湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料冻融循环试验研究

2023-10-23金生莲杨作青曾海珍朱彦鹏

岩土工程技术 2023年5期

关键词：红砂岩陷性冻融循环

金生莲杨作青张鑫曾海珍朱彦鹏

（1.甘肃西部岩土工程有限责任公司，甘肃兰州 730050；2.兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

0 引言

建筑主体施工完成后，通常需对基槽进行回填。当回填材料和填筑施工质量存在问题时，在地表超载、地下水渗流及自重作用下，回填区易产生大面积不均匀沉降，给后期建筑物正常使用带来诸多安全隐患。

针对这一问题，国内外学者根据工程需要和岩土材料特性，研发了利用水泥和水加入原位土均匀拌合后强度满足要求的水泥土填筑材料。当前水泥土填筑材料的应用已日趋广泛，但在干湿交替频繁的冻土地区使用水泥土时，对其抗冻性能提出了更高的要求。

Shibi 等[1]、Kamei 等[2]等研究了冻融条件下废石膏和粉煤灰对水泥土耐久性能的影响，发现双掺废石膏和粉煤灰能够有效提升水泥土的强度和耐久性；Lu等[3]研究了不同含盐量对水泥固化土强度的影响，研究发现固化土的抗压强度值随着含盐量的不断增加呈现先增加后降低的趋势；Gao 等[4]研究了冻融循环作用下纤维对水泥土静动态力学的影响，发现纤维的掺入提高了冻融循环作用下水泥土的波速、无侧限抗压强度、动态抗压强度和吸收能。伍永平[5]开展了偏高岭土水泥土在不同侵蚀环境下的耐久性试验，试验表明掺加偏高岭土能提高水泥土的耐久性。其他相关研究也表明在土体中掺入不同的物质可以改善重塑土的抗压强度[6-12]。我国西北地区存在着大量的湿陷性黄土、红砂岩等基坑开挖废弃土方，针对上述材料参考水泥土的方法制备湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料进行工程应用是可行且符合绿色发展原则的。西北地区属于典型的季节性冻土地区，土体每年会经历数次冻融循环过程，因此在确定湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料最优配合比的过程中还应考虑其抗冻性。目前存在一定数量的水泥土材料抗冻融循环性能研究，但针对湿陷性黄土、红砂岩工程开挖废料制备水泥土的研究尚不多见，因此利用冻融循环试验对其破坏机理以及提高其冻融耐久性的措施进行研究具有重要的工程应用价值。

从工程开挖废弃材料重复利用的角度出发，基于正交试验，对湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料的最优配比进行了研究，并通过冻融循环试验对最优配比集成水泥土的抗冻性能进行了分析，验证了湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料用于工程回填的可行性。

1 湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料正交试验设计

1.1 试验材料

（1）湿陷性黄土

试验所用湿陷性黄土取自兰州市某处深基坑工程，如图1 所示。

图1 工程开挖湿陷性黄土

（2）红砂岩

试验所用红砂岩取自兰州市某处深基坑，如图2 所示。该红砂岩原样土的渗透系数范围为1×10-4～1×10-3cm/s，黏聚力为43 kPa，内摩擦角30°～40°。

图2 工程开挖红砂岩

1.2 正交试验方案设计

本次试验选取湿陷性黄土和红砂岩比例、水泥掺量、用水量3 种因素，每个因素5 个水平，将无侧限抗压强度作为评价指标。对于3 因素5 水平的试验研究，如果进行常规的全面试验，共需要125 次试验，工作量大，采用正交试验进行研究可极大地减少工作量。正交试验采用规范化的表格设计试验方案，可以用较少的试验次数并且在不影响全面了解试验因素对评价指标影响的情况下，取得较为可靠的试验结果。本次试验采用L25（56）正交表（见表1），考虑试验误差的影响，不考虑因素间的互相作用，共有25个配合比（试验方案），每个配合比分别设置3 个平行试验。

1.3 试验方法

试验准备阶段首先将工程开挖湿陷性黄土进行过筛，除去结块黄土和杂物后作为细集料使用；开挖出的红砂岩进行机械破碎后，取粒径在2～5 mm 的部分作为粗集料使用。集料准备完成后，根据选择的配合比，依照《混凝土物理力学性能试验方法标准》[13]进行制备试样，试样选择边长为100 mm 的立方体，每组试样制备3块，取试验平均值以减少误差。制样24 h 后及时脱模并置于标准养护条件（温度20±2 ℃，湿度95%以上的环境）进行养护，待达到28 d龄期后进行强度测试。

采用微机控制压力试验机进行无侧限抗压强度测试，且符合国家标准《试验机通用技术规程》（GB/T 2611）相应的规定，测量精度为±1%，同时试验机具有加载速率控制装置，能满足均匀且连续加载的要求，本次试验速率为0.1 kN/s。试样在抗压强度测试中的破坏形态如图3 所示。

2 试验结果分析

2.1 正交试验结果

采用极差分析和方差分析法，确定每种因素对抗压强度的影响规律以及每种因素对抗压强度影响的敏感性。无侧限抗压强度测试结果见表2，表中数据取3 组平行试验的平均值。

表2 正交试验结果

2.2 极差分析

表3 显示了无侧限抗压强度的极差分析结果。其中Ki（i=1，2，3，4，5）为某因素第i个水平的指标之和，ki为其指标之和的平均值；R表示Ki中最大值与最小值的差值，R值越大，说明对因素对指标的影响越强，即因素对指标越敏感。

从表3 可以看出，各影响因素对抗压强度影响的敏感性大小顺序为水泥含量→用水量→黄土与红砂岩的比例。下面就这三种因素对抗压强度的影响进行分析。

（1）湿陷性黄土与红砂岩比例效应曲线

湿陷性黄土与红砂岩比例效应曲线图如图4 所示，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料的k值随着湿陷性黄土与红砂岩比例增大先增大后减小。当黄土与红砂岩的比例为75∶25时，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料的k值达到峰值，此时k值为2.186。即当水泥含量和用水量一定时，湿陷性黄土与红砂岩比例为75∶25 的湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件强度达到最优。因此确定湿陷性黄土与红砂岩最优比例为75∶25。

（2）水泥掺量效应曲线

水泥掺量效应曲线图如图5 所示。由图5 可以看出，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件的k值随着水泥掺量的增加而增大，其原因是水泥水化产物填充土颗粒间的空隙形成水泥石骨架，约束原本松散的土颗粒，产生一定强度骨架。因此水泥土填筑材料中最佳水泥含量应根据实际工程强度需求进行选择，本试验中取15%。

图5 水泥掺量效应曲线图

（3）用水量效应曲线

用水量效应曲线图如图6 所示。由图6 可以看出，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件的k值随着用水量的增大先增大后减小。当用水量为20%时，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件的k值达到最优。

图6 用水量效应曲线图

2.3 方差分析

通过极差分析可以得出不同试验因素对指标（抗压强度）影响的大小，但采用方差分析方法可以就试验因素对试验指标影响的显著性做出更明确的评价，从而更加准确地确定湿陷性黄土和红砂岩的比例、水泥掺量、用水量的最佳配合比。方差分析结果见表4。表4 中F表示分布临界值：F0.01（4,4）=16，F0.05（4,4）=6.39，F0.1（4,4）=4.11。

表4 方差分析结果表

根据表4 结果可知，水泥掺量与用水量对湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件强度的影响显著，而湿陷性黄土与红砂岩比例对其影响不显著。这一结论与极差分析中湿陷性黄土与红砂岩比例、水泥掺量和用水量这三个因素对强度影响的大小规律一致，验证了极差分析的可靠性。

根据极差和方差的综合分析结果，综合考虑经济因素，得出湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件的最优配合比（见表5）。

表5 湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料最优配合比

3 最佳配合比下集成水泥土冻融循环试验

3.1 试验方案

冻融循环试验中水泥土试样为边长100 mm 的立方体。在正交试验得出的最佳配合比（湿陷性黄土与红砂岩比例为75∶25，水泥掺量为15%，用水量为20%）的基础上，制作湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试样及相同条件下的素水泥土（湿陷性黄土掺量为100%，水泥掺量为15%，用水量为20%）试样各6组，每组制作3 个平行试样。前五组试样进行冻融循环试验，冻融循环次数分别为5 次、10 次、15 次、20 次和25次，最后一组不进行冻融循环试验，作为对照组使用。试件制作完成后，将两组水泥土试样放入标准养护箱（温度为20±2 ℃，相对湿度为95%）中养护28 d 后再进行冻融循环试验。

养护结束后，将两组水泥土试件放置在冻融循环试验箱内，按照冻融循环试验要求设置循环组态后，开始试验。在冻融循环试验前，对素水泥土试件与湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件分别进行质量测定，在对两组水泥土试件进行5 次、10 次、15 次、20 次、25 次冻融循环试验后，分别对试件质量进行测定，并对每组试件进行无侧限抗压强度试验。

3.2 试验结果分析

（1）强度结果与分析

对经历不同次数冻融循环试验的水泥土试件进行无侧限抗压强度试验，根据在水泥土试件冻融循环试验前和经过5 次、10 次、15 次、20 次和25 次冻融循环试验后抗压强度值，绘制出水泥土冻融循环试验后的强度变化图，如图7 所示。

图7 水泥土冻融循环试验无侧限抗压强度变化图

由图7 可知，经历相同次数的冻融循环试验后，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件其无侧限抗压强度值明显高于素水泥土试件。经过25 次冻融循环试验后，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件与素水泥土的无侧限抗压强度分别下降了66.1%、68.9%。

（2）质量变化分析

冻融循环试验前，称量湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土件与素水泥土水泥试件，在完成5 次、10 次、15 次、20 次和25 次冻融循环试验后，分别称量冻融循环后试件的质量。试件在经历冻融循环后质量的变化用质量变化率来表示，记作Wn。试件的质量变化率用如下公式计算：

式中：Wn为水泥土试件的质量变化率，%；m0为水泥土试件冻融循环试验前的质量，g；mn为水泥土试件进行第n次冻融循环后的质量，g。

根据质量变化绘制质量变化率随冻融循环次数的变化曲线（见图8）。由图8 可知，在相同的冻融循环试验条件下，经过5～12 次冻融循环过程，素水泥土试件及湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件的质量均出现增长现象，素水泥土试件的质量增长略高于湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件；在12～25 次冻融循环过程中，素水泥土试件与湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件均出现质量损失现象，随冻融次数的增加，素水泥土试件的质量损失更为明显。

图8 水泥土质量变化率点线图

（3）外观分析

图9、图10 分别为素水泥土、湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试样经冻融循环试验后试样外观图。

图9 素水泥土试件冻融循环下试件外观图

图10 湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土填筑材料试件冻融循环下试件外观图

由图9 可知，对于素水泥土试件，经过5 次冻融循环试验后，试样表面与初始状态相比没有太大变化，在冻融循环5 次和10 次之间没有显著差异。但在15 次冻融循环试验后，试件表面发生变化。经过20次冻融循环过程后，试样表面的裂纹比冻融循环15次的裂纹大，试样周围的土体出现脱落现象。经25次冻融循环后，试件上部和下部周围的土体发生严重的变形。由图10 可知，对湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件，冻融循环5 次后，试件表面无裂纹。在经过冻融循环10 次后，试件的表面仍然没有出现裂缝，但可看出试件的表皮有轻微脱落的现象。比较经过15 次及10 次冻融循环试验的试样，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件没有显著差异。在经过20 次冻融循环过程后，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件表面出现明显裂缝，试样上部的棱角缺失。当完成25 次冻融循环试验后，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件表面的裂缝明显增多，表面有一小部分表皮脱落。

通过对比试件外观损伤程度发现，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件具有一定抵抗冻融循环过程破坏的能力，结合抗压强度变化可知其抗冻性能优于素水泥试件。

（4）应力-应变分析

应力-应变曲线可以较好地反映水泥土试件在不同应力阶段的变形能力和抵抗破坏的能力。同时，也能清楚地反映水泥土试件的力学性能，为湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件在实际工程中的应用提供理论依据。

对均未进行冻融循环作用的湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件与素水泥土试件的无侧限抗压强度试验结果进行应力应变分析，得出试件的应力-应变曲线（见图11）。

图11 冻融循环试验下水泥土应力-应变曲线

由图11 可得，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土与素水泥土试件的应力-应变曲线均呈先增大后减小的趋势，在试验初期其增长速度较为缓慢，后呈快速增长的趋势，在达到应力最大值后，随应变的增加，其应力呈减小趋势。且素水泥土的应力-应变曲线在各个阶段的增长速度及其应力最大值始终小于湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件的增长速度及其应力最大值。

由图11 可以看出，湿陷性黄土-红砂岩集成水泥土试件的变形可分为4 个阶段：压缩阶段、弹塑性变形阶段、强度下降阶段和残余强度阶段。在压缩阶段，应力-应变曲线呈现下凹趋势，应力值缓慢增加；在弹塑性变形阶段，水泥土试件的应变不断增加，应力达到最大值，对应的应变最大值约为8%；在强度下降阶段，应变继续增大，应力开始迅速降低，集成水泥土试件的裂缝不断增加；在残余强度阶段，集成水泥土试件应力-应变曲线变得平缓，但仍存在一定的残余强度，试件抵抗变形的能力不断降低。