冻融循环下水泥改良风积沙力学性能研究_鲍硕超.pdf

第 卷 第 期 年 月吉 林 建 筑 大 学 学 报 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（）；吉林省教育厅科学技术研究规划重点项目（）；吉林省科技厅自由探索重点项目（）；吉林省科技厅重点研发项目（）作者简介：鲍硕超（），女，吉林省长春市人，副教授，博士 ：冻融循环下水泥改良风积沙力学性能研究鲍硕超，刘东跃，上官云龙，刘 铭，顾 强 吉林建筑大学 土木工程学院，长春 吉林建筑大学 交通科学与工程学院，长春 摘要：为研究吉林省双辽地区水泥改良风积沙路基稳定性，室内试验分析了冻融循环下力学参数变化规律 以吉林省双辽地区公路侧面风积沙为研究对象，采用 全自动三轴仪进行室内试验和试验分析 试验结果表明，随着水泥掺量的增加，改良土的峰值偏应力、粘聚力及内摩擦角都呈现增加的趋势 同一水泥掺量下，随冻融循环次数的增加，由于土中水分冰与水之间形态的变化，导致其体积发生变化，改良土的峰值偏应力、粘聚力及内摩擦角都呈现减小的趋势；水泥的掺入可以明显的改善风积沙的强度和变形特征，获得良好的工程路基性能，在吉林省双辽路基工程中具有良好的应用前景关键词：冻融循环；风积沙；水泥改良；三轴试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）,，:,:;我国地域辽阔，领土面积位于世界第三，但沙漠面积与领土面积同样位于世界第三 沙漠面积约 万，相当于我国青海省的面积 双辽市地处吉林省西南部，富含丰富的风积沙资源，但由于风积沙级配不良及保水性差等特性，在外力作用下极易松散和变形，导致其在施工过程中会出现一系列的问题，同时给当地人们生活及出行带来了一系列的困扰 因此，对风积沙进行适当改良和处理，对于风积沙地基性能的提升 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷以及风积沙工程危害的预防都有积极的影响 双辽地区属于典型的季冻土区域，对于冻融循环下风积沙力学性能的研究同样极为重要 世纪 年代，就在利比亚撒哈拉沙漠地区风积沙样进行了相关的试验分析和研究，提出风积沙可以作为筑路材料 等人通过使用三轴剪切试验，确定了冻融循环对剪切强度参数的影响 等人通过冻融循环试验，分析了不同玄武岩纤维和水泥含量、不同冻融循环和养护年龄的玄武岩纤维水泥固化风成砂的破坏特性 等人通过对水泥改良砂经，次冻融循环后试验结果发现，试样的强度和耐久性随冻融循环次数呈下降趋势 王澍通过改良风积沙进行单轴抗压强度试验及劈裂抗拉强度试验，研究冻融循环作用下不同配比风积沙改性土的强度变化规律 杨富根通过室内试验对不同配比风积沙改良土在冻融循环作用下的强度变化规律进行了研究 徐长文等人对冻融循环作用下纤维水泥改良风积沙力学性能影响的微观机理的研究，为沙漠季冻区铁路路基基床的设计与施工具有参考价值 赵昊宇等人以 水泥掺量作为改性基准，研究了混掺不同粉土的风积沙力学性能改进效果 鲍硕超等 人、严伟等人、吴燕开等人的研究也上述观点提供了理论参考目前，关于对吉林省双辽地区风积沙在冻融循环过程中力学性能变化的研究较少 鉴于此，本文以吉林省双辽地区风积沙为研究对象，通过三轴试验研究冻融循环作用下水泥改良风积沙的强度变化，以期为双辽地区水泥改良风积沙路基的设计与运营提供参考 试验土样 取样地点试验所用土取自吉林省双辽地区，取样位置为，土质疏松，表面缺少水分，呈黄色 当地土地多为沙土土质，如遇大风即飞沙走石，致使行车危险系数增加甚至寸步难行（如图 所示），影响通行安全图 取样点现场 土样的基本物理力学特性现场取原状土样后，根据公路土工试验规程（）进行基本物理性质指标的测试，所取土样粒度分布曲线如图 所示 由颗粒分析试验结果可知，分别为 ，及.，不均匀系数为 ，曲率系数为 ，说明土的级配不良 土样中粗粒组土粒质量大于总土质量 ，细粒组土粒质量为总质量 ，归类于含细粒土砂 同时对带回土样进行含水率试验、密度试验、击实试验、液塑限试验及三轴试验，具体试验结果见表 表 土样的基本物理力学性质 土质天然干密度（）天然含水率 最大干密度（）最佳含水率 液限 塑限 粘聚力 内摩擦角 含细粒土砂第 期鲍硕超，刘东跃，上官云龙，刘 铭，顾 强：冻融循环下水泥改良风积沙力学性能研究 100806040200小于某粒径的土质量百分数/%1010.10.01土粒直径/mm图 风积沙粒度分布曲线 2.001.951.901.851.801.75干密度/（gcm-3）0%水泥掺量4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量24681012含水率/%图 不同水泥掺量下改良风积沙击实试验 改良风积沙冻融循环试验 水泥改良风积沙试验所选改良材料为常用的普通硅酸盐水泥，代号为 ，其主要化学成分为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙 制备试样时，为保证试样含水率将土样置于烘箱内在温度 恒温下烘干 ，烘干土样过 筛并测定其初始含水率，按试验需求在土样中掺加试验设计中所需含水量，喷洒搅拌土样，搅拌均匀后放入密封袋 使土样充分浸润水分均匀分布 考虑到水泥与水会发生水化反应，水泥在制样前加入并充分拌匀 水泥掺量分别为其质量比的 ，质量比为水泥质量占试样总土样质量的百分比 试验采用圆柱形的重塑风积沙试样，试样高 ，直径为 ，根据路基路面压实度标准，水泥稳定土类基层最低压实度需大于等于 （重型击实），故选取压实度为 ，根据模具体积，使用最大干密度及最佳含水率计算试样所需重塑土质量，由于土样天然含水率为 ，含水率较低，故不同水泥掺量下各试样的干密度及含水率采用重型击实方法得出最大干密度及最佳含水率，击实试验结果如图 所示利用分层击实法制样共分 层，击实完毕后为保证其压实度使用液压机进行液压并脱模 考虑到水泥的水化反应，试样制备完成后使用保鲜膜包裹，放入恒温恒湿箱养护 后进行三轴试验 由于改良风积沙地基施工中路堤快速堆积，加荷载速度快，则利用室内 型应变控制式三轴仪对素土及不同水泥掺量改良风积沙试样进行不固结不排水三轴压缩试验，根据天然土层的平均主应力选择围压为 ，研究其在不同冻融循环次数下峰值偏应力、内摩擦角及粘聚力的变化规律 改良风积沙冻融循环试验冻融循环试验采用试样与三轴试样相同，试样制备完毕使用保鲜膜包裹后放入恒温恒湿箱进行养护 后，放入高低温交变试验箱如图（）所示 设置冰冻温度设置为 ，融化温度设置为 ，冰冻和融化时间均为 ，冻融循环次数分别为，次，破坏后试样如图（）所示（）三轴试样（）破坏后试样图 试样图片 吉 林 建 筑 大 学 学 报第 卷 冻融循环对改良风积沙力学性能的影响 冻融循环次数对峰值偏应力影响偏应力能直观反映土体在不同围压下的抗剪强度及其力学性能，同时也是研究土的本构模型构建指标之一 依据摩尔库伦强度准则，峰值偏应力也是内摩擦角与粘聚力求解的关键指标 本试验结果应力 应变曲线为软化曲线，故取偏应力最大值为峰值偏应力 图 为不同冻融循环次数试样在三轴试验下的峰值偏应力变化规律曲线1 2001 0008006004002000（1-3）max/kPa0246810121416冻融循环次数/次素土4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量1 2001 000800600400200（1-3）max/kPa0246810121416冻融循环次数/次素土4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量1 4001 2001 000800600400200（1-3）max/kPa0246810121416冻融循环次数/次素土4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量 （）围压 （）围压 （）围压图 不同围压下峰值偏应力随冻融循环次数变化关系 通过图 可以发现，同一围压下水泥掺量及冻融循环次数及围压对峰值偏应力具有显著的影响，随水泥掺量的增加试样峰值偏应力逐渐升高，随着冻融循环次数的增加，峰值偏应力呈现降低的趋势，其中第 次与第 次冻融循环下变化最为明显，后面趋于平缓 这是因为水泥会发生水化反应产生水化胶凝物质，使得土颗粒间的咬合与胶结作用得到提升，前 次冻融循环对试样内部造成了巨大的损伤，使土体结构发生变化 冻融循环的过程中，由于土体内部水分转化为冰，体积膨胀产生冻胀力，增大土颗粒之间的间距，而融化的过程则与冻结的过程相反，冰的融化又会导致水分的体积减小，在其涨缩变形的影响下导致土体遭到严重的破坏，同时也使得胶凝材料的粘聚性能减弱，导致其结构稳定性降低 经过第 次冻融循环后，由于试样由保鲜膜密封养护，外界水无法进入试样，试样内部水分分布逐渐趋于稳定，其强度也逐渐趋于稳定 总体来看，在相同水泥掺量下，随围压增大，试样峰值偏应力越大，这也符合土的压硬性变形特征 冻融循环次数及水泥掺量对内摩擦角影响通过图 可知，素土试样内摩擦角随冻融次数增加上下波动，没有明显的规律性可言，冻融次数对素土试样内摩擦角影响并不明显4035302520内摩擦角/素土4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量0246810121416冻融循环次数/次图 内摩擦角随冻融循环次数及水泥掺量变化关系 250200150100500粘聚力/kPa素土4%水泥掺量8%水泥掺量2%水泥掺量6%水泥掺量10%水泥掺量0246810121416冻融循环次数/次图 粘聚力随冻融循环次数及水泥掺量变化关系 第 期鲍硕超，刘东跃，上官云龙，刘 铭，顾 强：冻融循环下水泥改良风积沙力学性能研究 因为风积沙颗粒表面较为光滑，冻融循环只对其间距产生影响，并未对土颗粒造成太大影响，其数值上下波动可能是由于试验过程中受到外界因素的影响，外界因素包括机器误差、操作手法等 改良风积沙试样随冻融循环次数的增加，总体呈现下降趋势，且 次冻融及 次冻融对于其影响最大，随着冻融循环次数的增加，内摩擦角逐渐趋于稳定 水泥掺量对内摩擦角也具有很大影响，随着水泥掺量的增加，试样的内摩擦角呈现增加的趋势 这是因为水泥会发生水化反应产生水化胶凝物质，并生成（）及钙矾石晶体经过一定时间后，长纤维晶体从颗粒上长出，导致土颗粒间的表面摩擦力增加，同时颗粒间的嵌入所产生的咬合力都对内摩擦角有提升作用 冻融循环过程中试样内部水分转化为冰，增大土颗粒间距，导致土颗粒间结构发生破坏，降低了土颗粒间的咬合与胶结作用，导致内摩擦角降低 冻融循环次数及水泥掺量对粘聚力影响通过图 可知，素土试样随冻融循环次数增加呈现降低的趋势，改良试样粘聚力随水泥掺量增加而增加，掺量下对于粘聚力的提升最为明显，之后增长速率变缓 这是由于水泥与风积沙中的水分之间的水化反应及水化物的形成都需要水的充分参与，随着水泥掺量的增加，水泥与风积沙中的水分水化作用不能充分发挥，导致粘聚力的增长速率变缓 同一水泥掺量下，粘聚力随冻融次数的增加呈现下降的趋势，前 次下降趋势较为明显，次后趋势趋于平缓 这是因为水泥与风积沙中的水将发生各种水化反应，通过这些水泥水化反应所生成的胶凝物质可作为骨架胶结材料，形成以胶结力为主的改良风积沙结构性强度，并体现为改良风积沙粘聚力 随着冻融循环次数的增加，试样的粘聚力逐渐下降，表明当试样经历冻融循环后土颗粒间的距离将随之增大，导致试样粘聚力下降 这与前面有关峰值偏应力及内摩擦角的分析也相互印证通过以上试验分析可以看出，冻融循环对试样峰值偏应力、内摩擦角及粘聚力的影响主要是因为试样内部水分在冻结过程中体积膨胀产生膨胀力，导致土体内部产生裂缝，使土颗粒间的咬合与胶结作用降低 同时水泥的掺入可以明显的改善风积沙的强度和变形特征，获得良好的工程路基性能，在吉林省双辽地区路基工程中具有良好的应用前景，这将节省大量工程材料，降低施工费用 结论通过对吉林省双辽地区风积沙在不同冻融循环下的三轴试验，分析了冻融次数对土体强度指标的影响规律，得到了以下结论：（）改良后的风积沙与未改良的风积沙相比，由于水泥水化反应产生胶凝产物，对其峰值偏应力、粘聚力、内摩擦角均有显著提升（）同一水泥掺量下，随冻融次数增加，试样峰值偏应力、粘聚力、内摩擦角都呈现下降趋势，次下降幅度最大，次后趋于稳定（）水泥能明显改善吉林省双辽地区风积沙的强度和变形特征，具有良好的工程路基性能，这将为双辽地区路