改良黄土强度特性的室内冻融循环试验研究

摘要：我国黄土面积分布很广的西北、华北地区是典型的季节性冻土地区，这些地区的路基很容易产生冬季冻胀，春季翻浆冒泥等路基病害。工程中，通常采用掺入水泥、石灰和粉煤灰等无机结合料来加固黄土。本文主要对水泥、石灰、粉煤灰改良黄土的强度特性进行室内冻融循环试验研究，试验结果表明各种改良黄土经过几次冻融循环后强度都有所损失，故建议对改良土路基辅助采用以下几种方法来减轻冻融循环所导致强度的降低和损失：1）对于给定的无机结合料掺量，各组成材料混合后应尽可能压密；2）采取保温措施，减少负温总量；3）改良黄土应避免高含水量情形，可在路基中采用软式透水管整治冻害；

4）最好对改良黄土掺加某些外加剂。如：在水泥改良黄土中掺入新型高分子材料SH从而提高其抗冻融能力。

关键词：改良黄土；冻融循环；强度特性

中图分类号：TU44 文献标识码：A

1引言

中国黄土分布面积很广，大部分分布在西北和华北地区。这些地区属于季节性冻土地区，此地区的路基，在冬季，土体中水分结晶冻胀，引起土体体积膨胀，尤其是当路基中土质、水分等分布不均匀时造成路基的不均匀冻胀就会导致铁路线路的不平顺，从而影响行车安全。而春季冻土融化后，路基很容易产生不均匀下沉和道碴沉陷、翻浆冒泥等病害。这些现象产生的主要原因是反复冻融循环使得水分重新分布且结构发生弱化，造成路基破坏[1]。

在工程中，通常采用掺入水泥、石灰和粉煤灰等无机结合料来加固黄土并提高其抗冻胀作用。杨梅[2]等通过水泥、石灰和粉煤灰改良黄土的性能试验表明，在黄土中掺入一定比例的无机结合料后，能有效改善黄土的性质和结构减少黄土的渗水性、压缩性。夏琼[3]等通过试验表明：人工压实素黄土水稳定性差，强度低；粉煤灰可在一定程度上改善黄土强度特性，采用粉煤灰与石灰或低掺量水泥和粉煤灰可显著改善黄土强度特性，能满足高标准铁路路基基床底层及以下部位填筑要求，其改良效果与掺合比、含水量等有关。

关于反复冻融循环作用对黄土及改良黄土的水分分布、变形和强度影响，国内很多专家学者已做了很多相关的研究，毕全贵[1]等做了冻融循环对黄土物理力学性质影响的试验，试验结果表明：反复冻融循环作用使土样含水量增加冻融界面附近含水量变化梯度较大；黄土样在冻融循环初期冻胀变化比较剧烈，后期趋于稳定，只出现较小的沉降变形；冻融循环使黄土样的干密度逐渐减小，且冻融循环剧烈的上部干密度较下部更小。马巍[4]等通过试验讨论了冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响，对石灰土在冻土地区的合理使用及工程设计提供一定理论依据；张虎元[5]等通过试验研究了水泥黄土反复冻融条件下的强度衰减机理，并重点考虑其强度衰减的微观机理，从显微照片中发现冻结期间试样中的水分或从外界补给的水分向冻结锋面逐渐迁移，并结晶形成连续冰层，在此过程中冰层附近的水泥水化结晶网被拉断，其结果溶化后试样中出现弱面，从而降低了水泥黄土的耐久性。

本文主要对水泥、石灰、粉煤灰改良黄土的强度特性进行室内冻融循环试验研究。

2 冻融循环试验的样品制备及试验方法

冻融循环试验所用材料：黄土为取自兰新线K416+121处的重塑黄土，水泥为祁连山牌普通硅酸盐水泥，粉煤灰为兰州西固热电厂的副产品，石灰为过筛的新鲜干燥熟石灰粉末。

冻融循环试验试样共5种：水泥改良黄土的水泥掺合比分为2种（6%， 8%），石灰改良黄土的石灰掺合比分为2种（10%， 15%），另外，还有2%水泥+30%粉煤灰拌合的试样和5%石灰+30%粉煤灰，养护龄期均为28d。

冻融循环试验方法：将养护28天的试样，先在-20±2℃的温度下冻4h，再放入20℃恒温水浴泡20h，如此冻融1次至5次，测定其无侧限抗压强度。无侧限抗压强度是路基填料最重要的参数之一，是用来评价土体抵抗竖向压力极限的重要力学指标。本文用冻融循环后无侧限抗压强度的衰减率来评价改良黄土的抗冻耐久性。

3 试验结果及分析

五种改良黄土冻融循环试验结果：

改良黄土冻融后的无侧限抗压强度qu

掺入材料 龄期/d 冻融

0次 冻融

1次 冻融

2次 冻融

3次 冻融

4次 冻融

5次 冻融5次qu衰减率／%

6%水泥 28 w／% 21.0 17.9 17.3 16.0 17.8 16.4 36.7

qu／kPa 1933.0 1322.3 1337.6 1273.9 1299.4 1222.9

8%水泥 28 w／% 18.2 19.8 20.2 19.8 20.8 20.1 12.3

qu／kPa 2790.0 2828.0 2815.0 2955.4 2496.8 2445.9

10%石灰 28 w／% 20.0 21.1 19.6 19.9 21.5 21.7 50.7

qu／kPa 518.0 405.4 381.5 335.7 331.3 255.6

15%石灰 28 w／% 20.0 20.5 21.3 20.5 19.5 19.5 14.0

qu／kPa 570.5 625.6 608.2 516.6 527.5 490.4

2%水泥+30%粉煤灰 28 w／% 23.3 25.0 25.6 27.1 26.3 28.6 54.7

qu／kPa 1685.7 1605.1 1337.6 1312.1 1121.1 764.3

5%石灰+30%粉煤灰 28 w／% 26.4 22.6 22.1 24.0 26.4 26.9 25.9

qu／kPa 1395.0 1601.5 1600.9 1259.2 1040.8 1033.1

从表中可看出：改性黄土，不管掺入的改性材料是石灰还是水泥，其qu随冻融次数的变化虽然不规律，但总的趋势很明显，即随冻融次数的增加而降低，5次冻融后，对于水泥黄土，掺合比为6%时，qu降低36.7%，掺合比为8%时，qu降低12.3%；对于石灰黄土，掺合比为10%时，qu降低50.7%，掺合比为15%时，qu降低14.0%。由此可见，石灰、水泥改性黄土的抗冻融能力都随掺合比的增大而提高，但是改性黄土抗冻融能力仍较差。对于双灰改性黄土，5次冻融后，2%水泥+30%粉煤灰黄土qu降低54.7%，5%石灰+30%粉煤灰黄土qu降低25.9%，其抗冻融能力仍未得到改善。

4 结论及建议

综上所述，各种改良黄土经过几次冻融循环后强度都有所损失，其中，掺合比为8%的水泥黄土和掺合比为10%的石灰黄土强度衰减率较小，但是，抗冻融效果仍不好。所以，在工程中，可对改良土路基辅助采用以下几种方法来减轻冻融循环所导致强度的降低和损失：

1）对于给定的无机结合料掺量，各组成材料混合后应尽可能压密；

2）采取保温措施，减少负温总量；

3）改良黄土应避免高含水量情形，可在路基中采用软式透水管整治冻害[6]；

4）最好对改良黄土掺加某些外加剂。如：在水泥改良黄土中掺入新型高分子材料SH从而提高其抗冻融能力[7]

参考文献

[1]毕全贵，张侠，李国玉，马巍，毛云程，穆彦虎．冻融循环对黄土物理力学性质影响的

试验[J]．兰州理工大学学报，2010，36（2）．

[2]杨梅，刘永红．掺入石灰改良黄土性能的试验研究[J]．路基工程，2007，10．

[3]夏琼，杨有海，耿煊．粉煤灰与石灰、水泥改良黄土填料的试验研究[J]．兰州交通大学

学报，2008，27（3）．

[4]马巍，徐学祖，张立新．冻融循环对石灰粉土剪切强度特性的影响[J]．岩土工程学报，

1999，21（2）．

[5]张虎元，冯珂，张立新，王银梅等．水泥黄土反复冻融条件下的强度衰减机理[J]．冰川

冻土，1993，15（1）．

[6] 夏琼，杨有海，窦顺．兰新铁路路基冻胀特征及冻害整治措施研究[J]．冰川冻土，2011，

3（1）．

[7] 王银梅．水泥、高分子材料加固黄土抗冻效果的试验探讨[J] ]．西部探矿工程，2008，

12．