对石灰土进行改良。一方面糯米浆为有机物，属于无污染材料；另一方面，糯米浆与石灰可通过诱导作用和协同作用生成更加致密的晶体，使改良土的无侧限抗压强度得到极大提升[15-16]。糯米浆中的支链淀粉能有效改善土壤强度，糯米浆三合土的抗压强度、劈裂抗拉强度、表面硬度与普通三合土相比均有所提高[17-18]。而且糯米浆在中国古代建筑史上有着重要作用，对古建筑的修复和保护都具有重要意义[19]。

目前相关研究揭示了糯米浆对改良土抗剪强度与耐久性的影响，糯米灰浆加固灰土的机理[20-21]，砂土中糯米浆和石灰的加固机理[22]，以及冻融后粗粒盐渍土的抗剪强度特性[23]，但以糯米浆和石灰为外加剂的季节性冻土地区土壤在冻融作用下的力学性能改性与破坏机理研究较少。因此，本文拟向石灰改性的季节性冻土中掺入不同质量浓度的糯米浆进行改良，在不同冻融循环次数下进行直接剪切强度试验，研究不同糯米浆浓度、冻融循环次数对改良土抗剪强度的影响，为青藏高原地区工程建设的路基填土改性提供参考。

1 实验

1.1 材料

土样取自道路沿线地区洛隆县，为低塑性砂土，颜色为棕褐色，无明显气味，夹杂有植物根系(见图1)，试验土样的基本物理指标：天然含水率为22%，密度为2.65 g/cm3，塑限为21.7%，液限为36.5%，塑性指数为14.8。土粒级配曲线如图2所示。

图1 现场调查及取样Fig.1 Site investigation and sampling

图2 土样颗粒曲线Fig.2 Soil particle curve

选用糯米浆和石灰两种外加剂对土样进行改良。试验中掺量按质量分数计，配制土样的糯米浆掺量分别为2%、4%、6%和8%。按照设定掺量，向水中加入糯米粉并不断搅拌，使糯米粉充分溶解在水中，在80 ℃下加热搅拌3 h，直至达到糊化状态，静置后过2 mm的漏网，去除杂质，制备糯米浆。试样的含水率为22%，Nguyen等[24]和Broms等[25]研究表明石灰掺量为10%时可以较好地增强土壤力学性能，故本试验石灰掺量均为10%。石灰中氧化钙的含量≥95%(质量分数)。

1.2 试样制备

参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)制备试样。在制样前将土样在100 ℃烘箱烘干24 h，烘干土样碾散后通过2 mm的细筛，静置冷却24 h。其次称取土样所需的石灰初拌，再按22%含水率加入所需的糯米浆，使用小型搅拌机搅拌10 min，直至土样呈均匀膏状，无细小团聚体为止，搅拌完成后立即进行试样制作。

抗剪试样采用内径为61.8 mm、高为20 mm的标准环刀。为确保试验结果的可靠性，将搅拌土样放入环刀模具后，利用标准击实器分2层击实，每层25下。相关研究[26-27]表明，试样养护7 d的强度约为养护28 d强度的70%左右。考虑到冻融过程对水化作用的抑制，本试验中用塑料保鲜膜包裹整个模具，在(15±3) ℃下静置养护7 d。第8 d将试样进行冻融循环试验，在冻融循环试验中的时间不作为养护时间。

为了更好地进行对比，同时制备了素土试样(石灰掺量为10%，糯米浆掺量为0%)。本次试验考虑糯米浆浓度和冻融循环次数两个变量进行正交，共制备25组试样，每组制备6个试样。

1.3 试验方法

待改良土样养护完成后，开始进行室内冻融试验。为防止冻融过程中试样水分损失，将每个试样用塑料薄膜封闭好后置于冻融箱内。根据中国天气网查询结果，青藏高原地区昌都市冬季平均温度为-15～10 ℃，参照这一平均温度，土样在-15 ℃的恒温冷冻箱内冻结12 h，在10 ℃ 的恒温箱中融化12 h，此过程为一个冻融循环周期。研究[3，11，28-29]表明，8～12 次循环可以满足研究冻融作用对力学性质影响的要求。本次试验冻融循环周期分别为0次、1次、3次、6次、10次。

将每组试样在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa四种垂直压力下进行不固结不排水(快速试验)直剪试验，剪切量为6 mm，剪切速率为0.8 mm/min。直剪试验仪器采用国电南京自动化股份有限公司生产的DJY-4L四联等应变直剪仪。

2 结果与讨论

通过分析改良土样在不同糯米浆浓度与不同冻融循环次数下的应力应变曲线特征、黏聚力和内摩擦角的变化规律，研究糯米浆与冻融循环条件对改良土力学性能的影响。

2.1 不同糯米浆浓度下剪应力-剪切位移曲线及抗剪强度与竖向压力特征分析

图3(a)～(d)是改良土在不同糯米浆浓度下直剪试验的剪应力-剪切位移曲线。曲线峰值代表土样的抗剪强度。在相同糯米浆浓度下，改良土样的抗剪强度随着竖向压力(50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa)的提高呈上升趋势。糯米浆浓度对改良土样的抗剪强度有着明显的影响，在相同竖向压力作用下，随着糯米浆浓度的增加抗剪强度与竖向压力关系曲线呈一定规律变化。相同压力作用下，糯米浆浓度为6%的改良土的最大抗剪强度高于其他糯米浆浓度改良土的抗剪强度。

图3 糯米浆改良土直剪试验剪应力-剪切位移曲线Fig.3 Shear stress-shear displacement curves of direct shear test of glutinous rice slurry modified soil

随着糯米浆浓度的上升，土样的抗剪强度呈先上升后下降的趋势，说明过高浓度的糯米浆反而会造成改良土抗剪强度降低。这是因为掺入过量的糯米浆会对氢氧化钙结晶产生缓凝作用，使颗粒变得不规则，强度有所降低[33]。

2.2 冻融循环条件下剪应力-剪切位移曲线及抗剪强度与竖向压力特征分析

图4为糯米浆改良土冻融循环下的直剪试验剪应力-剪切位移曲线。由图可知，冻融循环会显著影响土体的剪应力-剪切位移曲线，具体表现为相同应变下0次冻融循环剪应力大于1次、3次、6次、10次冻融循环的剪应力，其中10次冻融循环剪应力最小。即随着冻融循环次数的增加，相同剪切位移下剪应力呈减小趋势。

图4 糯米浆改良土冻融循环下的直剪试验剪应力-剪切位移曲线Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of direct shear test of glutinous rice slurry modified soil under freeze-thaw cycle

图5是改良土在不同糯米浆浓度、不同循环次数下抗剪强度与竖向应力的拟合曲线。从图中可以看出：5条直线中，糯米浆浓度为6%时截距最大，即黏聚力最大;糯米浆浓度为6%时斜率最大，即内摩擦角最大。所以本条件下，糯米浆浓度为6%时，改良土抗剪强度提升幅度最大。添加糯米浆的改良土样黏聚力和内摩擦角明显高于未添加糯米浆土样，与未添加糯米浆的土样相比，6%糯米浆改良土的黏聚力提升幅度为17%。试验结果表明，添加糯米浆可以有效增加土样的抗剪强度。这是因为：(1)石灰中的氢氧化钙和空气中的二氧化碳发生碳化反应，生成碳酸钙晶体，糯米浆与碳酸钙晶体之间存在互相填充和胶结作用[30-31]；(2)糯米中最主要的成分是淀粉，在加热糊化后支链淀粉结构可以和石灰中的钙离子相互作用，增强土颗粒间的胶结效果[32]；(3)糯米浆与石灰在协同作用下形成网格体系，使土颗粒之间紧密连接，从而增强了土样的整体强度。

图5 糯米浆改良土抗剪强度与竖向压力的拟合曲线Fig.5 Fitting curves of shear strength and vertical pressure of glutinous rice slurry modified soil

结合图4和图5可知，在一定竖向压力下，随着冻融循环次数的增加，抗剪强度呈现出一定的规律变化，具体表现为1次冻融循环后，抗剪强度出现较大幅度降低，冻融次数为1～3次时，随着冻融循环次数的增加抗剪强度有所增加，而冻融次数为3～10次时抗剪强度逐渐降低。

未冻融改良土样抗剪强度均大于冻融1次、3次、6次、10次的改良土样，不同冻融循环次数下，糯米浆改良土样的抗剪强度整体大于未加糯米浆的土样，这表明改良土样的抗冻性能显著增强。改良土样抗剪强度与竖向压力的拟合曲线的拟合相关系数均大于0.96，说明拟合效果较好。

2.3 冻融循环条件下黏聚力与糯米浆浓度特征分析

图6为糯米浆改良土样的黏聚力与冻融循环次数的关系曲线。在相同糯米浆浓度下，随着冻融循环次数的增加，黏聚力均表现出先减小后增加，最后逐渐减小的变化趋势。具体表现为1次冻融循环后，改良土样黏聚力出现大幅度降低，糯米浆浓度为0%、2%、4%、6%、8%的改良土样黏聚力降幅分别为13.31%、12.20%、13.94%、10.46%、9.03%;在第1～3次冻融循环过程中，改良土样黏聚力逐渐增加；3～6次冻融循环过程中，糯米浆浓度为4%、8%时的改良土样有较大降幅，其余浓度的改良土样黏聚力基本不变；6～10次冻融循环过程中，改良土样黏聚力均逐渐降低。

同一冻融循环周期下，改良土样黏聚力均大于糯米浆浓度为0%的土样，随着糯米浆浓度增加，黏聚力先增大后减小，综合不同冻融循环次数，糯米浆浓度为6%时，改良土样的黏聚力提升幅度较大。

2.4 冻融循环条件下内摩擦角与糯米浆浓度特征分析

图7为糯米浆改良土样的内摩擦角与冻融循环次数关系曲线。冻融循环次数为0次、1次、3次时，随着糯米浆浓度的增加，改良土样内摩擦角先增加后减小；冻融循环次数为6次、10次时，随着糯米浆浓度的增加改良土样内摩擦角逐渐增加。同一糯米浆浓度下，1次冻融循环后改良土样的内摩擦角均减小，糯米浆浓度为2%、4%、6%、8%的改良土样的内摩擦角均大于糯米浆浓度为0%的土样。整体而言，随着冻融循环次数的增加，糯米浆浓度为6%、8%的改良土样内摩擦角较大。

图7 糯米浆改良土内摩擦角与冻融循环次数关系Fig.7 Relationship between internal friction angle of glutinous rice slurry modified soil and freeze-thaw cycles

在经过第1次冻融循环后，各土样的抗剪强度均大幅度下降，未添加糯米浆的土样黏聚力下降幅度较大，为13.31%。这是由于改良土孔隙中的水冻结成冰，体积膨胀，在膨胀压力的作用下，改良土样的内部结构发生损伤破坏，导致强度降低[29，34-35]。在经过1～3次冻融循环后，改良土样的抗剪强度反而有所提高。这是因为糯米浆和石灰协同作用生成的方解石晶体能够填充土颗粒之间的孔隙，有效提高了改良土样的黏聚力[29，31，36-37]。经过3～10次冻融循环后，冻融作用更为显著，使得土样的强度开始下降。这与韩春鹏等[29]和刘琳[37]的结论一致。