侯淑鵬，陳禮儀，王 勝，萬宇豪，丁 修

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

凍融循環(huán)條件下水泥土損傷劣化特征研究

侯淑鵬，陳禮儀，王 勝，萬宇豪，丁 修

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

水泥土材料目前在寒區(qū)工程建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，寒區(qū)氣候溫度交替變化，對水泥土各方面性能影響較大，因此，研究凍融循環(huán)條件下水泥土的損傷劣化特征對于寒區(qū)工程建設(shè)和工程設(shè)計具有重要的參考價值。將取自新疆某邊坡的原狀土與普通水泥配制成水泥土，在凍結(jié)溫度為-20 ℃、融解溫度為20 ℃條件下分別進行0,3,9，15次凍融循環(huán)試驗，不同循環(huán)次數(shù)后對水泥土試樣進行單軸抗壓強度試驗和質(zhì)量變化測定。在此基礎(chǔ)上，采用掃描電鏡分析水泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化，探討凍融循環(huán)條件下水泥土的損傷劣化機制。結(jié)果表明，水泥土的抗壓強度和剩余質(zhì)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，水泥土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律可用關(guān)系式Rc=-0.11n+3.29表達。

水泥土；凍融循環(huán)；損傷劣化；力學(xué)特性；微觀特征

1 研究背景

水泥土是水泥和土以及其他組分按照適當(dāng)比例混合、拌制并經(jīng)硬化而成的一種建筑材料。因本身具有節(jié)能環(huán)保、施工簡便、材料來源廣泛等優(yōu)點，目前已在各類工程建設(shè)當(dāng)中被大量使用，如作為基礎(chǔ)穩(wěn)定層材料被應(yīng)用于路基墊層、軟基加固處理等交通土建工程中[1]；作為防滲護坡材料被應(yīng)用于渠道襯砌、邊坡支護及壩體防滲等水利工程中[2]，這些廣泛應(yīng)用為我國經(jīng)濟建設(shè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。然而，實際工程中的水泥土材料總是處在一定的環(huán)境中，經(jīng)受著外界各種因素的影響，強度和耐久性等性能也會隨之發(fā)生改變。影響水泥土性能的因素很多，包括水泥品種、水泥摻量、土質(zhì)、溫度和齡期等[3-4]。其中，溫度的變化是重要因素之一。當(dāng)前，隨著我國西部及北方寒區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，國家在這些地區(qū)投入大量建設(shè)工程，如青藏、川藏鐵路工程、青康公路工程以及各種水電站大壩等，處于溫度交替變化條件下的建筑材料則不可避免越來越多地被觸及到。因此，研究溫度交替變化對水泥土的損傷破壞作用，以及在這種作用下水泥土所表現(xiàn)出來的力學(xué)特征，對于寒區(qū)工程建設(shè)將具有重要的指導(dǎo)意義。

迄今為止，國內(nèi)外對水泥土材料已開展了廣泛研究。朱崇輝等[5]采用室內(nèi)試驗研究方法，對不同干密度、水泥摻量和齡期的水泥土進行了室內(nèi)滲透試驗研究，探討水泥土滲透系數(shù)的變化規(guī)律；張鵬等[6]采用3種不同摻劑，利用共振柱，考慮不同摻量，在不同圍壓和剪切應(yīng)變的條件下，對水泥土剪切模量和阻尼比的變化規(guī)律進行了試驗研究；王賢昆等[7]采用正交試驗法研究了不同養(yǎng)護齡期下水泥摻量、脫硫石膏及粉煤灰對水泥土抗壓強度的影響，分析了各因素水平之間的差異；黃新等[8]研究分析了水泥固化土的孔隙水成分，并利用電子顯微鏡觀察水泥土斷面水化產(chǎn)物的微觀形貌特征；童小東等[9]、張海燕等[10]、賈尚華等[11]通過對水泥土外加劑進行試驗研究，從而提高水泥土各項性能。相比之下，對其凍融損傷的研究略顯不足，陳四利等[12-13]對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的水泥土進行抗剪強度、抗壓強度以及滲透系數(shù)試驗，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗剪強度、抗壓強度及滲透系數(shù)影響的試驗數(shù)據(jù)，并建立回歸曲線方程。

凍融循環(huán)對水泥土微觀結(jié)構(gòu)變化以及力學(xué)特性的影響需要進行深入研究和探索。本次試驗基于新疆吉木乃某邊坡治理工程，該工程擬采用水泥土作為護坡材料。針對該地區(qū)晝夜溫差大的實際情況，通過該試驗對凍融循環(huán)條件下水泥土力學(xué)特征與微觀結(jié)構(gòu)進行分析，對其損傷劣化機制進行探討。從而為水泥土在該邊坡治理工程中的合理使用和工程設(shè)計提供參考，并對其它高寒地區(qū)的工程建設(shè)具有參考價值。

2 試驗材料與方法

2.1 水泥土的配合比

試驗所用的原狀土取自新疆吉木乃某邊坡工程，該土在自然狀態(tài)下呈軟塑狀態(tài)，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)

Table 1 Main physical properties of soil specimens

天然含水量ω/%風(fēng)干含水量ω/%液限ωL/%塑限ωP/%塑性指數(shù)ΙP液性指數(shù)ΙL28．410．535．8624．1211．740．29

本次試驗選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，每個水泥土試樣的水泥摻量均為15%，粉質(zhì)黏土摻量為85%進行研究與討論。

2.2 水泥土試樣制備

首先將取回土樣風(fēng)干、搗細并過2 mm孔篩，以除去未粉碎的大顆粒。按設(shè)計的水泥摻入比，分別稱量適量的水泥、土樣和拌合水(含水量40%)，充分?jǐn)嚢杈鶆?，分層裝入邊長為70.7 mm的立方體試模內(nèi)搗實，抹平表面并進行編號，24 h后脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，到規(guī)定齡期后進行凍融循環(huán)試驗。

2.3 水泥土試件試驗過程

本次凍融循環(huán)試驗參照J(rèn)GJ/T233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》的試驗要求進行。本次試驗主要儀器有：JB-T17671-40A型水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱、FYL-YS-128低溫保存箱、WHY-1000型微機控制壓力試驗機、TM-3000型掃描電鏡等。具體試驗步驟如下：

(1) 水泥土養(yǎng)護28 d后取出，檢查外觀，然后用擰干的濕布將試件表面多余的水分擦去，用電子天平稱出各試件質(zhì)量，并記錄下來。

(2) 參照我國北方寒區(qū)早晚的溫差變化，本文凍融循環(huán)試驗設(shè)定凍結(jié)和融化溫度分別為-20 ℃和+ 20 ℃，凍結(jié)時在-20 ℃的恒溫冷藏箱中，融化時放入水中浸泡，水溫控制在(20±2)℃，浸泡時水面保持高出試件頂面20 mm以上。

(3) 試驗時水泥土在恒溫箱中先凍結(jié)12 h，然后再在水中融化12 h，即每個凍融循環(huán)周期為24 h，如此反復(fù)。試樣共12個，編號為N-0-1至N-15-3，每3個試樣為1組，共4組，每組對應(yīng)一個凍融循環(huán)次數(shù)，分別為0,3,9，15次。

(4) 按不同凍融循環(huán)次數(shù)取出試件進行凍融后稱重以及抗壓強度、電鏡掃描等試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 質(zhì)量變化

對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的水泥土進行外觀檢查，并對試樣剩余質(zhì)量進行測定，見表2。結(jié)果表明：經(jīng)歷凍融循環(huán)后的水泥土試樣總體質(zhì)量都有所下降，但不同的凍融循環(huán)次數(shù)對其損傷劣化影響有所差別，質(zhì)量變化特點不盡相同。在最初3次凍融循環(huán)過程中，水泥土質(zhì)量損失平均約為0.17%，此時由于冰的凍脹和融縮，水泥土內(nèi)部微孔隙不斷增大，試樣邊緣出開始出現(xiàn)裂縫，但總體外觀并未發(fā)生實質(zhì)變化，只是試樣表層損傷。經(jīng)歷9次凍融循環(huán)后，水泥土質(zhì)量損失平均約為0.81%，此時試樣裂縫大面積擴展，表層開始出現(xiàn)顆粒脫落現(xiàn)象。而在15次凍融循環(huán)之后，水泥土質(zhì)量損失平均達到1.59%，試樣表面出現(xiàn)軟化層并開始大量酥松剝落，試塊表面已失去原有形貌?？偟膩碚f，水泥土試樣表面破損程度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加越來越大。水泥土經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的形貌變化如圖1所示。

表2 水泥土試樣的質(zhì)量變化

Table 2 Changes of the quality of cement soil samples

循環(huán)次數(shù)試件編號凍融前質(zhì)量/g凍融后質(zhì)量/g凍融前、后質(zhì)量變化率/%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

圖1 水泥土不同凍融循環(huán)次數(shù)后試樣表面破損情況

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

3.2 單軸抗壓強度

在室溫下，對水泥土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)(0,3,9,15次)后進行了單軸抗壓試驗，試驗采用軸向位移速率控制，位移速率為2 mm/min，單軸抗壓試驗溫度均為室溫(20 ℃)。表3列出了水泥土經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的單軸抗壓強度。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后水泥土強度

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

循環(huán)次數(shù)試件編號強度/MPa循環(huán)次數(shù)試件編號強度/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

從水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其抗壓強度逐漸降低。圖2為3組水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強度損傷曲線(N-1，N-2，N-3分別代表第1組、第2組、第3組水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強度損傷曲線)。

圖2 水泥土強度損傷曲線Fig.2 Strength degradation curves of cemented soil

由圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土抗壓強度幾乎呈線性降低，因此利用回歸分析，水泥土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律可近似用線性關(guān)系代替，其方程約為

Rc=-0.11n+3.29 。

(1)

式中：Rc為水泥土抗壓強度；n為凍融次數(shù)。

3.3 凍融系數(shù)表示的強度變化

對于水泥土，目前沒有統(tǒng)一的綱量來表示凍融強度損傷規(guī)律，但可以借鑒巖石凍融強度損傷規(guī)律的表示方法。根據(jù)徐光苗等[14]的研究結(jié)果，巖石凍融系數(shù)可表示為

(2)

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)時水泥土凍融系數(shù)

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

循環(huán)次數(shù)試件編號凍融前強度均值/MPa凍融后強度/MPa凍融后強度均值/MPa凍融系數(shù)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

從表4可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土凍融系數(shù)持續(xù)降低直至基本喪失強度，這從側(cè)面也反映出水泥土強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。

3.4 微觀結(jié)構(gòu)特征

為了更直觀形象地說明水泥土在不同凍融循環(huán)次數(shù)下微觀結(jié)構(gòu)的變化和力學(xué)特性，筆者還做了相應(yīng)的電鏡掃描試驗。圖3為水泥土分別在0，3，9,15次凍融循環(huán)時的微觀結(jié)構(gòu)變化特征。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.3 Microscopic structural changes of cemented soil after different freezing-thawing cycles

由圖3可以看出，當(dāng)水泥土經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，水泥土表面孔隙體積開始增大，而在9次、15次凍融循環(huán)時，水泥土表面開始出現(xiàn)裂紋并逐漸連通擴大。總體來看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土顆粒之間的空隙逐漸增大，內(nèi)部連通的孔隙增多，結(jié)構(gòu)變得疏松。這是因為，當(dāng)水泥土處于凍結(jié)狀態(tài)時，水泥土顆粒孔隙中的水會凝結(jié)成冰，體積有所增大，因而會對孔壁造成一定的擠壓力，當(dāng)這種擠壓力超過水泥土的極限抗拉強度時，就會在孔隙周圍產(chǎn)生微小裂縫等不可逆的結(jié)構(gòu)變化；而當(dāng)處于融解狀態(tài)時，冰融解成水，水會進入到新的微孔隙中，外部的水分也會沿著孔隙通道向水泥土內(nèi)部遷移，導(dǎo)致已有微孔隙的擴展和新微孔隙的產(chǎn)生，如此反復(fù)的凍融循環(huán)損傷積累，造成水泥土內(nèi)部微小裂紋的持續(xù)擴展、連通，最終導(dǎo)致水泥土材料的嚴(yán)重損傷破壞。

水泥土凍融損傷劣化模式大致可總結(jié)如下：水泥土強度和密度較低、顆粒分散性強、原生缺陷的存在→經(jīng)凍融循環(huán)水分向試樣內(nèi)部滲透→凍脹力作用于缺陷表面，使得試樣在原有損傷的基礎(chǔ)上產(chǎn)生新?lián)p傷→裂紋不斷擴展貫通，游離顆粒剝落→表面軟化、松散、剝落→損傷向內(nèi)部擴展。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)水泥土的凍融循環(huán)試驗，可以看出，水泥土經(jīng)凍融循環(huán)后的剩余質(zhì)量和單軸抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。在3次凍融循環(huán)內(nèi)，水泥土試樣只是發(fā)生表層損傷；9次凍融循環(huán)后，試塊裂縫大面積擴展，表層開始出現(xiàn)顆粒脫落現(xiàn)象；而在經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后，水泥土強度急劇下降，試樣表面出現(xiàn)軟化層并開始大量酥松剝落，試塊已失去原有形貌。

(2) 由水泥土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的單軸抗壓試驗結(jié)果，得到水泥土強度隨凍融次數(shù)的變化趨勢，并建立了水泥土抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的擬合曲線方程，即Rc=-0.11n+3.29。

(3) 采用掃描電鏡對水泥土的微觀結(jié)構(gòu)特征進行了分析，探討了水泥土的損傷劣化機制。

(4) 本文的試驗現(xiàn)象和相應(yīng)的結(jié)論對水泥土在寒區(qū)工程建設(shè)中的合理運用具有重要的參考價值。

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(編輯：羅 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

國家自然科學(xué)基金面上項目(41272331， 51204027)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室自由探索課題(SKLGP2012Z007)；中國地質(zhì)調(diào)查局資助項目(12120113017300)

侯淑鵬(1992-)，男，河南獲嘉縣人，碩士研究生，主要從事鉆掘工程材料方面的研究工作，(電話)18280497773(電子信箱)hspengcdut@163.com。

陳禮儀(1957-)，男，四川郫縣人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向為鉆掘工程理論與方法，(電話)13658056638(電子信箱)cly@cdut.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150763

2016,33(12):124-127，132

TU525

A

1001-5485(2016)12-0124-04