改性黄土的冻融特性

吕擎峰¹，李晓媛¹，赵彦旭²，王生新³

(1. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；

2. 中国铁建二十一局，甘肃 兰州，730000；

3. 甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州，730000)

摘要：研究冻融循环前后不同水泥石灰粉煤灰配比下改性黄土的无侧限抗压强度、渗透系数和微观结构等物理力学特性的变化。综合考虑强度、渗透性和抗冻融性能，提出改性黄土改性剂的最优配比，探讨冻融循环对改性黄土工程特性的影响。结果表明：在考虑冻融循环的条件下，4%~5%的水泥与6%的石灰及10%的粉煤灰的掺入不仅能有效地提高改性土的抗压强度，降低渗透系数，而且能够避免改性黄土因为刚性太大而引起的抗冻融能力下降的情况。3种改性剂的联合作用改变了黄土颗粒的排列和连结方式，从而能够提高改性黄土的强度和抗冻融能力。

关键词：改性黄土；冻融循环；强度；渗透性；微观结构

中图分类号：TU599            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)03-0819-07

Properties of modified loess under freeze-thaw cycles

L Qingfeng¹, LI Xiaoyuan¹, ZHAO Yanxu², WANG Shengxin³

(1. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment Mechanics,

Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

2. China Railway 21st Bureau Group Co., Lanzhou 730000, China;

3. Geological Hazards Research and Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Abstract: The modified loess physical and mechanical characteristics such as unconfined compressive strength, permeability coefficient and microstructure were tested under the freeze-thaw cycles of modified loess. According to the comprehensive strength, permeability and freeze-thaw resistance performance of the modified loess, the optimal ratio of the modifier and the influence of freeze-thaw in practical application were proposed. The results show that the loess by adding 4%-5% cement, 6% lime and 10% fly ash can not only has higher compressive strength and lower permeability coefficient, but also can avoid the decreasing of freeze-thaw resistance ability caused by its large stiffness. The micro experiment indicates that combined effect of the three modifiers can change arrangement and bond of soil particles, thus the strength and freeze-thaw resistance ability of modified loess are reinforced.

Key words: modified loess; freeze-thaw cycles; strength; permeability; microstructure

在我国广袤的西北地区，广泛分布发育着黄土，我国黄土及黄土状土覆盖的总面积约为70×10⁴ km^2[1]。由于黄土具有多空隙、垂直节理发育和透水性强等特点，使得黄土颗粒间胶结强度低，因此当黄土作为公路和铁路地基时容易发生透水和失稳等现象，严重威胁人民群众的生产和生活。此外，西北地区冬季漫长而又寒冷，昼夜温差大，长时间的冻融循环会导致黄土地基垂直方向渗透性的加大和结构性的变 化^[2]，其直接的后果就是季冻区道路边坡的失稳和道路的冻胀和翻浆^[3]。近年来，围绕改善黄土强度和渗透性等物理力学指标的讨论得到了广泛的重视，一部分成果已经成功地应用实践于工程建设项目中。如郭婷婷等^[4]在黄土中加入石灰和粉煤灰，发现二灰土的渗透系数能够达到10^-7数量级，抗剪性能大大提高，同时提出石灰、粉煤灰和黄土1:2:7的最佳体积配合比。夏琼等^[5]在黄土中加入粉煤灰和石灰水泥，5%的石灰和10%~30%的粉煤灰，或者2%的水泥和10%~30%的粉煤灰改性黄土强度的效果相当显著。西北地区恶劣的自然条件造成了黄土的反复冻融循环，徐实等^[6]在黄土中加入石灰进行了强度特性和抗冻融特性研究，发现石灰改性土的水稳性和强度都有明显提高；张立新等^[7]通过试验得出抑制冻胀的最佳石灰含量为12%~15%；王天亮等^[8]则选取东北黏性土加入水泥和石灰进行比较，发现冻融循环后的水泥土的黏聚力是石灰土的2~3倍。目前，在冻融循环的条件下利用水泥、石灰和粉煤灰联合改性黄土抗压和渗透性能的试验研究不是很多。本文作者主要针对改良黄土的抗冻融性能，通过在黄土中加入不同配比的水泥、石灰和粉煤灰，研究其冻融循环前后无侧限抗压强度和渗透性以及微观结构的变化，探讨冻融循环对改良黄土工程特性的影响，对改性剂的配比进行优选。

1  试样制备及试验设计

试验用黄土采自兰州市九州台，原状黄土呈浅黄色，土质疏松均匀，天然含水量较低。试验得兰州九州台黄土基本物理参数见表1。

本次试验采用水泥、石灰和粉煤灰联合加入的方法联合改性黄土，粉煤灰的掺和比参考以往试验结果^[9-10]确定为10%，而水泥石灰的不同掺和比下改性土性质的差异正是本试验研究的重点。所以本试验采用正交法，根据以往试验经验，在黄土中掺入10%的粉煤灰的基础上，水泥的掺和比(质量分数)分别为3%，4%，5%和6%，而石灰的掺入比为3%，6%和9%，从而研究讨论黄土在不同水泥和石灰改性剂的作用下物理力学参数变化规律。计入未改良压实黄土，一组13个试样。试件含水率和干密度按最优含水率和最大干密度配制，各试件编号及配料见表2。

表1  试验黄土基本物理性质

Table 1  Physical properties of loess soils

表2  改性黄土试样参数

Table 2  Parameters of modified loess specimens

本试验试件制作和试验过程严格按照《中华人民共和国土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)，并按表2所示各改性剂配比计算水泥、石灰、粉煤灰和水的用量。试件制样时首先在黄土中加入定量的石灰粉煤灰和水用搅拌器拌匀之后静置24 h，而后再加入水泥拌匀并迅速制样。此方法旨在使改性黄土试件中的水分布均匀并与改性剂充分接触反应。试件为圆柱体，直径为72.5 mm，部分渗透试验用试件在制样后用直径61.8 mm，高40 mm的环刀切样，在环刀中进行养护。试样用密封薄膜包裹以保持其含水率不变，在室内室温条件下养护28 d。

根据研究表明，经历8~10次的冻融循环之后，黄土与改性黄土的物理力学性质趋于稳定^[10]，故本次试验冻融循环的次数设定为10次。参考兰州地区冬季平均地表温度确定冻结温度为-15 ℃，融化温度为5 ℃，1次冻融循环为24 h，其中冻12 h，融12 h。冻融循环后的试件与未进行冻融循环的试件分别做无侧限抗压强度试验、渗透试验以及微观试验，以比较冻融循环下水泥石灰粉煤灰对黄土的改良作用。

2  无侧限抗压强度

本试验采用CSS-WAW300DL型电液伺服万能试验机测试冻融循环前后试件的无侧限抗压强度。试验操作严格参照《中华人民共和国土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)。图1所示为冻融循环前后抗压强度随石灰含量的变化，图2所示为冻融循环前后抗压强度随水泥含量的变化。

试验结果表明：未改性压实黄土冻融循环前无侧限抗压强度为0.2 MPa，冻融循环之后强度下降0.065 MPa。由图1和2可知：无论是冻融循环之前还是之后，改性黄土的抗压强度都较未改性压实黄土有了大幅度的提高，冻融循环前抗压强度最高能够提高24倍左右，而冻融循环后改性压实黄土的最优强度则比未改性压实黄土经冻融后的强度提高了整整30倍。也就是说，无论是否冻融，石灰水泥粉煤灰联合改性黄土能够较大程度的提高压实黄土的强度。究其原因，生石灰和粉煤灰混合后与水反应生成的水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物在空气和水中逐渐硬化并结合拌合物中的其他固体颗粒胶结成为较大的团粒结构，比单独加入石灰或者粉煤灰改性的黄土强度要提高很多。与此同时，水泥熟料遇水后的水化反应产物吸附包裹土颗粒形成网格状水泥土，极大提高了土的强度。同以往在黄土中单独加入水泥或者石灰的方法相比，利用水泥、石灰和粉煤灰综合改良的方法不仅能在较低的水泥配比下(3%~4%)达到以往需要较高水泥掺和比(7%~8%)的效果^{[5, 11]}，而且很好的解决了水泥强度过高引起的试件脆性过大的问题。同时水泥的适当掺入，也比仅仅加入石灰更好的提高了试件的耐久性和水稳性。

图1  冻融循环前后抗压强度随石灰含量的变化

Fig. 1  Unconfined compressive strength of specimens before and after freeze-thaw cycle at different cement contents

图2  冻融循环前后抗压强度随水泥含量的变化

Fig. 2  Unconfined compressive strength of specimens before and after freeze-thaw cycle at different lime contents

从图1和2可以看出：冻融循环之后试件的无侧限抗压强度值要显著小于冻融循环之前的无侧限抗压强度，经过10次冻融循环之后，试件的抗压强度值只有冻融前的50%~75%，即冻融对强度具有明显的劣化作用。这主要是由于经过冻融前后的体积变化，黄土孔隙特性发生了变化，从而引起传力骨架结构内部细小的位移，导致黄土颗粒间胶结力的减小。

从图1可以看出：不同水泥含量下，冻融循环前，改性黄土的强度随石灰含量的增加而增大，但是冻融循环后，水泥质量分数为5%和6%的试样，当石灰质量分数超过6%时，强度反而降低。故改性剂的含量并不是越高越好。这个现象在以往的黄土改性试验中也曾经遇到过，在黄土中加入7%的石灰时，其抗压强度反而较掺入5%时更小，而在石灰中加入9%的石灰时，其强度更小。这是由于当石灰和水泥含量过高时，试件的刚性太大，经过反复冻融循环之后，试件在体积不断变化情况下内部颗粒连结破坏，试件中出现细小裂缝，试件在受力情况下出现脆性破坏，其抗压强度变化的趋势才会出现反常。

从图2可以看出：不同石灰含量下，冻融循环前，改性黄土的强度随水泥含量的增加而增大，当水泥的掺和比从5%变化到6%的时候，改性土的强度变化尤为明显，最大提高了50%。冻融循环以后抗压强度的变化趋势与冻融循环之前大致相同。但是石灰质量分数为9%时，随着水泥含量的增加，强度会有所下降。

以往研究发现，石灰存在一个最佳掺入比，但是不同的试验得出的结果不尽相同。本文综合考虑冻融循环对强度的影响，在季节性冻土区石灰水泥粉煤灰联合改性黄土的改性剂最佳配比可以选择：石灰掺合比为6%，水泥的掺和比在4%~5%，粉煤灰掺合比为10%。这样就可以充分保证冻融条件下的强度要求。

3  渗透特性

土的渗透性是衡量土体水稳定性的重要指标，原状黄土孔隙大，渗透性强且具有湿陷性。在反复冻融循环的情况下由于土中非结合水变成冰体积不断地变化，黄土整体出现冻胀和融沉，随着黄土颗粒间连接的破坏，最终影响结构的稳定性。

本试验采用南-55型渗透仪，利用变水头法测定黄土及改性黄土试件在冻融循环前后渗透系数的变化规律。由于改性黄土硬度较大，故本试验试件在制样完成后用环刀进行切样，在环刀中进行养护和冻融，从而保证试验的精度。试验所得部分黄土改性试件渗透系数结果如下。

反复冻融循环引起了土体内部水分的迁移和土体颗粒的重新排列，使得黄土的孔隙度大为增加，从而引起了渗透性的变化。试验测得压实黄土冻融循环前的渗透系数为6.35×10^{-6 cm/s}，而经历了10次冻融循环之后，该黄土的渗透系数上升为3.96×10^{-5 cm/s}。

图3和4所示分别为冻融循环前后不同水泥含量和石灰含量试件的渗透系数。从图3和4可以看出：加入改性剂之后，无论是冻融循环之前还是冻融循环之后，改性土的渗透系数迅速减小到10^-7数量级，当石灰质量分数达到9%的时候，尽管历经10次冻融循环，改性黄土的渗透系数还是能达到10^-8数量级。冻融循环之后改良土的渗透系数要明显大于冻融循环之前的渗透系数。不过由于水泥和石灰的掺入，使得改性土颗粒间形成了团块结构和网状结构，增加了黄土试件的抗冻融性与水稳性，所以其渗透系数还是能够维持在一个很低的水平(10^-7~ 10^-8数量级)。

对比图3和4可见：石灰和水泥含量的增加都能引起试件渗透系数的减小，当石灰质量分数在9%时，无论水泥掺入多少，冻融循环前后改性土的渗透系数都能接近或者达到10^-8数量级。这与未改性压实黄土冻融循环后的渗透系数相比，下降了3个数量级，改性效果相当可观。而以往试验中在单独加入水泥改性的情况下要使渗透系数达到这么低的水平，水泥的掺入比至少要达到10%^[12]，由此又会带来试件刚度过大和抗冻融循环能力降低的问题。

图3  冻融循环前后不同水泥含量下试件的渗透系数

Fig. 3  Permeability coefficient of specimens before and after freeze-thaw cycle at different cement contents

图4  冻融循环前后不同石灰含量下试件的渗透系数

Fig. 4  Permeability coefficient of specimens before and after freeze-thaw cycle at different lime contents

本试验结果表明，掺入4%~5%的水泥能够保证试件在经历了反复冻融循环之后仍然保持良好的水稳性，而6%左右的石灰则可以使试件的渗透系数维持在一个非常低的水平上，这2种改性剂相辅相成的作用在渗透试验的过程中得到了凸显。可见：利用4%~5%水泥、6%石灰和10%粉煤灰综合改善黄土渗透性特别是冻融循环下的渗透性的试验结果是可以满足工程要求的。

4  微观结构分析

土体的微观结构是指土颗粒的大小、形状、相互排列，尤其是相互连结的情况。原状黄土为蜂窝状结构，其颗粒的骨架由粗颗粒构成，而细粉粒、胶结物和粘粒等则聚集在粗颗粒骨架周围形成了基质胶结，孔隙胶结和接触胶结(点接触)。水泥、石灰和粉煤灰的加入势必会改变黄土颗粒间的连结方式和颗粒骨架的结构。因此，对黄土与改性黄土冻融循环前后微观结构的分析研究可以在一定程度上解释改性黄土宏观物理特性的变化。

图5  冻融循环前后压实黄土及部分改性压实黄土SEM像

Fig. 5  SEM images of loess and some modified loess specimens before and after freeze-thaw cycle

扫描电子显微镜(SEM)是观察土体内部微观结构的常用仪器。其工作原理主要是依靠电磁透镜聚焦电子束打在样品表面所产生的二次电子来形成样品表面的微观图像。本次黄土改性试验采用的仪器是兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室的SU-1500型扫描电子显微镜。试验时将试样切割成直径约5 mm，高约2 cm的圆柱体，掰断取较平整断面，用吹风机吹去表层扰动颗粒，再在试样表面镀一层黄金薄膜后，即为扫描电镜试验观察断面。

对比图5(a)和(b)可以看出：压实黄土颗粒骨架以单粒为主；孔隙以粒间孔隙为主，架空孔隙较少；颗粒在空间上呈镶嵌排列，土体内单元体排列较为紧密。然而，经历了反复冻融循环之后，冰晶的生长挤压作用使得黄土颗粒不断团聚，造成孔隙不断增大，开始出现一些点接触^[13]。黄土颗粒结构发生变化以后，在外力作用下，极易发生不可恢复的突然变形，这就是黄土经过反复冻融循环后抗压、抗渗能力大幅减弱的主要原因。

水泥加入到黄土中后，最明显的特征就是土体以镶嵌状的结构出现，并且在孔隙之间出现很多细小的针状晶体，将土粒以桥梁形式连结起来。 石灰可以在改性土中形成纤维状晶体和网状结构，并且生成胶结物，包裹土颗粒，填充土体孔隙并且将土粒胶结在一起。粉煤灰是一种球形颗粒，颗粒粒径较大，由于它的加入，在土颗粒中形成较大的团粒结构，将小颗粒紧紧地聚集在一起，增加了土体的团聚性。对比图5(c)，5(e)和5(g)可以发现：随着水泥含量的加大，土体中针状晶体变得更长、更密集，颗粒间的内摩擦面积得到增加。石灰和粉煤灰含量的变化引起土颗粒排列方式和结构的变化：土中大孔隙不断被胶结物质填满，土粒聚集形成团粒，土粒之间呈现棱与面、面与面的接触。由此导致土体抗压和抗渗透能力的增强。

反复的冻融循环无疑会造成土体内部颗粒的聚集，从而对土体结构造成破坏。对比图5(c)~5(h)可知：虽然改性土颗粒在冻融循环之后也发生了聚集和迁移，但是其接面与面的接触方式并没有发生变化，水化反应产生的针状晶体和胶结物也没有明显减少，土体内部仍然呈现镶嵌结构，排列较为紧密。如图5(d)，(f)和(h)所示，当水泥和石灰含量较少时(水泥3%，石灰3%)，冻融后的黄土颗粒聚集作用较为明显，而当改性剂含量较大时(水泥6%，石灰9%)，冻融后的土体内部出现了小而深的裂隙，由此可以解释试件抗压性能的骤降。水泥含量4%、石灰含量6%的试件在冻融循环前后内部的结构变化最小，颗粒之间的胶结依旧稳固，可见适当的水泥石灰配比可以达到一个最优的改性效果。

5  结论

(1) 水泥、石灰和粉煤灰联合改性黄土较未改性黄土具有高强度、低渗透性和抗冻融能力强的特性。从抗冻融特性考虑，6%石灰，4%~5%水泥和10%粉煤灰的改性黄土能够满足工程要求。

(2) 改性黄土试件的强度随着水泥和石灰含量的增加而增加。即使经历了10次冻融循环，试件的无侧限抗压强度最高还是可达到3 MPa以上。但是，当水泥石灰含量过大时，试件的刚度太大，抗冻融的能力反而下降。

(3) 无论是冻融循环之前还是冻融循环之后，改性黄土的渗透系数都可以达到10^{-7 cm/s}数量级或更低。

(4) 水泥、石灰和粉煤灰的加入使得改性土以镶嵌状的结构出现，土粒之间通过针状晶体和胶结物连接起来，土颗粒团聚性大为增加，而土颗粒之间的接触也更多地以面与面的接触为主。这种加固作用使得改性土在经历了反复冻融循环之后结构依然稳定，也就具有了较高的强度和较低的渗透性。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-03-20；修回日期：2013-06-10

基金项目：甘肃省科技支撑计划项目(1011FKCA093)；中国铁建科技支撑计划项目(12-C32)

通信作者：吕擎峰(1966-)，男，甘肃会宁人，博士，副教授，从事岩土工程与地质灾害方面的研究；电话：13909499095；E-mail: lvqf@lzu.edu.cn