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刘春龙，刘奉银，黄素娟，付 争，3，王 锐，王松鹤
（1.平阳县交通运输局 公路与运输管理中心，浙江 平阳 325400；
2.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048；
3.西安特变电工电力设计院，陕西 西安 710119；
4.东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）
实际工程中利用石灰加固土应用较为广泛，尤其是固化湿土效果更显著［1］，主要是石灰在土体中发生一系列化学和物理化学作用，包括离子交换、结晶作用和碳化作用等［2］。对于软土地区，路基填筑材料受宕渣资源紧缺和温差变化的影响，为实现就地取材，因地制宜，降低成本，将宕渣填筑变更为石灰土填筑是一个很好的选择，但灰土回填后碳化时间长、硬化速率慢、强度较低，因此，能够使灰土在不完全依靠碳化而快速形成强度，且对受温度影响小的改良灰土是值得研究的。偏高岭土是一种高活性矿物掺合料，其活性成分SiO2和Al2O3与石灰发生火山灰反应［3-4］，该反应具有速度快，受环境影响小，水化产物强度高等特点，且偏高岭土具有生产工艺简单、造价低等特点，成为目前改良灰土的材料之一。我国多年冻土和季节冻土区占陆地国土面积的一半以上，冻融循环作用对工程的建设和运营影响较大［5］。因此，有必要研究改性灰土在冻融循环条件下的力学特性，以期更好地为实际工程服务。
目前，利用水泥以及化学试剂等对土进行固化的研究较多，但这些材料在生产上均存在一定污染。因此，高效、无污染的活性矿物如偏高岭土、硅灰、粉煤灰等逐渐走入科研工作者的视野。偏高岭土（AS2）是由高岭土（AS2H2）经过适当温度煅烧后形成的人工火山灰材料，与熟石灰（CH）和水（H）发生火山灰反应，生成与水泥材料相似的水化产物，包括水化硅酸钙（CSH）、水化硅铝酸钙（C2ASH8）、水化铝酸四钙（C4AH13）和水化石榴石（C3A（S）3-xH2x）等，这些水化胶凝物粘结在土颗粒周围，在空间上形成强度骨架，增强灰土材料力学性能［6-7］。国内外学者对火山灰反应的水化产物进行了大量研究，发现反应产物受偏高岭土与石灰比例（主要是Si/Ca），偏高岭土自身成分的Si/Al 比，养护环境如CO2浓度、温度和湿度、养护时间等的差异而存在变化。Serry 等［8］首先对偏高岭土与石灰水化产物进行研究，晶体相主要是水化硅铝酸钙（C2ASH8）。Comel［9］对碱激发材料进行研究，发现常温条件下偏高岭土与石灰反应生成C2ASH8和CSH 的同时，伴随有C4AH13或单碳铝化合物（C4AC_CH11）产生。偏高岭土与石灰发生火山灰反应的方程式可用式（1）～（3）表示。偏高岭土、粉煤灰、硅灰、煤矸石等工业固废价格较低。刘春龙等［10］对偏高岭土改良灰土材料进行研究，发现加入10%的偏高岭土使灰土产生带状分布的凝胶物质，其力学性能较石灰土材料更优异。在此基础上，改性灰土的力学性能受温度影响的规律需要进一步探讨。目前，国内外学者对土体遭受冻融循环进行了大量研究，发现水分迁移及结构性发生变化是其强度弱化的根本原因，且这一过程的水-热-力-气变化极其复杂［11-14］。综上所述，对灰土的改良及应用研究较多，其力学性能受低温影响需要进一步讨论，尤其是冻融循环次导致的内部孔隙率变化与强度的关系。
本文考虑灰土反应速率和冻融循环条件，拟从灰土的力学参数和孔隙率入手，研究偏高岭土改良灰土的可行性。首先分析偏高岭土改良灰土的力学参数与冻融循环次数的关系，然后利用数字图像处理技术得出孔隙率与冻融循环次数的关系，在此基础上建立力学参数与孔隙率的关系，最后通过讨论龄期、石灰含量和含水率变化规律，分析偏高岭土改良灰土的机制。
1.1 试样制备
试验材料包括粉质黏土、石灰、偏高岭土和蒸馏水，其中粉质黏土的最大干密度为1.63 g·cm-3，对应的最优含水率为19.5%，粉质黏土物理性质见表1。
表1 粉质黏土的基本物理指标Table 1 Basic physical parameters of silty clay
称取一定质量的粉质黏土（msc），分别掺入不同比例的石灰（L）和偏高岭土（MK），制备偏高岭土-灰土试样Lm-MKn（m为石灰含量，n为偏高岭土含量），如表2～3 所示。表2 中MK 含量分别为0%、3%、7%和10%（MK 与msc比值），表3 中L 含量分别为7%、10%、13%和16%（L 与msc比值），分别研究MK 和L 含量对试样强度的影响（A-1 组与B-3 组相同）。试样中水固比为30%（水与干燥固体粉末质量比值），按照《土工试验方法标准》［15］制备ø39.1×80.0 mm 干密度为1.52 g·cm-3的试样，将试样放入温度20±0.1 ℃、湿度为95%±5%的干燥器中，分别养护3 d、7 d、14 d 和28 d，进行无侧限抗压强度试验。
表2 偏高岭土改性灰土试验方案（质量比）Table 2 Test plan of metakaolin modified lime（mass ratio）
表3 石灰含量试验方案（质量比）Table 3 Test plan of lime content（mass ratio）
1.2 冻融循环试验方案
为研究冻融循环对Lm-MKn强度和表面孔隙的影响，另制备表2 中ø39.1×80.0 mm 和ø70.0×10.0 mm 的试样，养护7 d 后，将试样放置在DWX-150-30 型恒温冷藏箱（±20 ℃）进行冻融循环试验。试验采用封闭不补水环境，分别对冻融循环次数为0、2、5、7、10、15 和20 次的ø39.1×80.0 mm 试样进行无侧限抗压强度试验和三轴剪切试验，对ø70.0×10.0 mm 试样进行表面观测。其中，冻8 h、融8 h为1次冻融循环周期，如图1所示。
图1 冻融循环时间历程Fig.1 Freeze-thaw cycle time history
1.3 数字图像处理方法
数字图像处理是将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。目前，数字图像的彩色信息表达方式常用RGB 模型，它是使用红、绿和蓝三原色亮度来定量表示彩色颜色。利用现有图像处理软件可以轻松实现图像的变换、编码压缩、分割、描述、增强和复原。许多学者利用数字图像处理技术对土体微细观结构和宏观力学性质的定量关系进行了大量研究，并建立了一定的关系［16-17］。本文利用MATLAB 软件识别微孔隙结构并计算孔隙率，计算过程如下：
（1）将经受冻融循环后的试样放置在带有固定卡槽的装置上，保证对试样每次拍摄的位置相同。
（2）使用Photoshop 软件的圆形选区工具，将拍摄好的照片去除背景，只留下试样部分，记录圆形选区的像素半径，计算照片中的总像素值。
（3）使用MATLAB 将仅有试样部分的照片进行灰度处理，其中MATLAB 的命令函数为grb2gray。
（4）使用MATLAB 中的im2bw 函数对灰度图像进行二值化，图像阈值选择Graythresh 函数，它使用最大类间方差法，能够自动找到图像一个合适的阈值。
（5）利用MATLAB 中的numel 函数，读取图片中的孔隙数量，利用步骤（2）计算的总像素值计算冻融循环后试样产生的孔隙率。
2.1 无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系
根据表2的试验方案，将龄期为7 d的灰土试样（L13-MK0）和偏高岭土灰土试样（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）取出，分别进行相应次数的冻融循环并测试试样的无侧限抗压强度，试验结果如图2 所示，并对试验结果进行拟合，拟合函数及各项系数如表4所示。
图2 冻融循环次数与无侧限抗压强度的关系Fig.2 Relationship between freeze-thaw cycles and unconfined compressive strength
表4 无侧限抗压强度与冻融循环次数关系的拟合公式Table 4 Fitting formula of the relationship between unconfined compressive strength and freeze-thaw cycles
由图2可以看出，L13-MK0试样7 d龄期的强度随冻融循环次数的增加而呈减小趋势，冻融循环10次后强度基本不发生变化。加入偏高岭土的试样，0 次冻融循环的强度明显高于L13-MK0 试样，且偏高岭土含量越多强度越大。随着冻融循环次数的增加，强度逐渐降低，但当冻融循环次数超过10 次后，强度有所回升，且增加幅度与偏高岭土含量有关。这一特性在L13-MK0试样中不存在，表明经偏高岭土改良过的灰土试样遭受冻融循环后强度已恢复，这主要是7 d 龄期的试样偏高岭土与石灰继续发生火山灰反应造成的。
2.2 三轴剪切试验结果与分析
与无侧限抗压强度的试验方法相同，对龄期为7 d、不同冻融循环次数的灰土试样（L13-MK0）和偏高岭土灰土试样（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）进行三轴剪切试验，围压分别为50、100、150 和200 kPa，其黏聚力和内摩擦角与冻融循环次数的试验结果如图3 所示，二次函数拟合结果见表5～6。
图3 冻融循环次数与黏聚力和内摩擦角的关系Fig.3 Relationship between freeze-thaw cycles and cohesion（a）and internal friction angle（b）
表5 冻融循环次数与黏聚力的拟合公式Table 5 Fitting formula between freeze-thaw cycles and cohesion
表6 冻融循环次数与内摩擦角的拟合公式Table 6 Fitting formula between freeze-thaw cycles and internal friction angle
由图3 可以看出，随着冻融循环次数的增加，L13-MK0 试样的黏聚力和内摩擦角呈减小趋势，当冻融循环超过10次后，其力学参数变化不大。加入偏高岭土的试样，当冻融循环次数超过10 次后，黏聚力和内摩擦角均有所回升，且随着偏高岭土含量的增多增加幅度越大，这与无侧限抗压强度的试验结果基本一致。
3.1 冻融循环条件下试样表面的变化
通过数字图像处理技术，对冻融循环后灰土试样（L13-MK0）和偏高岭土灰土试样（L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10）的照片进行二值化分析和孔隙参数提取，二值化处理结果和提取的试样孔隙参数如图4 所示。其中，A 图为0 次冻融循环L13-MK0 试样，B 图为0 次冻融循环L13-MK10 试样，C图为20 次冻融循环L13-MK0 试样，D 图为20 次冻融循环L13-MK10试样。
图4 养护7天冻融循环试样灰度结果与孔隙提取图Fig.4 Gray-scale results（a）and pore extraction diagram（b）of freeze-thaw cycle samples after curing for 7 days
由图4（a）可以看出，经历20 次冻融循环后的L13-MK0 试样表面变得较为粗糙，而L13-MK10 试样表面变化不大。由提取的试样孔隙图4（b）可以看出，L13-MK0 试样和L13-MK10 试样在0 次冻融循环时，其表面存在一定的天然孔隙，随着冻融循环次数的增多，孔隙逐渐增多。添加偏高岭土的灰土试样，在相同冻融循环次数下产生的孔隙数量均少于灰土试样，可以看出偏高岭土具有改善灰土表面结构的作用。
3.2 孔隙率与冻融循环次数的关系
利用MATLAB 图像处理技术，可以计算出试样的孔隙数量，与试样的冻融循环次数的关系如图5 所示，孔隙率与冻融循环次数关系的拟合公式见表7。
图5 孔隙率与冻融循环次数的关系Fig.5 Relationship between porosity and freeze-thaw cycles
表7 试样孔隙率与冻融循环次数的拟合公式Table 7 Fitting formula between sample porosity and freeze-thaw cycles
由图5可以看出，龄期为7 d的试样未经历冻融循环，表面存在微孔隙，随着冻融循环次数的增加，孔隙率呈增大趋势。但偏高岭土的加入能够有效降低试样表面孔隙率，且随着偏高岭土含量的增多孔隙率明显降低，表明偏高岭土能够改善灰土微孔隙的产生。
3.3 孔隙率与黏聚力、内摩擦角以及抗压强度的关系
由上述研究结果可以看出，冻融循环次数对灰土试样的力学参数（黏聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度）影响较大，其主要原因是冻融循环作用导致试样内冰晶体反复冻融，一定程度上破坏试样内部原有结构，使试样内部孔隙率增大，但冻融循环次数影响力学参数只是表象，其根本原因还是试样内部孔隙率决定。因此，将冻融循环次数作为中间变量，可以利用力学参数的拟合公式（表4～6）与孔隙率（表7）建立对应关系，结果如图6～7所示。
图6 孔隙率与无侧限抗压强度的关系Fig.6 Relationship between porosity and unconfined compressive strength
由图6～7 可以看出，L13-MK0 试样的力学参数随着孔隙率的增加而降低，而添加偏高岭土的L13-MK3、L13-MK7、L13-MK10 试样，其力学参数呈先减小后增加的趋势，且产生的孔隙率随着偏高岭土含量的增多而明显降低，表明偏高岭土与石灰发生火山灰反应能够抵消冰晶体对灰土试样结构的破坏，增强灰土抗冻融循环的能力。
冻融循环导致L13-MK0 和L13-MK10 试样的力学参数降低，但两者的降低形式具有一定的区别。由图3中无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系可以看出，L13-MK0 试样随着冻融循环次数的增加，无侧限抗压强度（图3）、黏聚力和内摩擦角（图4）始终处于减小趋势，达到10 次冻融循环后，其力学参数基本不发生变化，试样在冻结过程中，Ca（OH）2以结晶体的形式粘结在土颗粒间。冻结过程与碳化作用争夺水分，使灰土碳化较慢，且产生孔隙较多。偏高岭土的加入使灰土强度的形成不只依靠碳化作用，经历20次冻融循环的试样，其养护时长比经历10次冻融循环试样多80 h正温龄期，偏高岭土与石灰在正温条件下继续发生火山灰反应，这是随着冻融循环次数的增加力学性能略有恢复的原因，也是灰土材料所完全不具备的［18-19］。
图7 孔隙率与黏聚力和内摩擦角的关系Fig.7 Relationship between porosity and cohesion（a）and internal friction angle（b）
为进一步研究偏高岭土改良灰土力学性能的机理，分析试样龄期、石灰含量对灰土试样强度的影响及含水率变化规律，对表2 中试验结果进行讨论。
4.1 龄期对偏高岭土改良灰土的影响
对表2 中MK 含量分别为0%、3%、7%和10%，养护龄期分别为3 d、7 d、14 d 和28 d 的试样进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图8所示。
图8中L13-MK0试样养护14 d后强度基本不发生变化，但随着偏高岭土含量的增多，试样强度增长幅度增大，增加10%的偏高岭土，其3 d强度由0.34 MPa增大到0.75 MPa，28 d 强度达到2.25 MPa，强度增长速率几乎不变，这就可以解释经历20次冻融循环的试样力学参数恢复的原因（图2～3、图6～7）：其强度是冻融循环、碳化作用和火山灰反应三者综合作用的结果。
图8 无侧限抗压强度与养护龄期的关系Fig.8 Relationship between unconfined compressive strength and curing age
4.2 石灰含量对强度的影响
表2 的试验方案是按照含量百分比制定的，试样总质量不变，但偏高岭土的加入，导致石灰的绝对含量发生变化。为了分析石灰变化的影响，需要进行石灰含量与灰土强度的试验（表3）。其中，L分别为7%（L7-MK0）、10%（L10-MK0）、13%（L13-MK0）和16%（L16-MK0），龄期为3 d、7 d、14 d 和28 d，试样无侧限抗压强度试验结果如图9所示。
由图9可以看出，3 d龄期的试样强度基本相等，此时灰土以离子交换和结晶作用为主，碳化反应对强度的贡献受石灰含量影响不大。随着龄期的增加，灰土试样强度逐渐增大，离子交换和结晶作用已经完成，碳化反应对强度的影响占主导地位。L含量为13%时强度达到最大（L13-MK0，该组试验与图8灰土试验相同），当L 含量增加到16%时（图9，L16-MK0），相当于MK 增加3%的试验组（图8，L13-MK3）。而两者的强度规律完全相反，即L16-MK0试样28 d 强度相较L13-MK0 试样降低了14.3%，L13-MK3 试样却增大了31.7%，表明等量增加石灰的效果没有添加偏高岭土的效果好，见表8。
表8 偏高岭土改良灰土强度对比Table 8 Strength comparison of metakaolin modified lime samples
图9 无侧限抗压强度与石灰含量的关系Fig.9 Relationship between unconfined compressive strength and lime content
4.3 含水率的变化规律
含水率的变化对冻融循环条件下的试样强度影响较大，冻融的本质是水-冰相变化的过程，因此，偏高岭土改良灰土除了增加火山灰反应形成强度骨架外，含水率变化是影响强度和表面孔隙率的另一个原因。表2中L13-MK0和L13-MK10试样的水固比均为30%，对2 组试样的0 d、3 d、7 d 和28 d含水率进行比较，结果如图10所示。
由图10可以看出，L13-MK0试样的含水率随着龄期增长先减小后不变，这主要是因为石灰离子交换和结晶作用吸收水分，使试样中的自由水含量降低，灰土碳化过程不再消耗水分。偏高岭土的加入使灰土在离子交换和结晶作用的基础上增加了火山灰反应，需要消耗大量的水分，随着反应的进行，火山灰反应产物的变化导致试样含水率回升（7 d龄期），但28 d的L13-MK10试样含水率明显低于L13-MK0试样，表明火山灰反应的最终产物明显降低了灰土试样的含水率，从而影响冻融循环试样的表面孔隙率。
图10 含水率与养护龄期的关系Fig.10 Relationship between water content and curing age
本文研究冻融循环条件下偏高岭土改良灰土的力学特性和孔隙特征与冻融循环次数的关系，讨论龄期、石灰含量和含水率的变化规律对偏高岭土改良灰土的影响机制。主要得出以下结论：
（1）偏高岭土能够提高灰土材料的反应速率，改善灰土材料的无侧限抗压强度、黏聚力和内摩擦角。
（2）冻融循环条件下，偏高岭土能够改善灰土力学性能变差的特点，降低冰晶体产生的孔隙率。
（3）石灰含量达到一定值后，增加3%的石灰将降低强度的8.5%，而同质量的偏高岭土强度增加34%。
（4）偏高岭土发生的火山灰反应，增加试样内部粘结力，且比灰土碳化过程消耗更多的水分，减少冻融循环条件下表面产生的孔隙率。
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