冻融循环条件下水泥土损伤劣化特征研究

侯淑鹏，陈礼仪，王 胜，万宇豪，丁 修

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

冻融循环条件下水泥土损伤劣化特征研究

侯淑鹏，陈礼仪，王 胜，万宇豪，丁 修

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

水泥土材料目前在寒区工程建设中被广泛应用，寒区气候温度交替变化，对水泥土各方面性能影响较大，因此，研究冻融循环条件下水泥土的损伤劣化特征对于寒区工程建设和工程设计具有重要的参考价值。将取自新疆某边坡的原状土与普通水泥配制成水泥土，在冻结温度为-20 ℃、融解温度为20 ℃条件下分别进行0,3,9，15次冻融循环试验，不同循环次数后对水泥土试样进行单轴抗压强度试验和质量变化测定。在此基础上，采用扫描电镜分析水泥土的微观结构变化，探讨冻融循环条件下水泥土的损伤劣化机制。结果表明，水泥土的抗压强度和剩余质量随着冻融循环次数的增加而降低，水泥土抗压强度随冻融循环次数的变化规律可用关系式Rc=-0.11n+3.29表达。

水泥土；冻融循环；损伤劣化；力学特性；微观特征

1 研究背景

水泥土是水泥和土以及其他组分按照适当比例混合、拌制并经硬化而成的一种建筑材料。因本身具有节能环保、施工简便、材料来源广泛等优点，目前已在各类工程建设当中被大量使用，如作为基础稳定层材料被应用于路基垫层、软基加固处理等交通土建工程中[1]；作为防渗护坡材料被应用于渠道衬砌、边坡支护及坝体防渗等水利工程中[2]，这些广泛应用为我国经济建设创造了巨大的经济效益和社会效益。然而，实际工程中的水泥土材料总是处在一定的环境中，经受着外界各种因素的影响，强度和耐久性等性能也会随之发生改变。影响水泥土性能的因素很多，包括水泥品种、水泥掺量、土质、温度和龄期等[3-4]。其中，温度的变化是重要因素之一。当前，随着我国西部及北方寒区经济建设的快速发展，国家在这些地区投入大量建设工程，如青藏、川藏铁路工程、青康公路工程以及各种水电站大坝等，处于温度交替变化条件下的建筑材料则不可避免越来越多地被触及到。因此，研究温度交替变化对水泥土的损伤破坏作用，以及在这种作用下水泥土所表现出来的力学特征，对于寒区工程建设将具有重要的指导意义。

迄今为止，国内外对水泥土材料已开展了广泛研究。朱崇辉等[5]采用室内试验研究方法，对不同干密度、水泥掺量和龄期的水泥土进行了室内渗透试验研究，探讨水泥土渗透系数的变化规律；张鹏等[6]采用3种不同掺剂，利用共振柱，考虑不同掺量，在不同围压和剪切应变的条件下，对水泥土剪切模量和阻尼比的变化规律进行了试验研究；王贤昆等[7]采用正交试验法研究了不同养护龄期下水泥掺量、脱硫石膏及粉煤灰对水泥土抗压强度的影响，分析了各因素水平之间的差异；黄新等[8]研究分析了水泥固化土的孔隙水成分，并利用电子显微镜观察水泥土断面水化产物的微观形貌特征；童小东等[9]、张海燕等[10]、贾尚华等[11]通过对水泥土外加剂进行试验研究，从而提高水泥土各项性能。相比之下，对其冻融损伤的研究略显不足，陈四利等[12-13]对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行抗剪强度、抗压强度以及渗透系数试验，得到不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度及渗透系数影响的试验数据，并建立回归曲线方程。

冻融循环对水泥土微观结构变化以及力学特性的影响需要进行深入研究和探索。本次试验基于新疆吉木乃某边坡治理工程，该工程拟采用水泥土作为护坡材料。针对该地区昼夜温差大的实际情况，通过该试验对冻融循环条件下水泥土力学特征与微观结构进行分析，对其损伤劣化机制进行探讨。从而为水泥土在该边坡治理工程中的合理使用和工程设计提供参考，并对其它高寒地区的工程建设具有参考价值。

2 试验材料与方法

2.1 水泥土的配合比

试验所用的原状土取自新疆吉木乃某边坡工程，该土在自然状态下呈软塑状态，其主要物理性质指标见表1。

表1 土样主要物理性质指标

Table 1 Main physical properties of soil specimens

天然含水量ω/%风干含水量ω/%液限ωL/%塑限ωP/%塑性指数ΙP液性指数ΙL28．410．535．8624．1211．740．29

本次试验选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，每个水泥土试样的水泥掺量均为15%，粉质黏土掺量为85%进行研究与讨论。

2.2 水泥土试样制备

首先将取回土样风干、捣细并过2 mm孔筛，以除去未粉碎的大颗粒。按设计的水泥掺入比，分别称量适量的水泥、土样和拌合水(含水量40%)，充分搅拌均匀，分层装入边长为70.7 mm的立方体试模内捣实，抹平表面并进行编号，24 h后脱模，置于标准养护箱中养护，到规定龄期后进行冻融循环试验。

2.3 水泥土试件试验过程

本次冻融循环试验参照JGJ/T233—2011《水泥土配合比设计规程》的试验要求进行。本次试验主要仪器有：JB-T17671-40A型水泥混凝土标准养护箱、FYL-YS-128低温保存箱、WHY-1000型微机控制压力试验机、TM-3000型扫描电镜等。具体试验步骤如下：

(1) 水泥土养护28 d后取出，检查外观，然后用拧干的湿布将试件表面多余的水分擦去，用电子天平称出各试件质量，并记录下来。

(2) 参照我国北方寒区早晚的温差变化，本文冻融循环试验设定冻结和融化温度分别为-20 ℃和+ 20 ℃，冻结时在-20 ℃的恒温冷藏箱中，融化时放入水中浸泡，水温控制在(20±2)℃，浸泡时水面保持高出试件顶面20 mm以上。

(3) 试验时水泥土在恒温箱中先冻结12 h，然后再在水中融化12 h，即每个冻融循环周期为24 h，如此反复。试样共12个，编号为N-0-1至N-15-3，每3个试样为1组，共4组，每组对应一个冻融循环次数，分别为0,3,9，15次。

(4) 按不同冻融循环次数取出试件进行冻融后称重以及抗压强度、电镜扫描等试验。

3 结果与讨论

3.1 质量变化

对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行外观检查，并对试样剩余质量进行测定，见表2。结果表明：经历冻融循环后的水泥土试样总体质量都有所下降，但不同的冻融循环次数对其损伤劣化影响有所差别，质量变化特点不尽相同。在最初3次冻融循环过程中，水泥土质量损失平均约为0.17%，此时由于冰的冻胀和融缩，水泥土内部微孔隙不断增大，试样边缘出开始出现裂缝，但总体外观并未发生实质变化，只是试样表层损伤。经历9次冻融循环后，水泥土质量损失平均约为0.81%，此时试样裂缝大面积扩展，表层开始出现颗粒脱落现象。而在15次冻融循环之后，水泥土质量损失平均达到1.59%，试样表面出现软化层并开始大量酥松剥落，试块表面已失去原有形貌。总的来说，水泥土试样表面破损程度随着冻融循环次数的增加越来越大。水泥土经不同冻融循环次数后的形貌变化如图1所示。

表2 水泥土试样的质量变化

Table 2 Changes of the quality of cement soil samples

循环次数试件编号冻融前质量/g冻融后质量/g冻融前、后质量变化率/%N-0-1649．34-0．000N-0-2645．75-0．00N-0-3648．48-0．00N-3-1658．01657．240．123N-3-2651．12649．470．25N-3-3654．33653．490．13N-9-1654．21649．420．739N-9-2646．09639．860．96N-9-3650．77645．930．74N-15-1648．57637．241．7515N-15-2656．43647．081．42N-15-3654．35643．841．61

图1 水泥土不同冻融循环次数后试样表面破损情况

Fig.1 Surface damage of cemented soil specimen after different freezing-thawing cycles

3.2 单轴抗压强度

在室温下，对水泥土经历不同冻融循环次数(0,3,9,15次)后进行了单轴抗压试验，试验采用轴向位移速率控制，位移速率为2 mm/min，单轴抗压试验温度均为室温(20 ℃)。表3列出了水泥土经不同冻融循环次数后的单轴抗压强度。

表3 不同冻融循环次数后水泥土强度

Table 3 Strengths of cemented soil after different freezing-thawing cycles

循环次数试件编号强度/MPa循环次数试件编号强度/MPaN-0-13．32N-9-12．420N-0-23．259N-9-22．27N-0-33．29N-9-32．35N-3-13．01N-15-11．653N-3-22．9515N-15-21．77N-3-32．97N-15-31．70

从水泥土无侧限抗压强度试验结果可以看出，随着冻融循环次数的增加，其抗压强度逐渐降低。图2为3组水泥土在不同冻融循环次数下的强度损伤曲线(N-1，N-2，N-3分别代表第1组、第2组、第3组水泥土在不同冻融循环次数下的强度损伤曲线)。

图2 水泥土强度损伤曲线Fig.2 Strength degradation curves of cemented soil

由图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，水泥土抗压强度几乎呈线性降低，因此利用回归分析，水泥土抗压强度随冻融循环次数的变化规律可近似用线性关系代替，其方程约为

Rc=-0.11n+3.29 。

(1)

式中：Rc为水泥土抗压强度；n为冻融次数。

3.3 冻融系数表示的强度变化

对于水泥土，目前没有统一的纲量来表示冻融强度损伤规律，但可以借鉴岩石冻融强度损伤规律的表示方法。根据徐光苗等[14]的研究结果，岩石冻融系数可表示为

(2)

表4 不同冻融循环次数时水泥土冻融系数

Table 4 Freezing-thawing coefficients of cemented soil after different freezing-thawing cycles

循环次数试件编号冻融前强度均值/MPa冻融后强度/MPa冻融后强度均值/MPa冻融系数N-0-13．320N-0-23．293．253．291．00N-0-33．29N-3-13．013N-3-23．292．952．980．91N-3-32．97N-9-12．429N-9-23．292．272．350．71N-9-32．35N-15-11．6515N-15-23．291．771．710．52N-15-31．70

从表4可以看出，随着冻融循环次数的增加，水泥土冻融系数持续降低直至基本丧失强度，这从侧面也反映出水泥土强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。

3.4 微观结构特征

为了更直观形象地说明水泥土在不同冻融循环次数下微观结构的变化和力学特性，笔者还做了相应的电镜扫描试验。图3为水泥土分别在0，3，9,15次冻融循环时的微观结构变化特征。

图3 不同冻融循环次数下水泥土微观结构变化Fig.3 Microscopic structural changes of cemented soil after different freezing-thawing cycles

由图3可以看出，当水泥土经历3次冻融循环后，水泥土表面孔隙体积开始增大，而在9次、15次冻融循环时，水泥土表面开始出现裂纹并逐渐连通扩大。总体来看，随着冻融循环次数的增加，水泥土颗粒之间的空隙逐渐增大，内部连通的孔隙增多，结构变得疏松。这是因为，当水泥土处于冻结状态时，水泥土颗粒孔隙中的水会凝结成冰，体积有所增大，因而会对孔壁造成一定的挤压力，当这种挤压力超过水泥土的极限抗拉强度时，就会在孔隙周围产生微小裂缝等不可逆的结构变化；而当处于融解状态时，冰融解成水，水会进入到新的微孔隙中，外部的水分也会沿着孔隙通道向水泥土内部迁移，导致已有微孔隙的扩展和新微孔隙的产生，如此反复的冻融循环损伤积累，造成水泥土内部微小裂纹的持续扩展、连通，最终导致水泥土材料的严重损伤破坏。

水泥土冻融损伤劣化模式大致可总结如下：水泥土强度和密度较低、颗粒分散性强、原生缺陷的存在→经冻融循环水分向试样内部渗透→冻胀力作用于缺陷表面，使得试样在原有损伤的基础上产生新损伤→裂纹不断扩展贯通，游离颗粒剥落→表面软化、松散、剥落→损伤向内部扩展。

4 结 论

(1) 根据水泥土的冻融循环试验，可以看出，水泥土经冻融循环后的剩余质量和单轴抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。在3次冻融循环内，水泥土试样只是发生表层损伤；9次冻融循环后，试块裂缝大面积扩展，表层开始出现颗粒脱落现象；而在经历15次冻融循环后，水泥土强度急剧下降，试样表面出现软化层并开始大量酥松剥落，试块已失去原有形貌。

(2) 由水泥土经历不同冻融循环次数后的单轴抗压试验结果，得到水泥土强度随冻融次数的变化趋势，并建立了水泥土抗压强度随冻融循环次数变化的拟合曲线方程，即Rc=-0.11n+3.29。

(3) 采用扫描电镜对水泥土的微观结构特征进行了分析，探讨了水泥土的损伤劣化机制。

(4) 本文的试验现象和相应的结论对水泥土在寒区工程建设中的合理运用具有重要的参考价值。

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(编辑：罗 娟)

Degradation and Deterioration Behaviors of Cemented Soilunder Cyclic Freezing-thawing

HOU Shu-peng, CHEN Li-yi, WANG Sheng, WAN Yu-hao, DING Xiu

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention & Geoenvionment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

Cemented soil materials have been widely used in engineering construction in cold regions where climate and temperature have great influence on the properties of cemented soil. Researching the degradation and deterioration behaviors of cemented soil under cyclic freezing-thawing is of valuable reference for the construction and designof similar projects in cold regions. In this article, we mixed undisturbed soil from a slope in Xinjiang with ordinary cement to prepare the cemented soil for test, and conducted cyclic freezing and thawing tests of 0, 3, 9 and 15 times with the freezing temperature at -20 ℃ and thawing temperature at 20 ℃. Uniaxial compressive strength tests and quality analysis were performed after different cycles. On this basis, the microscopic structural changes of cemented soil were analyzed by using scanning electron microscopy (SEM) to investigate the degradation and deterioration mechanism of cemented soil under cycles of freezing and thawing. Results showed that the compressive strength and residual quality of cemented soil samples decreased with the increase of freezing-thawing cycle times, and the regularity of changes between freezing-thawing cycle times and compressive strength can be expressed with the fitting relation:Rc=-0.11n+3.29.

cemented soil; cycle of freezing and thawing; damage and deterioration; mechanical behaviors; microscopic characteristics

2015-09-10；

2015-10-20

国家自然科学基金面上项目(41272331， 51204027)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自由探索课题(SKLGP2012Z007)；中国地质调查局资助项目(12120113017300)

侯淑鹏(1992-)，男，河南获嘉县人，硕士研究生，主要从事钻掘工程材料方面的研究工作，(电话)18280497773(电子信箱)hspengcdut@163.com。

陈礼仪(1957-)，男，四川郫县人，教授，博士生导师，博士，研究方向为钻掘工程理论与方法，(电话)13658056638(电子信箱)cly@cdut.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150763

2016,33(12):124-127，132

TU525

A

1001-5485(2016)12-0124-04