凍融循環作用下改良灰土力學特性與孔隙特征試驗研究

劉春龍，劉奉銀，黃素娟，付 爭，3，王 銳，王松鶴

（1.平陽縣交通運輸局 公路與運輸管理中心，浙江 平陽 325400；2.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；3.西安特變電工電力設計院，陜西 西安 710119；4.東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

實際工程中利用石灰加固土應用較為廣泛，尤其是固化濕土效果更顯著［1］，主要是石灰在土體中發生一系列化學和物理化學作用，包括離子交換、結晶作用和碳化作用等［2］。對于軟土地區，路基填筑材料受宕渣資源緊缺和溫差變化的影響，為實現就地取材，因地制宜，降低成本，將宕渣填筑變更為石灰土填筑是一個很好的選擇，但灰土回填后碳化時間長、硬化速率慢、強度較低，因此，能夠使灰土在不完全依靠碳化而快速形成強度，且對受溫度影響小的改良灰土是值得研究的。偏高嶺土是一種高活性礦物摻合料，其活性成分SiO2和Al2O3與石灰發生火山灰反應［3-4］，該反應具有速度快，受環境影響小，水化產物強度高等特點，且偏高嶺土具有生產工藝簡單、造價低等特點，成為目前改良灰土的材料之一。我國多年凍土和季節凍土區占陸地國土面積的一半以上，凍融循環作用對工程的建設和運營影響較大［5］。因此，有必要研究改性灰土在凍融循環條件下的力學特性，以期更好地為實際工程服務。

目前，利用水泥以及化學試劑等對土進行固化的研究較多，但這些材料在生產上均存在一定污染。因此，高效、無污染的活性礦物如偏高嶺土、硅灰、粉煤灰等逐漸走入科研工作者的視野。偏高嶺土（AS2）是由高嶺土（AS2H2）經過適當溫度煅燒后形成的人工火山灰材料，與熟石灰（CH）和水（H）發生火山灰反應，生成與水泥材料相似的水化產物，包括水化硅酸鈣（CSH）、水化硅鋁酸鈣（C2ASH8）、水化鋁酸四鈣（C4AH13）和水化石榴石（C3A（S）3-xH2x）等，這些水化膠凝物粘結在土顆粒周圍，在空間上形成強度骨架，增強灰土材料力學性能［6-7］。國內外學者對火山灰反應的水化產物進行了大量研究，發現反應產物受偏高嶺土與石灰比例（主要是Si/Ca），偏高嶺土自身成分的Si/Al 比，養護環境如CO2濃度、溫度和濕度、養護時間等的差異而存在變化。Serry 等［8］首先對偏高嶺土與石灰水化產物進行研究，晶體相主要是水化硅鋁酸鈣（C2ASH8）。Comel［9］對堿激發材料進行研究，發現常溫條件下偏高嶺土與石灰反應生成C2ASH8和CSH 的同時，伴隨有C4AH13或單碳鋁化合物（C4AC_CH11）產生。偏高嶺土與石灰發生火山灰反應的方程式可用式（1）～（3）表示。偏高嶺土、粉煤灰、硅灰、煤矸石等工業固廢價格較低。劉春龍等［10］對偏高嶺土改良灰土材料進行研究，發現加入10%的偏高嶺土使灰土產生帶狀分布的凝膠物質，其力學性能較石灰土材料更優異。在此基礎上，改性灰土的力學性能受溫度影響的規律需要進一步探討。目前，國內外學者對土體遭受凍融循環進行了大量研究，發現水分遷移及結構性發生變化是其強度弱化的根本原因，且這一過程的水-熱-力-氣變化極其復雜［11-14］。綜上所述，對灰土的改良及應用研究較多，其力學性能受低溫影響需要進一步討論，尤其是凍融循環次導致的內部孔隙率變化與強度的關系。

本文考慮灰土反應速率和凍融循環條件，擬從灰土的力學參數和孔隙率入手，研究偏高嶺土改良灰土的可行性。首先分析偏高嶺土改良灰土的力學參數與凍融循環次數的關系，然后利用數字圖像處理技術得出孔隙率與凍融循環次數的關系，在此基礎上建立力學參數與孔隙率的關系，最后通過討論齡期、石灰含量和含水率變化規律，分析偏高嶺土改良灰土的機制。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試樣制備

試驗材料包括粉質黏土、石灰、偏高嶺土和蒸餾水，其中粉質黏土的最大干密度為1.63 g·cm-3，對應的最優含水率為19.5%，粉質黏土物理性質見表1。

表1 粉質黏土的基本物理指標Table 1 Basic physical parameters of silty clay

稱取一定質量的粉質黏土（msc），分別摻入不同比例的石灰（L）和偏高嶺土（MK），制備偏高嶺土-灰土試樣Lm-MKn（m為石灰含量，n為偏高嶺土含量），如表2～3 所示。表2 中MK 含量分別為0%、3%、7%和10%（MK 與msc比值），表3 中L 含量分別為7%、10%、13%和16%（L 與msc比值），分別研究MK 和L 含量對試樣強度的影響（A-1 組與B-3 組相同）。試樣中水固比為30%（水與干燥固體粉末質量比值），按照《土工試驗方法標準》［15］制備?39.1×80.0 mm 干密度為1.52 g·cm-3的試樣，將試樣放入溫度20±0.1 ℃、濕度為95%±5%的干燥器中，分別養護3 d、7 d、14 d 和28 d，進行無側限抗壓強度試驗。

表2 偏高嶺土改性灰土試驗方案（質量比）Table 2 Test plan of metakaolin modified lime（mass ratio）

表3 石灰含量試驗方案（質量比）Table 3 Test plan of lime content（mass ratio）

1.2 凍融循環試驗方案

為研究凍融循環對Lm-MKn強度和表面孔隙的影響，另制備表2 中?39.1×80.0 mm 和?70.0×10.0 mm 的試樣，養護7 d 后，將試樣放置在DWX-150-30 型恒溫冷藏箱（±20 ℃）進行凍融循環試驗。試驗采用封閉不補水環境，分別對凍融循環次數為0、2、5、7、10、15 和20 次的?39.1×80.0 mm 試樣進行無側限抗壓強度試驗和三軸剪切試驗，對?70.0×10.0 mm 試樣進行表面觀測。其中，凍8 h、融8 h為1次凍融循環周期，如圖1所示。

圖1 凍融循環時間歷程Fig.1 Freeze-thaw cycle time history

1.3 數字圖像處理方法

數字圖像處理是將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。目前，數字圖像的彩色信息表達方式常用RGB 模型，它是使用紅、綠和藍三原色亮度來定量表示彩色顏色。利用現有圖像處理軟件可以輕松實現圖像的變換、編碼壓縮、分割、描述、增強和復原。許多學者利用數字圖像處理技術對土體微細觀結構和宏觀力學性質的定量關系進行了大量研究，并建立了一定的關系［16-17］。本文利用MATLAB 軟件識別微孔隙結構并計算孔隙率，計算過程如下：

（1）將經受凍融循環后的試樣放置在帶有固定卡槽的裝置上，保證對試樣每次拍攝的位置相同。

（2）使用Photoshop 軟件的圓形選區工具，將拍攝好的照片去除背景，只留下試樣部分，記錄圓形選區的像素半徑，計算照片中的總像素值。

（3）使用MATLAB 將僅有試樣部分的照片進行灰度處理，其中MATLAB 的命令函數為grb2gray。

（4）使用MATLAB 中的im2bw 函數對灰度圖像進行二值化，圖像閾值選擇Graythresh 函數，它使用最大類間方差法，能夠自動找到圖像一個合適的閾值。

（5）利用MATLAB 中的numel 函數，讀取圖片中的孔隙數量，利用步驟（2）計算的總像素值計算凍融循環后試樣產生的孔隙率。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度與凍融循環次數的關系

根據表2的試驗方案，將齡期為7 d的灰土試樣（L13-MK0）和偏高嶺土灰土試樣（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）取出，分別進行相應次數的凍融循環并測試試樣的無側限抗壓強度，試驗結果如圖2 所示，并對試驗結果進行擬合，擬合函數及各項系數如表4所示。

圖2 凍融循環次數與無側限抗壓強度的關系Fig.2 Relationship between freeze-thaw cycles and unconfined compressive strength

表4 無側限抗壓強度與凍融循環次數關系的擬合公式Table 4 Fitting formula of the relationship between unconfined compressive strength and freeze-thaw cycles

由圖2可以看出，L13-MK0試樣7 d齡期的強度隨凍融循環次數的增加而呈減小趨勢，凍融循環10次后強度基本不發生變化。加入偏高嶺土的試樣，0 次凍融循環的強度明顯高于L13-MK0 試樣，且偏高嶺土含量越多強度越大。隨著凍融循環次數的增加，強度逐漸降低，但當凍融循環次數超過10 次后，強度有所回升，且增加幅度與偏高嶺土含量有關。這一特性在L13-MK0試樣中不存在，表明經偏高嶺土改良過的灰土試樣遭受凍融循環后強度已恢復，這主要是7 d 齡期的試樣偏高嶺土與石灰繼續發生火山灰反應造成的。

2.2 三軸剪切試驗結果與分析

與無側限抗壓強度的試驗方法相同，對齡期為7 d、不同凍融循環次數的灰土試樣（L13-MK0）和偏高嶺土灰土試樣（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）進行三軸剪切試驗，圍壓分別為50、100、150 和200 kPa，其黏聚力和內摩擦角與凍融循環次數的試驗結果如圖3 所示，二次函數擬合結果見表5～6。

圖3 凍融循環次數與黏聚力和內摩擦角的關系Fig.3 Relationship between freeze-thaw cycles and cohesion（a）and internal friction angle（b）

表5 凍融循環次數與黏聚力的擬合公式Table 5 Fitting formula between freeze-thaw cycles and cohesion

表6 凍融循環次數與內摩擦角的擬合公式Table 6 Fitting formula between freeze-thaw cycles and internal friction angle

由圖3 可以看出，隨著凍融循環次數的增加，L13-MK0 試樣的黏聚力和內摩擦角呈減小趨勢，當凍融循環超過10次后，其力學參數變化不大。加入偏高嶺土的試樣，當凍融循環次數超過10 次后，黏聚力和內摩擦角均有所回升，且隨著偏高嶺土含量的增多增加幅度越大，這與無側限抗壓強度的試驗結果基本一致。

3 孔隙特征與力學特性分析

3.1 凍融循環條件下試樣表面的變化

通過數字圖像處理技術，對凍融循環后灰土試樣（L13-MK0）和偏高嶺土灰土試樣（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）的照片進行二值化分析和孔隙參數提取，二值化處理結果和提取的試樣孔隙參數如圖4 所示。其中，A 圖為0 次凍融循環L13-MK0 試樣，B 圖為0 次凍融循環L13-MK10 試樣，C圖為20 次凍融循環L13-MK0 試樣，D 圖為20 次凍融循環L13-MK10試樣。

圖4 養護7天凍融循環試樣灰度結果與孔隙提取圖Fig.4 Gray-scale results（a）and pore extraction diagram（b）of freeze-thaw cycle samples after curing for 7 days

由圖4（a）可以看出，經歷20 次凍融循環后的L13-MK0 試樣表面變得較為粗糙，而L13-MK10 試樣表面變化不大。由提取的試樣孔隙圖4（b）可以看出，L13-MK0 試樣和L13-MK10 試樣在0 次凍融循環時，其表面存在一定的天然孔隙，隨著凍融循環次數的增多，孔隙逐漸增多。添加偏高嶺土的灰土試樣，在相同凍融循環次數下產生的孔隙數量均少于灰土試樣，可以看出偏高嶺土具有改善灰土表面結構的作用。

3.2 孔隙率與凍融循環次數的關系

利用MATLAB 圖像處理技術，可以計算出試樣的孔隙數量，與試樣的凍融循環次數的關系如圖5 所示，孔隙率與凍融循環次數關系的擬合公式見表7。

圖5 孔隙率與凍融循環次數的關系Fig.5 Relationship between porosity and freeze-thaw cycles

表7 試樣孔隙率與凍融循環次數的擬合公式Table 7 Fitting formula between sample porosity and freeze-thaw cycles

由圖5可以看出，齡期為7 d的試樣未經歷凍融循環，表面存在微孔隙，隨著凍融循環次數的增加，孔隙率呈增大趨勢。但偏高嶺土的加入能夠有效降低試樣表面孔隙率，且隨著偏高嶺土含量的增多孔隙率明顯降低，表明偏高嶺土能夠改善灰土微孔隙的產生。

3.3 孔隙率與黏聚力、內摩擦角以及抗壓強度的關系

由上述研究結果可以看出，凍融循環次數對灰土試樣的力學參數（黏聚力、內摩擦角和無側限抗壓強度）影響較大，其主要原因是凍融循環作用導致試樣內冰晶體反復凍融，一定程度上破壞試樣內部原有結構，使試樣內部孔隙率增大，但凍融循環次數影響力學參數只是表象，其根本原因還是試樣內部孔隙率決定。因此，將凍融循環次數作為中間變量，可以利用力學參數的擬合公式（表4～6）與孔隙率（表7）建立對應關系，結果如圖6～7所示。

圖6 孔隙率與無側限抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between porosity and unconfined compressive strength

由圖6～7 可以看出，L13-MK0 試樣的力學參數隨著孔隙率的增加而降低，而添加偏高嶺土的L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10 試樣，其力學參數呈先減小后增加的趨勢，且產生的孔隙率隨著偏高嶺土含量的增多而明顯降低，表明偏高嶺土與石灰發生火山灰反應能夠抵消冰晶體對灰土試樣結構的破壞，增強灰土抗凍融循環的能力。

4 討論

凍融循環導致L13-MK0 和L13-MK10 試樣的力學參數降低，但兩者的降低形式具有一定的區別。由圖3中無側限抗壓強度與凍融循環次數的關系可以看出，L13-MK0 試樣隨著凍融循環次數的增加，無側限抗壓強度（圖3）、黏聚力和內摩擦角（圖4）始終處于減小趨勢，達到10 次凍融循環后，其力學參數基本不發生變化，試樣在凍結過程中，Ca（OH）2以結晶體的形式粘結在土顆粒間。凍結過程與碳化作用爭奪水分，使灰土碳化較慢，且產生孔隙較多。偏高嶺土的加入使灰土強度的形成不只依靠碳化作用，經歷20次凍融循環的試樣，其養護時長比經歷10次凍融循環試樣多80 h正溫齡期，偏高嶺土與石灰在正溫條件下繼續發生火山灰反應，這是隨著凍融循環次數的增加力學性能略有恢復的原因，也是灰土材料所完全不具備的［18-19］。

圖7 孔隙率與黏聚力和內摩擦角的關系Fig.7 Relationship between porosity and cohesion（a）and internal friction angle（b）

為進一步研究偏高嶺土改良灰土力學性能的機理，分析試樣齡期、石灰含量對灰土試樣強度的影響及含水率變化規律，對表2 中試驗結果進行討論。

4.1 齡期對偏高嶺土改良灰土的影響

對表2 中MK 含量分別為0%、3%、7%和10%，養護齡期分別為3 d、7 d、14 d 和28 d 的試樣進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖8所示。

圖8中L13-MK0試樣養護14 d后強度基本不發生變化，但隨著偏高嶺土含量的增多，試樣強度增長幅度增大，增加10%的偏高嶺土，其3 d強度由0.34 MPa增大到0.75 MPa，28 d 強度達到2.25 MPa，強度增長速率幾乎不變，這就可以解釋經歷20次凍融循環的試樣力學參數恢復的原因（圖2～3、圖6～7）：其強度是凍融循環、碳化作用和火山灰反應三者綜合作用的結果。

圖8 無側限抗壓強度與養護齡期的關系Fig.8 Relationship between unconfined compressive strength and curing age

4.2 石灰含量對強度的影響

表2 的試驗方案是按照含量百分比制定的，試樣總質量不變，但偏高嶺土的加入，導致石灰的絕對含量發生變化。為了分析石灰變化的影響，需要進行石灰含量與灰土強度的試驗（表3）。其中，L分別為7%（L7-MK0）、10%（L10-MK0）、13%（L13-MK0）和16%（L16-MK0），齡期為3 d、7 d、14 d 和28 d，試樣無側限抗壓強度試驗結果如圖9所示。

由圖9可以看出，3 d齡期的試樣強度基本相等，此時灰土以離子交換和結晶作用為主，碳化反應對強度的貢獻受石灰含量影響不大。隨著齡期的增加，灰土試樣強度逐漸增大，離子交換和結晶作用已經完成，碳化反應對強度的影響占主導地位。L含量為13%時強度達到最大（L13-MK0，該組試驗與圖8灰土試驗相同），當L 含量增加到16%時（圖9，L16-MK0），相當于MK 增加3%的試驗組（圖8，L13-MK3）。而兩者的強度規律完全相反，即L16-MK0試樣28 d 強度相較L13-MK0 試樣降低了14.3%，L13-MK3 試樣卻增大了31.7%，表明等量增加石灰的效果沒有添加偏高嶺土的效果好，見表8。

表8 偏高嶺土改良灰土強度對比Table 8 Strength comparison of metakaolin modified lime samples

圖9 無側限抗壓強度與石灰含量的關系Fig.9 Relationship between unconfined compressive strength and lime content

4.3 含水率的變化規律

含水率的變化對凍融循環條件下的試樣強度影響較大，凍融的本質是水-冰相變化的過程，因此，偏高嶺土改良灰土除了增加火山灰反應形成強度骨架外，含水率變化是影響強度和表面孔隙率的另一個原因。表2中L13-MK0和L13-MK10試樣的水固比均為30%，對2 組試樣的0 d、3 d、7 d 和28 d含水率進行比較，結果如圖10所示。

由圖10可以看出，L13-MK0試樣的含水率隨著齡期增長先減小后不變，這主要是因為石灰離子交換和結晶作用吸收水分，使試樣中的自由水含量降低，灰土碳化過程不再消耗水分。偏高嶺土的加入使灰土在離子交換和結晶作用的基礎上增加了火山灰反應，需要消耗大量的水分，隨著反應的進行，火山灰反應產物的變化導致試樣含水率回升（7 d齡期），但28 d的L13-MK10試樣含水率明顯低于L13-MK0試樣，表明火山灰反應的最終產物明顯降低了灰土試樣的含水率，從而影響凍融循環試樣的表面孔隙率。

圖10 含水率與養護齡期的關系Fig.10 Relationship between water content and curing age

5 結論

本文研究凍融循環條件下偏高嶺土改良灰土的力學特性和孔隙特征與凍融循環次數的關系，討論齡期、石灰含量和含水率的變化規律對偏高嶺土改良灰土的影響機制。主要得出以下結論：

（1）偏高嶺土能夠提高灰土材料的反應速率，改善灰土材料的無側限抗壓強度、黏聚力和內摩擦角。

（2）凍融循環條件下，偏高嶺土能夠改善灰土力學性能變差的特點，降低冰晶體產生的孔隙率。

（3）石灰含量達到一定值后，增加3%的石灰將降低強度的8.5%，而同質量的偏高嶺土強度增加34%。

（4）偏高嶺土發生的火山灰反應，增加試樣內部粘結力，且比灰土碳化過程消耗更多的水分，減少凍融循環條件下表面產生的孔隙率。