冻融环境下纳米黏土改性滨海水泥土三轴力学特性研究

崔孝华

（芜湖市正泰工程建设监理（咨询）有限责任公司，安徽 芜湖 241000）

0 引言

冻土在我国许多地区分布广泛，主要分为多年性冻土、季节性冻土和短时性冻土[1]。土体内部孔隙水在冻融作用下发生迁移和相变，使得土体微观结构发生改变导致土体出现冻胀融沉现象，土体力学性能劣化[2]。冻融循环作用是冻土地区地下工程发生病害的重要因素[3]。为克服冻融循环对土体的劣化作用，工程中常用水泥等对土体进行改良[4]。

工程中常用水泥改良土体，但是随着水泥掺量的增加土体脆性增大，易出现裂缝[5]。纳米黏土表面具有大量的自由原子和分子，因此可以从物理和化学角度提升土体表面活性，促进土体发生反应，从而改善土体内部结构和提升土体强度[6]。Arabani等[7]在水泥稳定砂中掺入纳米黏土并进行了无侧限抗压强度试验，结果表明在28d龄期下，当纳米黏土掺量为2%时改性水泥稳定砂的抗压强度提高48%。杨静在水泥土中掺入纳米黏土并进行了直剪试验，结果表明纳米黏土的加入可以提高水泥土的抗剪强度、粘聚力和摩擦角。

目前，关于冻融作用对水泥土影响的研究主要集中于水泥土强度劣化规律、冻融循环温度、时间与应力关系等[8]，而在冻融环境下水泥土微观参数定量分析的研究成果较少。本文以水泥土和纳米黏土改性水泥土（下文简称“纳米水泥土”）为研究对象，通过三轴不固结不排水剪切试验，探究不同冻融循环次数下水泥土抗剪强度和微观结构参数的变化，分析冻融循环作用对水泥土和纳米水泥土劣化的影响[9]。

1 试验材料与试样制备

1.1 试验材料

本文的研究用土是绍兴滨海软土，取自绍兴滨海新城滨江区，取土深度为1～1.6m。土体呈灰褐色，滨海软土的基本物理性质指标见表1。本试验所用纳米黏土系湖北某科技有限公司生产，整体呈米白色粉末状，纳米黏土的主要技术指标见表2。水泥为古越牌通用硅酸盐水泥PC32.5，水泥的主要技术指标见表3。

表1 滨海软土物理性质指标

表2 纳米黏土主要技术指标

表3 水泥主要技术指标

1.2 试样制备

根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），本试验制样过程在室内常温标准大气压下进行，具体步骤如下：

（1）将试验用土放入烘箱烘干，烘干后的土过2mm筛以去除土中大颗粒和杂质。

（2）以干土质量比为准进行配比，其中水泥掺量为20%，纳米黏土掺量为20%，混合土含水率为80%。

（3）将配置后的混合土分3层装入三轴模具（内直径39.1mm、高80mm）中并振实，每次振捣40下。

（4）在三次振捣完后，用刮刀将试样顶面和底面刮平，用滤纸和橡皮筋包住，带模具放入水中养护7d。

2 试验方案

2.1 冻融循环方案

将养护后的土样用保鲜膜密封，形成密闭的冻融环境，防止与外界进行水分交换。本试验选取0次、3次、5次、7次和10次对土体冻融循环。冻结温度设定为-5℃，融化温度为+5℃。冻融循环过程为24h，其中冷冻与融化均为12h，从而构成一次完整的冻融循环过程。试验方案见表4。

表4 水泥土与纳米水泥土试验方案

2.2 力学测试方案

试验仪器采用的是南京某科技有限公司生产的TKA-TTS-3S型的全自动应力路径三轴仪。对经历不同冻融循环次数的试样进行三轴不固结不排水试验，围压分别选取100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率为1mm/min，剪切应变达到15%时停止试验。

2.3 微观测试方案

扫描电镜测试仪器采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜。当三轴剪切试验结束后将试样掰碎，拾取破碎面上土样，进行风干后作为电镜扫描样。利用离子溅射仪对电镜扫描样表面进行喷金处理增加导电性，最后将制备完成的电镜扫描样置于电子扫描显微镜中[10]。对不同冻融循环次数下的改性水泥土进行扫描电镜成像，放大倍数为1000倍。

3 试验结果与分析

图1为不同冻融循环次数下水泥土的偏应力应变曲线。由图1可知未冻融的试样表现出明显的软化特性，偏应力随着应变的增大先增大后减小，最后趋于稳定。随着冻融次数的增加，水泥土的偏应力应变曲线逐渐由软化型向硬化型过渡，偏应力随着应变的增大而增大，且增大的速率逐渐减小。

图1 冻融作用下水泥土的应力应变曲线

在相同冻融次数下，随着围压的增大水泥土偏应力应变曲线由软化特性逐渐向硬化特性转变，且多次冻融循环后表现更为明显。这说明围压的大小对冻融后的水泥土应力应变曲线具有重要的影响，高围压增加颗粒间的联结力，减缓了在剪切破坏时裂纹和裂隙的生成[11]。

图2为不同冻融循环次数的纳米水泥土的应力应变曲线。在不同围压下纳米水泥土的应力应变曲线均表现为软化型，偏应力随着应变的增大而先增大后减小，最后趋于稳定。这是由于纳米黏土的掺入提高了土体表面的活性，促进水泥水化反应，生成了更多的水硬性胶凝物质[12]。

图2 冻融作用下纳米水泥土的应力应变曲线

不同冻融循环次数下的水泥土和纳米水泥土抗剪强度指标，见表4所示。水泥土和纳米水泥土的黏聚力都随着冻融次数的增加而减小，水泥土在冻融10次后的黏聚力较未冻融的下降了27%，纳米水泥土在冻融10次后的黏聚力较未冻融的下降了17%。冻融循环10次后，纳米水泥土黏聚力是水泥土的117%，表明纳米黏土的加入减弱了冻融作用对水泥土黏聚力的影响。

表4 不同冻融循环次数下的水泥土和纳米水泥土抗剪强度指标

冻融循环过程中，水泥土的内摩擦角变化幅度不大，而纳米水泥土的内摩擦角随着冻融次数的增加而减小[13]。其原因可能是纳米黏土的加入加快了水泥的水化反应，生成更多的水化产物，未冻融时纳米水泥土的内摩擦角明显大于水泥土[14]。随着冻融作用的进行，纳米水泥土内部大颗粒开始破裂，纳米黏土广泛分布于内部孔隙中[15]。由于纳米黏土颗粒主要呈粒状结构，且体型较小，进而减小了纳米水泥土内部颗粒与颗粒的咬合力[16]，因此在冻融10次后，纳米水泥土的内摩擦角小于水泥土。

4 结束语

本文通过对不同冻融循环次数的水泥土和纳米水泥土进行三轴试验试验和电镜扫描测试，得出以下结论：随着冻融次数的增加，试样的偏应力应变曲线由应变软化型过度到应变硬化型；掺入20%纳米黏土后，纳米水泥土的破坏偏应力、摩擦角和黏聚力均有所提高，其中在100kPa围压下，纳米水泥土和水泥土的破坏偏应力分别为467kPa和432kPa；纳米黏土的掺入提升了水泥土的抗冻融劣化能力。冻融循环10次后，纳米水泥土黏聚力约为未冻融的84%，水泥土黏聚力约为未冻融的73%。