吳燕開 苗盛瑤 李 鑫 王 浩 曹玉鵬 胡興濤

(①山東科技大學，山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，青島 266590，中國)(②山東科技大學土木工程與建筑學院，青島 266590，中國)(③山東科技大學交通學院，青島 266590，中國)(④泰安博奧安全評價有限公司，泰安 271000，中國)

0 引 言

膨脹土工程問題因其處理的復雜性被視為建筑工程中的”難點”，是一種被稱為“有關(guān)處理災(zāi)難性土”的問題(Chen et al.，2007； 陳強等， 2019)。膨脹土遇水膨脹失水收縮的特性，給上部結(jié)構(gòu)安全性帶來了巨大的危害(Zhang et al.，2009； Puppala et al.，2011)。因此針對膨脹土的特性，很多學者提出各種各樣的改良方法，目前對膨脹土的改良主要有物理改良和化學改良兩種。物理改良主要通過在膨脹土中摻入砂、礫、碎石以及爐渣等粗顆粒材料來改良膨脹土的工程特性，化學改良則是通過在膨脹土中摻入粉煤灰、水泥以及石灰等材料與膨脹土發(fā)生物理化學反應(yīng)從而增強膨脹土的各物理力學指標。眾多學者針對改良后膨脹土的物理力學特性進行了詳細的研究(王保田等， 2006； 孔令偉等， 2010； Al-Mukhtar et al.，2012； Stoltz et al.，2012； Khemissa et al.，2014； Hotineanu et al.，2015； 冷挺等， 2018)。

改良后膨脹土的脹縮性明顯降低，對上部結(jié)構(gòu)體系造成的破壞作用也隨之降低。但是土體經(jīng)過改良后，當外部條件發(fā)生變化時，其物理力學性質(zhì)仍會發(fā)生變化，如干濕循環(huán)(何中江等， 2018； 慕煥東等， 2018)、凍融循環(huán)(楊忠平等， 2019)等作用。目前對于膨脹土和改良后的膨脹土在干濕循環(huán)作用下物理力學特性研究比較多(Alonso et al.，2005； Estabragh et al.，2015； Rosenbalm et al.，2017)，而對于凍融循環(huán)對膨脹土以及改良膨脹土的影響，研究得相對較少。Bin-Shafique et al. (2011)通過多種試驗研究凍融循環(huán)條件下的粉煤灰和人造纖維改良的膨脹土，發(fā)現(xiàn)土體的改良造成了強度的降低，膨脹勢的提高。Olgun(2013)通過無側(cè)限抗壓強度試驗和膨脹試驗研究凍融循環(huán)下的石灰、谷殼灰和纖維改良膨脹土，發(fā)現(xiàn)改良膨脹土同樣受到凍融循環(huán)的影響。Hotineanu et al.(2015)將膨脹土和高嶺土通過石灰改良，研究其在凍融循環(huán)作用下的特性，結(jié)果表明凍融循環(huán)主要影響土的黏聚力且第一次凍融循環(huán)的影響最明顯。Lu et al.(2019)對膨脹土采用不同含水量制作試樣，在3種溫度下(-5℃、-10℃、-15℃)進行凍融循環(huán)試驗，得到了凍結(jié)溫度對膨脹土體積變化率有著顯著影響的結(jié)論。楊俊等(2016)采用風化砂改良膨脹土，在凍融循環(huán)作用下對其收縮變形規(guī)律進行了研究，認為摻入風化砂可有效抑制凍融循環(huán)而產(chǎn)生的體積變化率。Wang et al.(2018)在凍融循環(huán)作用下對采用離子固化劑改良膨脹土進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著含水量的增加，改良膨脹土強度是降低的，試樣的強度也會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，膨脹土的孔隙率會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，對剪切強度變化最大的是第1次凍融循環(huán)后， 7次凍融循環(huán)后，強度變化幅度最小，并趨于穩(wěn)定。許雷等(2017)在研究凍融循環(huán)下的水泥改良膨脹土時發(fā)現(xiàn)改良后的膨脹土呈現(xiàn)“凍縮融脹”現(xiàn)象，隨摻灰比的增加，最大凍縮量和最大融脹量會隨之減??； 隨著凍融次數(shù)的增加，強度和彈性模量衰減趨于穩(wěn)定。這一系列的研究，均探討了改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下的物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律，但不同的改良方法，其物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律存在差異。

本文利用鋼渣粉作為膨脹土的主要改良劑，改良膨脹土的物理力學特性。鋼渣作為煉鋼的一種副產(chǎn)品，與水泥有著相似的化學成分，而且是一種工業(yè)廢棄料。目前中國的鋼渣綜合利用率約22%(何若楠等， 2019)，剩余的主要采用堆放處理，這對環(huán)境易造成二次污染。把鋼渣碾磨后加工成鋼渣粉，用于改良膨脹土，不但可以改良膨脹土的物理力學特性，還可以實現(xiàn)廢棄資源的再利用。通過鋼渣粉改良膨脹土，研究凍融循環(huán)下改良膨脹土的體積變化率與凍融循環(huán)次數(shù)、養(yǎng)護齡期的相互關(guān)系，自由膨脹率隨養(yǎng)護齡期變化的規(guī)律以及無荷膨脹率、無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。從而為鋼渣粉用于改良膨脹土提供實驗理論依據(jù)。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗所用材料

實驗所用的膨脹土取自山東省臨沂市南郊，對現(xiàn)場取回的原狀土樣進行物理力學參數(shù)的測試，進行擊實試驗獲取其最優(yōu)含水量以及最大干密度，具體參數(shù)如表1所示。從表1可知，膨脹土的塑性指數(shù)為37.1，液限為68.8，該膨脹土可定義為高塑性土； 自由膨脹率為66.5%，該土為中等膨脹土。

表1 膨脹土的物理力學參數(shù)

試驗所用水泥為山東省淄博市山水牌普通硅酸鹽水泥； 鋼渣粉為日照鋼鐵公司產(chǎn)鋼過程的副產(chǎn)品。水泥及鋼渣粉的主要化學成分及各成分的百分含量如表2所示，由表2可知，鋼渣粉有著與水泥相似的化學成分。圖1為膨脹土、水泥以及鋼渣粉的外觀圖。

圖1 試驗用到材料

表2 鋼渣粉及水泥的主要化學成分及百分含量

1.2 試樣制備

土樣最大干密度為1.5g·cm-3，最優(yōu)含水率為28.2%，制備試樣所用含水率和用土量均由最大干密度和最優(yōu)含水率確定。制作的試樣尺寸分別為3.91cm×8cm、6.18cm×2cm，前者用于無側(cè)限抗壓強度試驗、UU三軸壓縮試驗，后者用于一維無荷載膨脹率試驗。

試驗主要采用3種方法改良膨脹土，分別為水泥改良膨脹土(ES-C)、鋼渣粉水泥改良膨脹土(ES-SSP-C)以及鋼渣粉水泥摻NaOH活性激發(fā)劑改良膨脹土(ES-SSP-C-SH)。根據(jù)前期的研究結(jié)果(吳燕開等， 2017)，3種改良方案摻入料的具體比例如表3所示。

表3 各改良膨脹土改良配比方案

根據(jù)表3的膨脹土改良配比方案，采用擊實法制樣，制樣完成后脫模取出試樣，立即存放在恒溫(25℃)恒濕(相對溫度95%)的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護備用。凍融循環(huán)時試樣用保鮮膜包裹以減少水分散失(圖2)。

圖2 制備好的各種改良膨脹土試樣

2 凍融循環(huán)及測試內(nèi)容

2.1 凍融循環(huán)

改良膨脹土在室內(nèi)凍融循環(huán)的模擬試驗，主要參照Ghazavi et al.(2010)、Tang et al.(2018)、Lu et al.(2019)以及Dagesses et al.(2013)的凍融循環(huán)試驗方案，將包裹好的試樣放入低溫試驗箱中冷凍12h，然后將試樣取出放在室溫下融化12h，記為一次凍融循環(huán)。凍融循環(huán)試驗所用到的DWX低溫試驗箱如圖3所示。

圖3 凍融循環(huán)所用低溫試驗箱

本次凍融循環(huán)試驗，將3種改良后的膨脹土試樣分別養(yǎng)護7d、28d、60d、90d，把不同養(yǎng)護齡期的試樣放入低溫試驗箱內(nèi)，進行最低溫度為-10℃的凍融循環(huán)試驗研究。以養(yǎng)護28d的試樣為例，將3種改良膨脹土試樣制備好養(yǎng)護28d，進行最低溫度為-10℃的凍融循環(huán)實驗。試樣在進行凍融循環(huán)過程中，用保鮮膜包裹，采取平行試驗，在測定不同的物理力學參數(shù)時，每組測定3個試樣，取平均值作為試驗的最終結(jié)果。

2.2 測試內(nèi)容

2.2.1 體積變化率

試樣在每次凍結(jié)或融化后用游標卡尺對試樣進行直徑與高度測量。為減少測量誤差，每個試樣直徑、高度分別取7處和5處位置進行測量，取3個試樣的平均值作為最終的直徑與高度，然后計算出試樣的體積，并求出試樣凍結(jié)或融化后的體積變化率。

式中：δFn為第n次凍結(jié)后試樣的體積變化率，正為膨脹，負為收縮；δTn為第n次融化后試樣的體積變化率，正為膨脹，負為收縮；VFn為第n次凍結(jié)時試樣體積；VTn為第n次融化時試樣體積；V0為試樣未進行凍融循環(huán)前初始狀態(tài)體積。

2.2.2 自由膨脹率

自由膨脹率是人工制備的松散干燥的粒徑小于0.5mm土樣在5%濃度NaCl溶液中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原始體積之比(中華人民共和國行業(yè)標準編寫組，2019)。測定土體處于非結(jié)構(gòu)化狀態(tài)下的膨脹特征即自由膨脹率試驗。試驗結(jié)果計算公式：

式中：FS為自由膨脹率(%)，計算誤差為1%；V1為試樣在水中膨脹某一時間的體積(mL)；V0為試樣原體積(mL)。

2.2.3 無荷膨脹率

一維無荷載膨脹率試驗是利用WZ-2膨脹儀測取制備試樣不同時刻下的膨脹量，然后由下式計算任意時刻的膨脹率：

式中：δt為時間為t時的無荷載膨脹率(%)；zt為時間為t時的位移計讀數(shù)(mm)；z0為時間為0時的位移計讀數(shù)(mm)；h0為初始試樣高度(mm)。

2.2.4 無側(cè)限抗壓強度

利用室內(nèi)WAW-1000B型電液伺服液壓萬能試驗機，對凍融循環(huán)作用下純膨脹土試樣及改良膨脹土試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。試驗機試驗過程可以監(jiān)測試樣的應(yīng)力-應(yīng)變值，試驗過程加載應(yīng)變速率控制在1.25%。

2.2.5 電鏡掃描

利用電鏡掃描試驗，觀察微觀結(jié)構(gòu)面的顆粒、孔洞等結(jié)構(gòu)的分布、大小等特性，分析宏觀強度變化的原因，使微觀特性與宏觀表現(xiàn)更好地結(jié)合在一起，試驗儀器如圖4所示。

圖4 掃描電子顯微鏡

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)與體積變化率間關(guān)系

圖5為未改良膨脹土與3種改良土隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率圖。將試樣制備好后，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7d，進行最低溫度為-10℃的不同凍融循環(huán)次數(shù)試驗，在試驗過程中對試樣的體積變化進行測定。

圖5 改良土隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率

由圖5可知，ES試樣無論是凍結(jié)還是融化，相對于改良后的試樣，凍和融的體積變化率是非常明顯的。在凍融循環(huán)時，ES試樣整體呈拋物線上升的趨勢，前4次凍融循環(huán)膨脹土表現(xiàn)出“凍縮融脹”現(xiàn)象。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率只出現(xiàn)膨脹，當凍融循環(huán)次數(shù)超過8次以后，體積變化率及凍和融體積變化率差值趨于穩(wěn)定。分析其原因，前1～4次凍融循環(huán)時，膨脹土中的水凍結(jié)成冰，體積膨脹，但因為黏土顆粒表面大量失水，膨脹土顆粒出現(xiàn)體積收縮，這時失水收縮的特性占主導，所以體積較原體積相比呈現(xiàn)出收縮的狀態(tài)。前4次融化時，膨脹土中的冰融化成水體積減少，但膨脹土遇水后土體顆粒膨脹，當融脹量大于凍縮量，體積較原體積開始增大。從第8次凍融循環(huán)開始，膨脹土的凍縮量和融脹量都漸趨穩(wěn)定。未改良膨脹土在整個凍融循環(huán)過程中，凍融體積變化率差值最大時為5.38%，轉(zhuǎn)入穩(wěn)定狀態(tài)后維持在2.6%左右。膨脹土凍融體積的變化足以對上部結(jié)構(gòu)造成嚴重的影響甚至破壞。

改良膨脹土除ES-SSP-C試樣在第一次凍融循環(huán)時遵循“凍縮融脹”規(guī)律外，其余循環(huán)次數(shù)試樣均表現(xiàn)為收縮； ES-C、ES-SSP-C-SH試樣在全部凍融循環(huán)過程中融化時體積沒有出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，凍融過程以收縮為主。這是因為鋼渣粉和水泥會發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生水化膠凝物，水化膠凝物將使膨脹土顆粒變得致密，同時增加土顆粒間的吸附力，致使土體在凍融循環(huán)后均出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象。

相比于ES和ES-SSP-C-SH試樣，ES-C和ES-SSP-C試樣體積變化率呈現(xiàn)良好的線性平穩(wěn)態(tài)勢。在第1次循環(huán)時，ES-C和ES-SSP-C試樣體積變化幅度最大，因為此時所摻的鋼渣粉與水泥的水化反應(yīng)還未徹底完成，同時新生成的水化產(chǎn)物與顆粒間的膠結(jié)也未達到理想狀態(tài)，因此在第一次凍融循環(huán)時改良膨脹土“凍縮融脹”的特性還較明顯。第 2 次融化時，ES-C和ES-SSP-C試樣的體積沒有膨脹，從第 3 次凍融循環(huán)開始，改良膨脹土就進入了動態(tài)穩(wěn)定態(tài)勢，且沒有出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，而ES-SSP-C試樣最大的凍融體積變化率差值僅為1.93%，表明鋼渣粉和水泥的加入對膨脹土因凍縮融脹引起的體積變化具有明顯的改善效果。

3.2 養(yǎng)護齡期與體積變化率間關(guān)系

3種改良后的膨脹土試樣分別養(yǎng)護7d、28d、90d后，在最低溫度為-10℃下進行不同凍融循環(huán)次數(shù)試驗，測定試樣體積變化。

圖6為ES-C試樣、ES-SSP-C試樣以及ES-SSP-C-SH試樣在最低溫度為-10℃下，經(jīng)歷不同養(yǎng)護齡期后，不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下土樣凍結(jié)狀態(tài)以及融化狀態(tài)下的體積變化率曲線圖。

圖6 不同養(yǎng)護齡期試樣隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的體積變化率曲線圖

由圖6a可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，養(yǎng)護7d和28d后的水泥改良土試樣凍和融時的體積變化幅度都比較大，與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系不大。而養(yǎng)護90d的ES-C試樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。表明試樣的養(yǎng)護齡期對膨脹土試樣膨脹潛勢具有控制性作用。

由圖6b可知，養(yǎng)護7d和28d的ES-SSP-C試樣在凍融循環(huán)過程的體積變化幾乎一致，但與ES-C試樣的變化幅度相比要小。養(yǎng)護90d后 ES-SSP-C試樣凍、融時的體積變化率均在0上下微小浮動，說明膨脹土的膨脹態(tài)勢得到控制。ES-SSP-C試樣在1、6、12次循環(huán)時體積變化率相比于ES-C試樣要小，說明摻加鋼渣粉可以降低凍融循環(huán)對試樣的破壞程度。隨著養(yǎng)護齡期的增加，各循環(huán)次數(shù)下試樣體積變化率差值在逐漸減少，且最小值在0.3%左右，表明膨脹土的膨脹態(tài)勢已經(jīng)得到良好控制。

將圖6c與圖6a、圖6b對比，可看出28d、90d的ES-SSP-C-SH試樣凍融循環(huán)體積變化率在-1%～0.5%之間起伏，起伏較ES-C和ES-SSP-C試樣穩(wěn)定。這說明摻加NaOH可加快鋼渣粉和水泥水化穩(wěn)固膨脹土， 28d后ES-SSP-C-SH試樣的膨脹態(tài)勢已趨于穩(wěn)定。各齡期下第1、6、12次凍融循環(huán)試樣的體積變化率差值相似，說明循環(huán)次數(shù)對ES-SSP-C-SH試樣的膨脹性影響不大。對比ES-SSP-C、ES-SSP-C-SH試樣可知，摻加NaOH加快鋼渣粉水泥的水化， 7d試樣兩者的體積變化率的變化規(guī)律起伏均較大，但從28d開始，ES-SSP-C-SH試樣的體積變化率已大大減少，而ES-SSP-C試樣仍具有較大的起伏，因為NaOH遇水放熱，并為鋼渣粉和水泥水化提供堿性環(huán)境，且游離的Na+進入蒙脫石的層間結(jié)構(gòu)內(nèi)，使得體積膨脹加大。

以上試驗結(jié)果說明，摻入鋼渣粉后，可有效改善膨脹土的凍融循環(huán)體積膨脹特性，隨著養(yǎng)護齡期的增長，改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下體積膨脹性就越小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率趨于平穩(wěn)。而摻了活性激發(fā)劑后，可有效縮短養(yǎng)護齡期，從而在較短的時間內(nèi)，使改良后的膨脹土的膨脹性變小且趨于穩(wěn)定。

3.3 自由膨脹率

圖7為改良膨脹土養(yǎng)護不同齡期后，在最低凍結(jié)溫度為-10℃下進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗時所測得的自由膨脹率曲線圖。

圖7可知，所有改良膨脹土在改良后養(yǎng)護齡期從7d到90d，其自由膨脹率均小于10.0，與ES試樣的初始自由膨脹率66.5%相比，自由膨脹率大幅度降低，說明3種方法對膨脹土的改良都是非常有效的。3種方法改良后的膨脹土，其自由膨脹率均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，當凍融循環(huán)次數(shù)達到12次時，其自由膨脹率幾乎為0。

圖7 改良膨脹土試樣不同凍融循環(huán)下自由膨脹率曲線圖

凍融循環(huán)對土體性能的影響主要體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)的破壞、裂隙的發(fā)育、顆粒的松散以及整體性的劣化上，但在自由膨脹率試驗中，膨脹率與無結(jié)構(gòu)的土體材料相關(guān)，是土體自由態(tài)膨脹性的表現(xiàn)，也是土中礦物成分的體現(xiàn)，因此在齡期逐漸增加時，水化產(chǎn)物的不斷增多是自由膨脹率降低的原因，水化產(chǎn)物增加，試樣內(nèi)部密實，孔隙水含量降低，試樣的自由膨脹受凍融循環(huán)的影響降低。而自由膨脹率也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加出現(xiàn)降低，說明凍融循環(huán)的過程中也伴隨著膠凝材料的水化反應(yīng)，由此可以看出，凍融循環(huán)的過程既是凍融侵蝕破壞土體的過程，也是膠凝材料水化改善土體性能的過程。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加，試樣中水化反應(yīng)完全，劣化以凍融循環(huán)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凍脹融縮為主。

圖7c中的ES-SSP-C-SH試樣7d、28d、60d、90d的自由膨脹率分別為10%、9%、7%、9%。隨著養(yǎng)護齡期的增長，ES-SSP-C-SH試樣在各凍融循環(huán)次數(shù)時自由膨脹率變大了，因為隨著養(yǎng)護時間的延長，水化反應(yīng)逐漸穩(wěn)定(尹鈺婷， 2019)，但摻入的NaOH為蒙脫石層間結(jié)構(gòu)提供了Na+，黏土礦物在堿性環(huán)境中發(fā)生陽離子交換，成為易水化的鈉型黏土，使黏土的水化膨脹加劇。

3.4 無荷膨脹率

3種改良土試樣養(yǎng)護28d后在最低凍融溫度為-10℃時經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的無荷膨脹率隨時間變化曲線圖如圖8所示。

圖8 改良土不同凍融循環(huán)次數(shù)下無荷膨脹率

由于無荷膨脹率試驗是每個凍融循環(huán)周期在試樣凍結(jié)或融化12h后立即進行，因此，無荷膨脹率曲線圖存在不同形式。由圖8可知，試樣在不同凍融循環(huán)下，其無荷膨脹率曲線變化圖一般可劃分為兩種類型，第1種是如圖8a中的典型的膨脹土無荷膨脹率曲線變化圖，曲線發(fā)展可劃分為3個階段； 膨脹階段，緩慢膨脹階段，穩(wěn)定階段。第2種為典型的改良膨脹土經(jīng)歷凍融后的無荷膨脹率曲線圖，曲線的變化也可劃分為3個階段：短暫膨脹階段(a-b)，快速收縮階段(b-c)，恒定收縮階段(c-d)，如圖8b所示。未改良的膨脹土以及改良后的膨脹土未經(jīng)過凍融循環(huán)時，其無荷膨脹率曲線均為第一種類型，而經(jīng)受凍融循環(huán)的改良膨脹土都表現(xiàn)出第二種類型的曲線變化。該現(xiàn)象主要是因為經(jīng)改良后的膨脹土，摻入的固化劑會發(fā)生水化反應(yīng)，生成新的膠凝材料，可使土顆粒緊密地聯(lián)結(jié)在一起。當改良土經(jīng)受凍融循環(huán)后，一方面，冰晶增加引起的土體膨脹會破壞土顆粒間的聯(lián)結(jié)； 另一方面，水泥的摻入與負孔隙水壓力的產(chǎn)生引起土體孔隙間有效應(yīng)力的提高，從而表現(xiàn)為土體壓縮。彈性變形發(fā)生在改良土中有效應(yīng)力小于改良土原有固結(jié)壓力的階段，在此階段有效應(yīng)力的增加不會對土體的結(jié)構(gòu)造成影響。而融化初期的“融脹”現(xiàn)象是由融化開始時有效應(yīng)力大幅降低產(chǎn)生“卸荷回彈”引起的土體的短暫性膨脹。

改良土在無荷載膨脹率試驗中達到穩(wěn)定值時，數(shù)值遠小于純膨脹土試樣，大體都在±0.5%以內(nèi)，相比于純膨脹土無荷載膨脹率的2%，改良效果達到75%的減小率，而經(jīng)歷凍融循環(huán)之后，改良土仍具有較小的膨脹率，相比于純膨脹土的8%以上的無荷載膨脹率有90%以上的減小量，從而可以判斷出改良土在膨脹性的控制上有了極大的改善。與鋼渣粉的性質(zhì)有關(guān)，鋼渣粉不易水化，當鋼渣粉部分取代水泥時，水化反應(yīng)不如水泥作激發(fā)劑時充分(Wang et al.，2009)，造成無荷膨脹率增大，但激發(fā)劑的加入促使鋼渣充分水化，無荷膨脹率降低； 在凍融循環(huán)作用下，ES-SSP-C試樣略強于另外兩者，體現(xiàn)了鋼渣粉對膨脹土承受凍融循環(huán)的有利作用。

3.5 無側(cè)限抗壓強度試驗

圖9為在最低溫度為-10℃下，養(yǎng)護不同齡期的各改良土試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)后無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線圖。

圖9 改良膨脹土無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

由圖9可知，ES試樣無側(cè)限抗壓強度值很低，未改良膨脹土本身強度較低，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，顆粒間的膠結(jié)作用減弱，導致膨脹土的無側(cè)限抗壓強度、黏聚力、抗剪強度、彈性模量總體上均呈下降趨勢(季雅茹， 2018)； 前3次凍融循環(huán)對無側(cè)限抗壓強度影響較大， 3次凍融循環(huán)后，強度受凍融循環(huán)的影響較小。ES-C試樣以及ES-SSP-C試樣其無側(cè)限抗壓強度值在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，強度值很接近，而ES-SSP-C-SH試樣的無側(cè)限抗壓強度最大。改良膨脹土經(jīng)過第1次凍融循環(huán)后，強度明顯衰減。當ES-SSP-C-SH試樣養(yǎng)護60d以及90d后再進行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)第1次凍融循環(huán)對強度影響不大，強度的降幅明顯比ES-C試樣以及ES-SSP-C試樣小。養(yǎng)護齡期越長，強度越大，在經(jīng)受凍融循環(huán)后，強度衰減越小。

圖10為各改良膨脹土試樣凍融循環(huán)前以及12次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度柱狀圖。結(jié)合圖9以及圖10，充分說明鋼渣粉的摻入可起到代替水泥的作用，同時摻入NaOH活性激發(fā)劑，可有效激發(fā)鋼渣粉的活性，使其水化反應(yīng)加快，并產(chǎn)生更多的水化膠凝產(chǎn)物，從而提高土體的強度。養(yǎng)護齡期越長，改良后的膨脹土抗凍融能力越強。

圖10 改良膨脹土凍融循環(huán)前以及12次凍融循環(huán)后的無側(cè)限抗壓強度柱狀圖

4 SEM測試分析

圖11為養(yǎng)護90d后的膨脹土試樣在凍融循環(huán)前的掃描電鏡圖。對比發(fā)現(xiàn)，未改良膨脹土的結(jié)構(gòu)較其余3種改良膨脹土松散，ES-C較為致密，孔隙與ES-SSP-C相比較小，但比ES-SSP-C-SH大，這與水泥顆粒較鋼渣小易水化有關(guān)，ES-SSP-C-SH孔隙小是因為NaOH的加入促進了鋼渣和水泥的水化，生成膠凝材料C-S-H增多，填充孔隙。

圖11 F-T循環(huán)前試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖(90d)

圖12為養(yǎng)護90d后的膨脹土試樣經(jīng)12次F-T循環(huán)后的掃描電鏡圖。由圖可知，3種改良膨脹土凍融循環(huán)后，整體上結(jié)構(gòu)性較未改良膨脹土還是比較完好，但是ES-C試樣的孔隙明顯比其他兩種試樣的孔隙大，顆粒間的聯(lián)結(jié)也沒有后兩種緊密，土粒表面的冰晶相對較少，局部可見鈣礬石(Aft)。ES-SSP-C以及ES-SSP-C-SH兩種改良土試樣顆粒間的聯(lián)結(jié)更緊密，水化生成的膠凝產(chǎn)物較多，絮狀的C-S-H膠凝產(chǎn)物填充在顆粒間的孔隙中。這也充分說明摻入鋼渣粉后，特別是在摻入NaOH活性激發(fā)劑后，可以進一步促進水化反應(yīng)的進行，生成更多的具有膠凝性的水化產(chǎn)物，從而使膨脹土顆粒變得密實。凍融循環(huán)雖使得膨脹土產(chǎn)生膨脹劣化，但水泥、鋼渣和NaOH的加入有效地減少了膨脹土的凍脹，可見鋼渣對膨脹土的研究是有利的。對比未經(jīng)過凍融循環(huán)的試樣(圖11)，經(jīng)過凍融循環(huán)后試樣表面呈稀碎、疏松狀態(tài)，有裂隙發(fā)育可見。裂隙的出現(xiàn)是導致改良土試樣在凍融循環(huán)下物理性質(zhì)出現(xiàn)過大變化的主要原因。

圖12 第12次F-T循環(huán)后試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖(90d)

5 結(jié) 論

通過室內(nèi)試驗，測定凍融循環(huán)作用下鋼渣粉、水泥以及NaOH等外摻料改良膨脹土的體積變化率、自由膨脹率、無荷膨脹率以及無側(cè)限抗壓強度等參數(shù)，并對其變化規(guī)律進行了分析，得到以下幾點結(jié)論：

(1)改良后的膨脹土與未改良膨脹土相比，由于水泥、鋼渣粉等外摻料的水化作用生成膠凝產(chǎn)物，致使膨脹土顆粒變得密實，水分降低，因此在凍融循環(huán)作用下，體積變化率明顯降低。

(2)用鋼渣粉改良膨脹土，可有效改善膨脹土凍融循環(huán)體積膨脹特性。隨養(yǎng)護齡期的增長，改良后的膨脹土在凍融循環(huán)作用下體積膨脹變小； 隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，體積變化率趨于平穩(wěn)，自由膨脹率和無荷膨脹率均降低。

(3)3種改良土整體結(jié)構(gòu)性良好，但仍可見裂隙的存在，所以裂隙的出現(xiàn)是導致改良土試樣在凍融循環(huán)下物理性質(zhì)出現(xiàn)過大變化的主要原因。對比ES-C改良土，在凍融循環(huán)下，ES-SSP-C以及ES-SSP-C-SH兩種改良土試樣顆粒間的聯(lián)結(jié)更緊密，證明鋼渣的加入提升膨脹土的抗凍性。

(4)ES-C、ES-SSP-C和ES-SSP-C-SH 3種改良膨脹土，在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)作用后，其無側(cè)限抗壓強度值與凍融循環(huán)前土樣的養(yǎng)護齡期有著密切的關(guān)系，試樣養(yǎng)護齡期越長，凍融循環(huán)對強度的影響越小。摻入NaOH活性激發(fā)劑后的鋼渣水泥改良膨脹土，抗凍融循環(huán)作用最明顯。