冻融循环下红色砒砂岩水泥土力学性能试验研究

耿凯强，李晓丽

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

鄂尔多斯地区地表、地面下分布着大量的砒砂岩.砒砂岩胶结力低、易于风化、遇水极易溃散、粒径分布相对集中且粒径较均匀的中粗砂[1-2].随着该地区的公路、铁路、桥梁等土木工程迅猛发展，工程中大部分砒砂岩以砂土的形式被开挖，开挖出来的砒砂岩散体将会再回填于基坑和路基中，此时裸露在表面的砒砂岩土体吸水性极强，极易在雨水冲刷下发生不均匀沉降和水土流失现象，这将会给工程建设带来极大的安全隐患.而裸露的砒砂岩散体颗粒极易被水蚀、风蚀，造成黄河沿岸严重的水土流失.由于水泥土具有取材方便、造价低廉、施工方便等优势，现已被广泛用于地基加固、基坑围护、渠道防渗衬砌、路面基层材料等各类土木工程领域中[3].以砒砂岩为主要材料，将砒砂岩、水泥和水按一定比例掺和而成的砒砂岩水泥土，能够改善砒砂岩遇水溃散的特性，提高砒砂岩土体的强度.砒砂岩水泥土既可以就地取材，节约成本，还可以减少水土流失，改善生态环境，为使砒砂岩水泥土能够充分发挥在工程中的作用，故开展其力学性能及耐久性研究十分重要.

鄂尔多斯砒砂岩地区存在季节性冻土问题.在寒冬季节，地表土层中孔隙水凝结成冰，冰晶体将土颗粒胶结在一起导致强度增加，而在低温环境下，水冻结成冰透镜体时将导致土体大幅度冻胀变形.当气温回暖时，冰晶体逐渐融化，此时土体强度逐渐降低，这将会导致一系列诸如沉陷滑塌、失稳和不均匀沉降现象的发生.因此，有必要对砒砂岩水泥土在冻融循环下的损伤特性进行探究.

国内外学者已经对水泥土展开了大量的研究[4-5]，探究了水泥掺入比、养护龄期与水泥土抗剪强度的关系；李建军等[6]通过讨论不同试验手段对测定水泥土变形模量的影响，得出了水泥土变形模量与抗压强度的关系；徐立胜等[7]分析了龄期、水泥种类和水泥掺入比对水泥土力学性能的影响；ESKISAR等[8]研究了水泥掺入比与压缩指数和脆性指数的关系.陈四利等[9]通过大量试验得到了不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度以及渗透系数影响.ZHAO等[10]研究了不同冻融循环次数、不同冻结温度与水泥土的抗剪强度的变化规律.LAKE等[11]研究了冻融循环下水泥土力学性能的损伤特性.可见，冻融循环对水泥土的影响不容忽视，如何在反复冻融下评价砒砂岩水泥土的强度是其在鄂尔多斯地区进一步应用的关键.文中探讨冻融循环对砒砂岩水泥土力学性能的影响，为后期砒砂岩水泥土在工程中的应用提供理论依据.

1 试验方案

1.1 试验材料

本次试验土样取自内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩，其物理力学指标如表1所示，表中θm为天然含水量，θs为饱和含水量，k为渗透系数，P为孔隙率，ρ为密度，WL为液限指数，WP为塑限指数，IP为塑性指数.将取回的砒砂岩碾磨压碎，自然风干后，过2.36 mm筛备用.水泥为冀东PO42.5普通硅酸盐水泥，其基本的水泥性能指标见表2，表中f为细度，Ti为初凝时间，Tf为终凝时间，Vs为体积安定性，LOI为烧失量，fc为抗压强度，ft为抗折强度.水为普通自来水.

表1 砒砂岩基本的物理指标

表2 水泥性能指标

1.2 试样制备及试验方法

试样制备根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)和《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)的有关规定进行.依据击实试验得到的最大干密度(1.88 g/cm3)和最优含水率(13.4%)，在砒砂岩中掺入5%，10%，15%，20%的硅酸盐水泥，将配制好的混合料分3层等质量装填到直径为39.1 mm，高度为80 mm的三瓣模击实筒内，分3层击实，击实完成后脱模.将脱模后的试样放入标准养护箱养护27 d后放入20±2 ℃水中浸泡24 h饱水后进行试验.

采取气冻水融的方法对砒砂岩水泥土进行冻融循环试验，1次冻融循环周期设置为24 h，文中冻融循环试验将试件放置在-20 ℃的低温箱中冻16 h，再在(20±2)℃水中浸泡8 h进行融化.如此进行数次冻融循环(0，1，3，5，7，9，11次).冻融完成后用TSZ-6A全自动静三轴仪，在室温下对试样进行三轴剪切试验(UU)，加载速率为0.5 mm/min，围压设置为100，200，300，400 kPa.

使用超景深三维显微镜对砒砂岩水泥土表面放大50倍，对砒砂岩水泥土的表面细貌特征进行观测.超景深显微镜可以用变焦镜头生成精确的3D曲面，用转盘式的触摸屏控制台可以控制对焦和旋转镜头，并用Leica Map软件对放大50倍的图像进行地形层采集和三维立体图像构建.

2 试验结果及分析

2.1 未冻融时水泥土的剪切特性

砒砂岩水泥土的抗剪强度参数与水泥掺量αw之间的关系如图1所示.图中黏聚力c、内摩擦角φ、峰值强度τm随水泥掺量的增加均呈现出线性增长的趋势.并将各参数与水泥掺量进行线性拟合，发现具有较好的拟合效果，拟合系数R2均大于0.980.这是由于水泥掺量越大，砒砂岩颗粒被水泥包裹得就越严密，水泥发生水化反应生成的胶凝物越多，黏聚力增大，胶结力增强，因此强度也就随之越大.

图1 砒砂岩水泥土的抗剪强度参数随水泥掺量变化的曲线图

2.2 冻融对水泥土各力学参数的影响

2.2.1 冻融对峰值强度的影响

图2为不同冻融循环次数下，峰值强度随围压变化情况.由图可知，水泥掺量为5%,10%的水泥土在初次冻融后峰值强度τm降低较大,σ为围压；15%水泥掺量下的砒砂岩水泥土在冻融3次时强度减小幅度较大，而水泥掺量为20%的水泥土随冻融循环次数的增加，峰值强度减少幅度缓慢.从中可以看出，砒砂岩水泥土的抗冻性随水泥掺量的增加而得到较好的改善.

图2 不同冻融循环次数下峰值强度随围压变化趋势图

通过引入阶段劣化度和总劣化度来更好地对比冻融循环对水泥土抗剪强度影响，即水泥土在冻融n次后峰值强度总降低为总劣化度Sn，冻融作用后峰值强度的降低值为阶段劣化度ΔSn，则

(1)

ΔSn=Sn-Sm，

(2)

式中：T0为砒砂岩水泥土在未冻融时的初始值；Tn为经历n次冻融循环后的峰值强度.当n=1次时，m=0；当n依次为3，5，7，9，11次时，m=n-2.

由于不同围压下劣化度与总劣化度变化规律大致相同，由于篇幅限制仅列举100 kPa围压下的ΔSn和Sn.通过表3可以看出水泥掺量为5%，10%，15%的砒砂岩水泥土的Sn随冻融次数的增加大致呈增长趋势，说明冻融次数越多，劣化程度越明显，而水泥掺量为20%的砒砂岩水泥土的峰值强度总劣化度不明显，表明掺量为20%的砒砂岩水泥土有较好的抗冻性.水泥掺量为5%，10%的砒砂岩水泥土在冻融第1次时的阶段劣化度较大，说明初始冻融对这2个掺量水泥的峰值强度影响较剧烈.由于水泥土试样处于正、负温周期性变化时，试样内部的水分不断发生相变，因此砒砂岩与水泥水化反应生成的胶结物在水冰相变作用下产生的膨胀力不断挤压下，胶结物质遭到破坏，孔隙结构逐渐增大，内部结构变得松散，峰值强度降低.而11次的冻融循环产生的膨胀力对水泥掺量为20%的水泥土影响较小，所以峰值总劣化度增长得不明显.

表3 不同冻融次数下砒砂岩水泥土峰值强度劣化度

2.2.2 冻融对黏聚力和内摩擦角的影响

各配比下的砒砂岩水泥土的黏聚力c随冻融次数n的增加呈现出降低趋势，而在冻融循环第3次之后水泥掺量αw为20%的砒砂岩水泥土的黏聚力变化趋于稳定，见图3a.随冻融循环次数的增加，各配比下的水泥土的内摩擦角均呈波浪状运动趋势，见图3b.从图中可以看出，冻融循环对砒砂岩水泥土的黏聚力影响更大，对内摩擦角影响较小，冻融循环对砒砂岩水泥土抗剪强度的主要影响是通过改变黏聚力实现的.

图3 黏聚力和内摩擦角随冻融循环次数的变化趋势

2.2.3 冻融对水泥土细观结构的影响

为研究不同冻融循环对砒砂岩水泥土结构影响，借助超景深显微镜对试件表面的细观形貌进行观测.以水泥掺量为5%,20%的试样为例，如图4所示，经过11次冻融后5%水泥掺量的试样的表面平均高差由198 μm变为847 μm，而水泥掺量为20%的试样的表面平均高差由163 μm变为184 μm.由此可见砒砂岩水泥土的表面细观结构在冻融循环下发生改变，试样内部结构遭到破坏致使孔隙逐渐增大.

图4 砒砂岩水泥土超景深3D图

低温环境下，试件表面的水分最先结冰，使得试件中的水分由外向内逐步扩展形成冰晶体，从而产生压力梯度.试件中胶凝物质所产生的拉力小于水冰相变时产生的压力时，将发生冻融损伤和破坏，致使试件内部孔隙劣化，表面颗粒逐步脱落.水泥掺量越高，其砒砂岩颗粒被水泥砂浆包裹得越多，水化产物C-S-H等胶凝物质对砒砂岩土颗粒连接得越紧密，水分子就越难进入试样内部，水冰相变的膨胀力就越小.所以高掺量水泥下的水泥土试样表面破坏不明显，具有较好的抗冻性，而低掺量水泥下的砒砂岩水泥土的胶凝物质极易在反复冻融循环作用下遭到破坏，水分更容易渗入试件内部，最终导致在反复的水冰相变中砒砂岩颗粒脱落.

3 结 论

1) 砒砂岩水泥土的应力-应变曲线表现为应变软化特性.随水泥掺量的增加水泥土的脆性特征表现得越明显，砒砂岩水泥土的峰值强度、黏聚力、内摩擦角均随水泥掺量增加呈线性增长.

2) 水泥掺量为5%，10%的砒砂岩水泥土的峰值强度在初次冻融下降低明显.水泥掺量为5%，10%，15%的砒砂岩水泥土的峰值总劣化度随冻融循环次数的增加呈现出增长趋势，只有水泥掺量为20%水泥土的峰值总劣化度在冻融循环作用下变化趋势不明显.

3) 随着冻融次数的增加，不同水泥掺量的砒砂岩水泥土的黏聚力都呈现出减小的趋势，而内摩擦角呈波浪状变化趋势上下波动且变化幅度不大，从而可以看出冻融循环对内摩擦角影响较小，对黏聚力影响较大.而水泥掺量为20%的砒砂岩水泥土在冻融第3次以后黏聚力趋于稳定，表明水泥掺量的增多，可提高水泥土抗冻性.

4) 通过超景深对水泥土细观结构观测发现，在冻融循环作用下，5%水泥掺量下的砒砂岩水泥土的3个界面纵向位移变化大，而水泥掺量为20%的砒砂岩水泥土纵向位移不明显.冻融循环致使低掺量水泥的砒砂岩水泥土的细观结构发生较大改变，试件内部孔隙结构逐渐增大，而随水泥掺量的增加水泥土结构致密性得到了改善，有效地抵抗了水冰相变产生的膨胀力，从而提高了水泥土的抗冻性.