冻融循环下有机质水泥土的抗压强度与微观孔隙特征

刘欣，赵记领，杨平*

(1. 南京林业大学土木工程学院，南京 210037； 2. 常州地铁集团有限公司，常州 213000)

我国季节冻土地区存在大量有机质土，其工程特性与常规软土不同，具有孔隙比大、含水量高、极强冻胀特性[1-2]。且随气温周期变化经历着反复冻融，在此类地区工程建设面临严峻挑战。基于采用水泥系对有机质土加固治理为工程背景，冻融循环下强度特性是工程设计与施工的重要参数，且孔隙特征可直接反映冻融作用下土体结构的变化。

有机质土主要成分为腐殖物质，腐殖物质中具有代表性的成分为富里酸与胡敏素，且富里酸对水泥水化负面影响最显著，因此很多学者通过添加富里酸配制有机质土[3]。关于有机质水泥土强度特性，国内方面已有大量研究成果。徐日庆等[4]研究发现，有机质水泥土强度随有机质含量增加呈对数减小，随水泥掺量提高强度呈幂函数增长，且破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏。郭丽敏等[5]、庹秋水等[6]分别以抗压强度、抗剪强度为评价指标，研究了不同固化剂对有机质水泥土固化效果的影响程度及其固化机理。朱剑锋等[7]通过室内试验发现有机质水泥土抗压强度随含水量增加、龄期延长分别呈幂函数降低与对数增长，并建立了预测抗压强度的模型。宋爱苹等[8]研究发现掺入粉煤灰可减少有机质对水泥土强度的负面影响。国外方面，Zulkifley等[9]对水泥固化有机质土机理进行了探究，认为水泥搅拌工艺适用于深层有机质土加固。Harvey等[10]和Kalantari等[11]探究了有机质与养护条件对水泥土强度影响机理。

冻融循环会破坏水泥土内部结构[12-13]，研究发现水泥土中掺入橡胶颗粒、粉煤灰后，可提高其抗冻性能[14-15]。孔隙特征可反映冻融循环下土体结构变化，陈鑫等[16]发现随冻融次数增加，黄土孔隙率呈先增加后减小再稳定的趋势；侯淑鹏等[17]和孙韬[18]研究了冻融循环下水泥土的微观特征，并对水泥土损伤劣化机理进行了探究。

综上，常规条件下有机质水泥土强度特性已有不少研究，但冻融循环条件下有机质水泥土强度特性及孔隙特征研究尚很少开展。因此，笔者研究不同水泥-粉煤灰掺比(水泥掺入比-粉煤灰掺量)、冻融循环次数与龄期对水泥土强度及孔隙分布特征的影响，并分析抗压强度与微观孔隙特征间关系，可为季冻区有机质土加固治理研究提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试样制备

季冻区有机质土一般有机质含量(质量分数，下同)为5%～20%，含水率为20%～900%。考虑现场取土土质不均匀，且每个试样有机质含量难以定量一致，有机质土主要成分为富里酸，且富里酸对水泥水化负面影响最显著，因此很多学者通过添加富里酸室内配制有机质土开展研究[1-4]。基于采用水泥深层搅拌工艺处理有机质土，粉煤灰可减少有机质对水泥土强度的负面影响[8]，因此本研究通过人工配制有机质土，再通过掺入水泥与粉煤灰改良开展试验。

试验用土取自南京地区的典型粉质黏土，原状土指标见表1，级配曲线见图1。水泥为PS.A32.5，粉煤灰为巩义市元享净水材料厂生产的一级粉煤灰，富里酸为合肥巴斯夫生物科技有限公司生产的富里酸(≥98%分析纯)。原状土经105 ℃条件烘干24 h后，用试验木槌敲碎过2 mm筛，按有机质含量确定富里酸量，倒入量筒中并加入定量蒸馏水，用玻璃棒搅拌，将富里酸溶液倒入干土中，经手工拌和均匀，配制有机质含量为15%、含水率为40%的有机质土[4]，经密封并在(20±3)℃条件下静置24 h后使用。按照水灰比1∶2与不同水泥-粉煤灰掺比配制混合浆液再加入有机质土中，并充分搅拌。其中，有机质含量=富里酸质量/干土与水质量之和，水泥掺入比=水泥质量/有机质土质量，粉煤灰掺量=粉煤灰质量/有机质土质量。

表1 原状土基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of undisturbed soil

图1 级配曲线Fig. 1 Gradation curve of soil

1.2 试验方案与试验方法

单轴抗压试验试样尺寸为Ф50 mm×100 mm，经标准养护48 h后脱模，再密封养护到计划龄期。需要冻融的试样先放入水中浸泡96 h饱和，再密封放入环境箱进行冻融循环。考虑到季冻区极端温度可达-20 ℃，有机质水泥土冻结处于最不利状态，本研究1次冻融为：-20 ℃冻结12 h，标准室温20 ℃融化12 h[19]，直至达到指定冻融循环次数。试验采用南京林业大学自行研制的微机控制冻土压力试验机，参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》，加载速率为1%/min，试验峰值后应变达到3%～5%或应力下降20%结束试验。取3组平行样平均值为水泥土抗压强度，平行样满足最大值和最小值与中间值之差均不超过中间值的15%。

考虑通过水泥土试样切削制样，会造成压汞试样内部结构受损试验结果不精确，因此压汞试验试样采用特制模具制样，尺寸为Ф8 mm×10 mm，养护及冻融条件与抗压试验一致。试验前采用真空烘箱抽真空对水泥土样品进行干燥[20]，试验采用AutoPore IV9500全自动压汞仪，试验参数：汞表面张力取0.485 N/m，汞与样品浸润角取140°，最大进汞压力为241.32 MPa。具体试验方案见表2。

表2 试验方案Table 2 Test scheme

2 结果与分析

2.1 强度特性分析

根据试验数据情况，60 d龄期条件下所有试验掺比中20-5掺比强度最大，为合理掺比，具有代表性，因此以20-5掺比为例分析有机质水泥土破坏形态、应力-应变曲线特征、抗压强度与弹性模量特性。

2.1.1 有机质水泥土应力-应变曲线分析

有机质水泥土不同龄期与不同冻融循环次数下的应力-应变关系见图2。由图2a可见，随龄期延长有机质水泥土塑性减弱、脆性增强，3 d龄期时呈现明显塑性性能，随应变增加应力缓慢增长并趋于稳定数值，最大轴向应变达到试验规定应变结束条件；7 d时应力应变曲线开始出现峰值应力，峰值后缓慢下降，14 与28 d龄期曲线相似，随应变增加应力不断增长，应变继续增加应力缓慢增长直至达到峰值后下降；60与90 d龄期曲线相似，随应变增加，应力快速增长达到峰值后快速下降，轴向总应变很小；且龄期越长应力增长速率和下降速率均加剧，随龄期增长，各龄期曲线所对应峰值应力不断增长，且脆性不断增强。

由图2b可见，60 d龄期各冻融循环次数下(FT表示冻融循环)有机质水泥土应力应变趋势发展大体相同，随应变增加应力不断增长，且应力增长速率逐渐增大；直至达到峰值应力后，随应变继续增加应力不断下降达到结束条件。各曲线最大轴向应变值较小，不到1.5%，为脆性破坏。未冻融FT0峰值应力最大，对比未冻融，冻融1次后峰值应力下降幅度最大，冻融24次峰值应力最小。且随冻融次数增加，应力增长段斜率减小，峰值应力减小，对应峰值应变与最大轴向应变不断增大。

图2 不同龄期与不同冻融循环次数下的应力-应变关系Fig. 2 Stress-strain relationship after different curing periods and freeze-thaw cycles

2.1.2 龄期对抗压强度与弹性模量的影响

本研究弹性模量以抗压强度的1/2与其对应的应变比值来表征[21]，有机质水泥土抗压强度及弹性模量与龄期关系见图3。由图3可见，随龄期延长抗压强度及弹性模量呈现对数规律增长；随龄期延长，水泥土强度增长速度逐渐变小，由3 到7 d龄期的强度增长速度最大，为0.042 5 MPa/d，60 到90 d龄期，强度增长速度最小，仅为0.003 MPa/d，1个月仅增加了0.09 MPa；可见在60 d时水泥土强度已基本稳定，但随龄期延长仍会缓慢增长，因此本研究选择60 d龄期的有机质水泥土开展研究。有机质水泥土抗压强度增长规律的主要原因为：处于短龄期时，土体含有大量水分，此时处于水化反应初期，水泥水化反应剧烈，水化物生成量较多，水化物胶结土颗粒，因而水泥土强度增长幅度较大；随龄期延长，土体中水分消耗，当处于水泥水化后期时，水化反应缓慢，且粉煤灰火山灰质发生水化反应，水化产物生成量较少，共同作用将细化土体颗粒间的孔隙，增加土体密实度，因此长龄期条件下水泥土强度仍会呈现缓慢增长趋势。

图3 抗压强度及弹性模量与龄期关系曲线Fig. 3 Relationship curves among compressive strength, elastic modulus and curing period

2.1.3 冻融循环对抗压强度与弹性模量的影响

不同有机质水泥土水泥掺入比与粉煤灰掺量下抗压强度与冻融循环次数关系曲线见图4。由图4可知，抗压强度与冻融循环次数具有良好的指数拟合关系如下：

fcu=Ae-Bn+C

(1)

式中：fcu为抗压强度，MPa；n为冻融循环次数；A、B、C为具体拟合系数，详见表3。

各掺比下抗压强度随冻融循环次数变化趋势大体相同，随冻融循环次数增加，抗压强度呈指数规律减小，且强度逐渐趋于稳定，与现有研究一致[22]。其中1次冻融对抗压强度影响最大，强度下降最显著，20-7.5，20-5，20-2.5，20-0，15-5，10-5各掺比对应降幅(强度下降量/原强度值)分别为：12%，13%，9%，15%，16%，20%。

究其原因为：负温条件下水泥土中水结冰发生冻胀，冻胀力大于土颗粒间胶结力，造成土体结构破坏；正温条件下，随土中冰融化发生融沉，产生无法恢复的微裂纹，对比未冻融，1次冻融作用对水泥土强度影响最为明显；由于土体处于饱和状态，随冻融循环次数增加，水泥土土体间微裂纹不断发展，但达到一定次数后，由于试样密封没有水分的补充，土体冻胀时对土体间造成的裂纹得不到进一步发展，因而冻融循环次数达到一定次数时，水泥土抗压强度下降幅度会趋于稳定。

图4 抗压强度与冻融循环次数关系曲线Fig. 4 Relationship curves between compressive strength and freeze-thaw cycles

表3 有机质水泥土抗压强度与冻融循环次数拟合系数Table 3 Fitting relationship coefficients between compressive strength and freeze-thaw cycle of organic cement soils

不同水泥掺入比与粉煤灰掺量的有机质水泥土弹性模量与冻融循环次数关系见图5。由图5可知，和抗压强度相似，弹性模量与冻融循环次数具有良好的指数拟合关系如下：

E50=Ae-Bn+C

(2)

式中：E50为弹性模量，MPa；n为冻融循环次数；A、B、C为具体拟合系数，详见表4。

图5 弹性模量与冻融循环次数关系Fig. 5 Relationship curves between elastic modulus and freeze-thaw cycle

其中1次冻融对有机质水泥土弹性模量影响最大，由0次到1次冻融循环弹性模量下降最明显，当冻融循环次数达12次时，各掺比弹性模量下降幅度很小，且基本趋于稳定。

表4 有机质水泥土弹性模量与冻融循环次数拟合系数Table 4 Fitting relationship coefficients between elastic modulus and freeze-thaw cycles of organic cement soil

2.1.4 水泥-粉煤灰掺比对抗压强度的影响

有机质水泥土抗压强度与水泥-粉煤灰掺比关系曲线见图6。由图6a可知，固定5%粉煤灰掺量，各冻融循环次数下抗压强度均随水泥掺入比增加不断增大；掺入比由10%到15%，水泥土强度提升效果不明显，掺入比由15%增加到20%强度提升效果更为明显，各冻融循环次数FT(0，1，3，6，12，24)下强度增幅(强度增加量/原强度值)分别为：247%，264%，263%，274%，275%，273%；建议工程中宜选用水泥掺入比20%，其强度、固化效果、抗冻融性均较好。究其原因为：同一粉煤灰掺量下，随水泥掺入比增加，水泥水化反应的水化物生成量与自由水消耗量增加，胶结土颗粒，从而强化了土体结构；此外水泥水化物反应生成的胶凝产物填充了土颗粒间孔隙，提升了水泥土抗渗透性，减少了冻融循环过程中冻胀融沉损伤，因而在不同冻融循环次数下土体强度及抗冻融性增强明显。

由图6b可知，固定20%水泥掺入比，各冻融循环次数下的有机质水泥土抗压强度均随粉煤灰掺量增加呈现先增大后减小规律，存在一临界粉煤灰掺量5%使各冻融循环次数下抗压强度最大，且冻融循环24次后，其强度仍可达到0.485 MPa，说明水泥粉煤灰改良有机质土其强度可满足工程长期冻融循环环境。合理的粉煤灰掺量可有效提高冻融后水泥土强度，但过多粉煤灰掺量对提升水泥土强度会产生负面效果。究其原因为：在掺加水泥基础上掺加粉煤灰，水泥水化反应为粉煤灰所含有的火山灰质提供了反应所需的碱性环境条件，随粉煤灰水化生成的水化反应物，填充土体颗粒间的空隙，致使孔隙变得更小，增加了土体密实度，进一步提升了水泥土强度及抗渗性能，因而冻融循环前土体饱和含水率降低，冻融损伤减弱，因此粉煤灰可提升同一冻融循环次数下水泥土强度；但过量的粉煤灰无法充分反应，粉煤灰成分包裹于水泥矿物颗粒表面阻碍水泥水化反应，造成水泥土强度降低。不同水泥掺入比会存在一个合理的粉煤灰掺量，使水泥土强度最大。

图6 抗压强度与水泥-粉煤灰掺比关系曲线Fig. 6 Relationship curves between compressive strength and cement-fly ash ratio

2.1.5 有机质水泥土破坏形态

不同冻融循环次数的有机质水泥土单轴抗压试验后破坏形态见图7。由图7可知，在0，1，3次冻融循环次数下破坏特征大体相似，呈现为自试样上部延伸至中部的斜裂缝，剪切破坏特征明显，试样完整度较高；6次冻融循环后，剪切破坏特征不再明显，延伸发展的裂缝数量增多，上下部位有剥离趋势，完整度降低；12次冻融后，试样破碎明显有大部分剥离现象，完整度较差；随冻融循环次数继续增加，受冻融过程中的冻胀融沉影响，有机质水泥土内部结构损伤累计，24次冻融后的试样破坏已无法成形，破碎更为严重，完整度最差。此外结合图2b可知，随冻融循环次数增加试样破坏时轴向总应变增大。

图7 不同冻融循环次数下有机质水泥土单轴受压破坏形态Fig. 7 Failure modes of organic cement soil under uniaxial compression after different freeze-thaw cycles

2.2 微观孔隙特征分析

2.2.1 冻融循环下孔隙率变化规律

不同水泥-粉煤灰掺比下有机质水泥土孔隙率随冻融循环次数变化曲线见图8。由图8可知，随冻融循环次数增加，孔隙率呈对数规律不断增长且增长速度逐渐减慢，随冻融循环次数继续增加，孔隙率略有下降；1次冻融循后，各个掺比下孔隙率增长幅度最大，增加了11.03%～12.66%，可见，1次冻融循环对孔隙率影响最大；由1次到12次冻融循环孔隙率随冻融循环次数增加而增长速度逐渐减慢，增加了1.90%～3.42%；由12次到24次冻融循环孔隙率均略有下降，下降了0.40%～0.82%；可见当冻融循环次数达到12次，各掺比孔隙率变化基本趋于稳定。

图8 孔隙率随冻融循环次数变化曲线Fig. 8 Variation curves of void volume with freeze-thaw cycles under different cement-fly ash ratios

不同冻融循环次数下有机质水泥土孔隙率随水泥-粉煤灰掺比变化曲线见图9。由图9a可知，固定粉煤灰掺量5%，各冻融循环次数下孔隙率均随水泥掺入比增加不断减小。由此可见提高水泥土掺入比，可有效减小水泥土的孔隙率，提高水泥土的密实度。由图9b可知，固定水泥掺入比20%，各冻融循环次数下孔隙率随粉煤灰掺量增加呈先减小后上升规律，存在一粉煤灰掺量(5%)对应最小孔隙率。由此可见，在掺水泥基础上，掺入粉煤灰可有效减小水泥土孔隙率，提高水泥土密实度，但过高粉煤灰掺量对提高水泥土密实度不利。

图9 不同冻融循环次数下孔隙率随水泥-粉煤灰掺比变化曲线Fig. 9 Variation curves of void volume with cement-fly ash ratio after different freeze-thaw cycles

2.2.2 冻融循环下孔隙分布特征

结合现有对孔隙分类的研究[23]以及本试验情况，将有机质水泥土孔隙进行分类，划分为4种类型：①微孔(孔径≤50 nm)；②小孔(50 nm<孔径≤100 nm)；③中孔(100 nm<孔径≤1 000 nm)；④大孔(孔径>1 000 nm)。以20-5掺比为例，分析不同冻融循环次数下有机质水泥土的孔径分布(图10)，由图10可知，未经冻融时主要分布中孔与小孔以及微孔，占孔隙分布总和86.92%，中孔分布最多，占孔隙分布比例51.02%；1次冻融循环后，中孔与大孔分布比例均有明显上升，而小孔与微孔分布比例下降明显；由1次到12次冻融循环，大孔与中孔以及小孔与微孔分布比例均有上升与下降，大中孔与小微孔呈现“此长彼消”趋势，没有明显规律；24次冻融循环，大孔与中孔分布比例呈下降趋势，而小孔与微孔分布比例呈上升趋势。

究其原因为：1次冻融循环对水泥土影响最为明显，因为大孔与中孔中含水量较多，小孔与微孔含水量相对较少，低温条件下孔隙内水结成冰，随后融化出现冻胀融沉现象，进而孔隙会随裂隙发展，中孔发展为大孔，一些小孔与微孔发展为中孔与小孔；在多次冻融循环过程中，孔隙变化极为复杂，一些小孔隙在冻融作用下发展成为中、大孔径孔隙，一些大孔径孔隙分裂成中、小孔径孔隙，因而没有明显规律；随冻融循环次数不断增加，水泥土孔隙不断发展变化，但达到一定次数后，由于试样密封没有水分补充，土体冻胀对土体间造成的裂隙得不到进一步发展，因而冻融循环次数达到一定次数时，大孔与中孔分布比例趋于稳定，且在融沉作用下因土体疏松，大中孔发展为小微孔。

图10 不同冻融循环次数下的孔径分布Fig. 10 Pore size distributions under different freeze-thaw cycles

2.3 抗压强度与孔隙率、孔径分布关系

选取20-5掺比进行强度与孔隙率、孔径分布比例关系分析(图11)。由图11a可知，不同冻融循环次数FT(0，1，3，6，12，24)对应的有机质水泥土抗压强度随孔隙率增加呈指数规律不断减小，且抗压强度变化显著程度与孔隙率变化幅度成正比，说明水泥土孔隙率变化与强度关联显著。水泥土孔隙率低表示土体结构密实，强度高、力学性能好。由图11b可知，不同冻融循环次数对应的抗压强度随微孔(孔径≤50 nm)分布比例增加而增大，随中孔(100 nm<孔径≤1 000 nm)分布比例增加而减小，即微孔含量越多时强度越高，中孔含量越多时强度越低；而抗压强度与大孔(孔径>1 000 nm)、小孔(50 nm<孔径≤100 nm)之间没有明显关系；此外抗压强度随孔隙率与各孔分布比例不断变化仍有小幅度下降，但基本趋于稳定。究其原因为：冻融循环下，负温时水泥土孔隙中水结冰膨胀，正温时土体融化沉降，反复冻胀融沉作用破坏了土体内部结构，且土体间裂隙不断延伸发展导致土颗粒间隙增大(即孔隙率增加)，土颗粒间水化物胶结作用松弛即土颗粒间胶结力削弱，主要表现为微孔发展为中孔，进而在宏观上表现为强度随孔隙率增加、微孔分布比例减小、中孔分布比例增加而减小；由于试样密封无水分补给，冻融一定次数后，冻胀对土体造成的裂隙得不到进一步发展，此时冻胀融沉作用对土体结构影响趋于稳定，因此强度随孔隙率以及各孔径分布变化而下降也趋于稳定。

图11 抗压强度与孔隙率、孔径分布比例关系Fig. 11 Relationship curves among compressive strength, void volume and pore size distribution

3 结 论

本研究通过采用富里酸人工配制有机质土，再掺入水泥与粉煤灰改良有机质土，开展了不同龄期、不同冻融循环次数、不同水泥-粉煤灰掺比的有机质水泥土强度试验与压汞试验，研究了有机质水泥土强度特性与微观孔隙特征，主要结论如下：

1)随冻融循环次数增加，不同掺比下水泥土强度及弹模均呈指数规律减小，且最终强度会在冻融循环12次后逐渐趋于稳定，说明水泥粉煤灰改良有机质土其强度可满足工程长期冻融循环条件。

2)随水泥掺入比增加，水泥土强度增大；随粉煤灰掺量增加，水泥土强度呈现先增大后减小趋势，20%水泥掺量条件下存在一临界粉煤灰掺量(5%)对应最大强度，弹性模量与强度变化规律相对应，该掺量可作为季冻土地区改良有机质土的合理掺量。

3)1次冻融后中孔与大孔分布比例均显著上升，而小孔与微孔下降明显；由1次到12次冻融循环，大、中孔以及小、微孔分布比例均分别上升与下降，呈现“此长彼消”趋势；24次冻融后大孔与中孔分布比例呈下降趋势，而小孔与微孔呈上升趋势。

4)孔隙率随冻融循环次数增加呈对数规律增长，随水泥掺入比增加而降低，随粉煤灰掺量增加呈先降低后增长规律。抗压强度随孔隙率增加、微孔分布比例减小、中孔分布比例增加而减小，且最终趋于稳定。