干濕-凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的路用性能與微觀機(jī)制

王東星，張子偉，王協(xié)群，鄒維列

(1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢，430072；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢，430070)

膨脹土含有大量蒙脫石、伊利石等黏土礦物，這類黏土礦物所具有的強(qiáng)親水性導(dǎo)致膨脹土浸水后體積顯著增大、強(qiáng)度衰減，而失水后其體積則急劇減小，是典型的非飽和土[1]。在季節(jié)性冰凍地區(qū)，膨脹土還將周期性地經(jīng)歷干濕、凍融循環(huán)作用過(guò)程[2-3]。作為一種性質(zhì)不良的特殊土，膨脹土一般不能直接用作路基填料。但對(duì)于膨脹土地區(qū)，由于非膨脹土匱乏，有時(shí)不得不就地采用膨脹土填筑路基。為解決膨脹土帶來(lái)的工程安全隱患[4]，必須采取技術(shù)措施對(duì)膨脹土進(jìn)行處理，其中土性改良法因其性價(jià)比高而被廣泛應(yīng)用[5-8]。

目前，針對(duì)水泥改性膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)，人們開(kāi)展了大量研究，取得了豐富的成果。吳新明等[9]發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量增加，膨脹土自由膨脹率顯著降低，當(dāng)水泥摻量超過(guò)8%時(shí)已不屬于膨脹土。黃斌等[10]根據(jù)膨脹率試驗(yàn)確定了最優(yōu)水泥摻量，認(rèn)為水泥改性膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化和脆性破壞特征。趙紅華等[11]發(fā)現(xiàn)水泥改性膨脹土經(jīng)歷了顆粒表面溶蝕、深層溶蝕分解和硬凝性膠膜形成的微觀結(jié)構(gòu)變化過(guò)程。劉鳴等[12]通過(guò)水泥改性膨脹土試驗(yàn)，確定了膨脹土料最大土團(tuán)級(jí)配和含水率控制標(biāo)準(zhǔn)。劉軍等[13]發(fā)現(xiàn)水泥改性中/弱膨脹土的膠粒含量和黏土礦物含量明顯降低。AL-RAWAS 等[14]利用室內(nèi)試驗(yàn)證明了水泥對(duì)膨脹土的減脹能力弱于石灰對(duì)膨脹土的減脹能力。PHANIKUMAR等[15]認(rèn)為摻加水泥能顯著提升石灰渣改性膨脹土的強(qiáng)度和承載力。POR等[16]發(fā)現(xiàn)水泥可有效降低膨脹土收縮應(yīng)變和豎向自由膨脹應(yīng)變，并顯著提升膨脹土強(qiáng)度和剛度。LU 等[17]分析了凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的變形和強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)水泥可增大膨脹土抗壓強(qiáng)度和回彈模量，減小凍融循環(huán)誘發(fā)的膨脹土脹縮程度。CAI等[18]通過(guò)開(kāi)展重載鐵路膨脹土路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到了水泥改良膨脹土路基的動(dòng)態(tài)荷載分布與衰減規(guī)律。

綜上所述，此前人們側(cè)重于研究水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度、膨脹性、穩(wěn)定性和孔隙結(jié)構(gòu)等力學(xué)性質(zhì)與作用機(jī)理，而針對(duì)經(jīng)歷干濕、凍融循環(huán)作用的季凍區(qū)改性膨脹土路基力學(xué)特性的演化及其微觀機(jī)理的研究還較少。本文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動(dòng)回彈模量、掃描電鏡、核磁共振等系列室內(nèi)試驗(yàn)，揭示干濕、凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的強(qiáng)度、剛度特性及孔隙結(jié)構(gòu)與微觀形貌，以期為季凍區(qū)水泥改性膨脹土路基的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為中膨脹土，取自黑龍江省齊齊哈爾市北部引嫩干渠烏北段。土樣來(lái)源地位于我國(guó)東北部，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候。夏季溫?zé)釢駶?rùn)，降雨充足，平均氣溫為23.1 ℃；冬季較為干旱，降水量較少，平均氣溫為-18.3 ℃。總體而言，該地區(qū)膨脹土在夏秋季節(jié)經(jīng)受干濕作用，而在冬春季節(jié)則經(jīng)歷凍融作用，即長(zhǎng)期經(jīng)歷周期性的干濕、凍融循環(huán)作用。所取膨脹土基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。土樣自由膨脹率為67%，歸類于中膨脹土，主要礦物成分為石英、伊利石、鈉長(zhǎng)石和方解石。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

所選水泥材料為常用的普通硅酸鹽水泥，代號(hào)為P·O 42.5，其主要化學(xué)成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。

1.2 試樣制備

開(kāi)展無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動(dòng)三軸試驗(yàn)等所需圓柱試樣的制備過(guò)程如下。1)將原狀膨脹土風(fēng)干碾碎、過(guò)篩(孔徑為2 mm)，將過(guò)篩土樣用密封袋保存并靜置1 d，用烘干法測(cè)定土樣的平均含水率，即可得所磨碎土樣的初始含水率。2)將水泥按設(shè)計(jì)摻量2%，4%和6%(水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)與土樣均勻混合后，用噴壺邊噴水邊攪拌均勻，直至達(dá)到各水泥摻量下改性膨脹土的最優(yōu)含水率。3)將配制好的水泥改性膨脹土料分3層放入鋼制模具中，采用靜壓法壓實(shí)制備壓實(shí)度為95%、高度分別為79.1 mm 和76.0 mm、直徑為38 mm 的圓柱試樣，并對(duì)壓實(shí)試樣表面進(jìn)行刨毛。4)將水泥改性膨脹土試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d 后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(試樣高度為79.1 mm)和動(dòng)三軸試驗(yàn)(試樣高度為76.0 mm)。

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDW-50 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成。為研究初始含水率對(duì)抗壓強(qiáng)度影響，設(shè)定試樣初始含水率分別為19%，21%，23%和25%，分布在最優(yōu)含水率的兩側(cè)。由最優(yōu)含水率向高含水率調(diào)整時(shí)，用濾紙包裹試樣并噴水；由最優(yōu)含水率向低含水率調(diào)整時(shí)，將試樣在自然條件下風(fēng)干。將達(dá)到目標(biāo)含水率的試樣用保鮮膜包裹密封，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d 后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

采用英國(guó)GDS 動(dòng)三軸儀研究該水泥改性膨脹土的動(dòng)力特性。該GDS 儀由主機(jī)、水下荷載傳感器、圍壓控制器、反壓控制器和DCS 數(shù)字控制系統(tǒng)等部分組成。該設(shè)備所用水下傳感器的位移量程為100 mm，荷載傳感器量程為10 kN，頻率為1～5 Hz。應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置16 個(gè)階段，第1 個(gè)階段為預(yù)壓階段，恒定應(yīng)力為2.8 kPa、循環(huán)應(yīng)力為24.8 kPa，頻率為1 Hz，循環(huán)加卸載1 000 次。設(shè)置3 組圍壓，分別為41.4，27.6 和13.8 kPa，恒定應(yīng)力為最大軸向應(yīng)力的10%；設(shè)計(jì)5組軸壓，恒定應(yīng)力分別為1.4，2.8，4.1，5.5和6.9 kPa，對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力分別為12.4，24.8，37.3，49.7 和62.0 kPa。15 個(gè)應(yīng)力組合對(duì)應(yīng)15 個(gè)階段，每個(gè)階段內(nèi)荷載頻率設(shè)定為1 Hz，荷載持續(xù)時(shí)間為0.1 s，荷載間歇為0.9 s，共循環(huán)100 次，每間隔0.02 s 記錄一次數(shù)據(jù)。

采用KB-TH-S-150Z可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱開(kāi)展凍融循環(huán)試驗(yàn)。實(shí)施一次凍融-干濕過(guò)程的步驟如下：1)試樣初始含水率為最優(yōu)含水率，采用保鮮膜包裹以保持含水率不變，放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，在-20 ℃凍結(jié)12 h，之后在20 ℃下融化12 h，完成一次凍融過(guò)程；2)去除保鮮膜，讓試樣在自然條件下風(fēng)干，使含水率下降到其縮限的15%；將脫濕試樣通過(guò)抽氣飽和法完成增濕，再將飽和試樣自然風(fēng)干至初始含水率時(shí)的質(zhì)量，即完成一次干濕過(guò)程。重復(fù)步驟1)和2)即可實(shí)現(xiàn)干濕-凍融循環(huán)。本次試驗(yàn)中，干濕-凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，1，3和10次。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素

2.1.1 水泥摻量

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水泥改性膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compression strength，UCS)隨水泥摻量的變化見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，水泥的摻入使膨脹土抗壓強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)水泥摻量從0增加到6%時(shí)，不同初始含水率下改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提升，二者近似呈二次曲線關(guān)系。以初始含水率為25%的試樣為例，當(dāng)水泥摻量從0增加到2%時(shí)，膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度為183%；當(dāng)水泥摻量從2%增加到4%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度為437%；當(dāng)水泥摻量從4%增加到6%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升約258%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅較4%水泥摻量時(shí)有所下降。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化Fig.1 Change of UCS with cement content

2.1.2 初始含水率

不同初始含水率對(duì)未經(jīng)干濕-凍融循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)水泥改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著初始含水率增大，不論是未改性的素膨脹土還是水泥改性膨脹土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈持續(xù)下降趨勢(shì)。當(dāng)初始含水率從19%升高到25%時(shí)，未摻水泥的素膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了76.5%，2%水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度下降了59.2%，4%水泥改性膨脹土抗壓強(qiáng)度下降了31.4%，6%水泥改性膨脹土抗壓強(qiáng)度下降了16.9%。可見(jiàn)，隨著水泥摻量增大，水泥改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受初始含水率變化的影響逐漸減弱。由圖2還可見(jiàn)：隨著水泥摻量增大，改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，這是因?yàn)樗傻哪z結(jié)物更多。

圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率的變化Fig.2 Change of UCS with initial water content

2.1.3 干濕-凍融循環(huán)

將不同水泥摻量、不同初始含水率的膨脹土試樣進(jìn)行0，1，3和10次干濕-凍融循環(huán)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕-凍融環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 水泥摻量和干濕-凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Combined effect of number of freeze-thaw and dry-wet cycles and cement content on UCS

由圖3可以看出：在經(jīng)歷若干次干濕-凍融循環(huán)作用之后，素膨脹土和水泥改性膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所下降。對(duì)于素膨脹土，在經(jīng)歷第1次干濕-凍融循環(huán)作用后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降幅最大；經(jīng)歷3次和10次干濕-凍融循環(huán)后其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依舊有所下降，但降幅遠(yuǎn)比第1次循環(huán)時(shí)的降幅小。初始含水率越低的試樣，其對(duì)應(yīng)的由干濕-凍融循環(huán)作用誘發(fā)的強(qiáng)度降幅越大。這是因?yàn)?，在?jīng)歷第1 次干濕-凍融循環(huán)后，素膨脹土試樣孔隙結(jié)構(gòu)已受到嚴(yán)重破壞，因而強(qiáng)度下降非常明顯，而增加干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)對(duì)試樣的破壞效應(yīng)相對(duì)有限。與素膨脹土相比，改性膨脹土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所提升。在第1和第3次干濕-凍融循環(huán)作用之后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著降低。尤其是對(duì)于2%水泥改性土試樣，與素土試樣相比，經(jīng)第1和第3次循環(huán)作用后其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度已大幅提高，且含水率越低時(shí)水泥對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)越明顯，即在低初始含水率時(shí)，2%水泥改性膨脹土試樣抵抗干濕-凍融循環(huán)作用的性能已有顯著提升；在經(jīng)歷第3～10 次循環(huán)作用后，其抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)與素土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)類似。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，建議以經(jīng)歷3次干濕-凍融循環(huán)作用后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為水泥改性膨脹土長(zhǎng)期強(qiáng)度。

對(duì)于水泥摻量為4%和6%的水泥改性膨脹土試樣，其在干濕-凍融循環(huán)作用下表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。尤其對(duì)于6%水泥改性試樣，前3次干濕-凍融循環(huán)作用的抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，之后下降幅度趨于緩和且不同初始含水率對(duì)應(yīng)試樣抗壓強(qiáng)度的曲線漸趨一致。也就是說(shuō)，水泥的摻入使膨脹土抵抗干濕-凍融循環(huán)的力學(xué)性能顯著升高，強(qiáng)度下降程度大幅減小。經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)作用后，素膨脹土抗壓強(qiáng)度下降71.8%，而2%，4%和6%水泥改性膨脹土試樣的抗壓強(qiáng)度分別下降52.8%，40.9%和17.1%。

上述結(jié)果表明，隨著水泥摻量增大，水化過(guò)程生成膠凝產(chǎn)物更多，膨脹土膠結(jié)強(qiáng)度增大并形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，其抵抗干濕-凍融循環(huán)破壞作用的能力增強(qiáng)。在經(jīng)歷數(shù)次循環(huán)作用之后試樣并未完全破壞，仍具備較高強(qiáng)度，但隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度隨之下降?？傊?，干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)增加和含水率增大都會(huì)使水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 動(dòng)回彈模量的影響因素

2.2.1 水泥摻量

對(duì)在不同初始含水率條件下，水泥摻量分別為0，2%，4%和6%的改性膨脹土試樣進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4中，41.4-12.4表示圍壓為41.4 kPa、循環(huán)應(yīng)力為12.4 kPa(下同)。由圖4可以看出，對(duì)于不同初始含水率的試樣，隨著水泥摻量增加，改性膨脹土動(dòng)回彈模量都呈增大趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，其動(dòng)回彈模量已可達(dá)到素膨脹土動(dòng)回彈模量的2倍以上。

圖4 動(dòng)回彈模量隨水泥摻量的變化Fig.4 Change of dynamic resilient modulus with cement content

JTG D30—2015“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”[19]規(guī)定：低液限黏土標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的路基土動(dòng)回彈模量取值范圍為50～85 MPa。當(dāng)水泥摻量分別為2%，4%和6%時(shí)，改性膨脹土均已變?yōu)榈鸵合摒ね粒鋭?dòng)回彈模量大多符合路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。但當(dāng)初始含水率為21%時(shí)，素膨脹土和2%水泥改性試樣在部分應(yīng)力狀態(tài)下動(dòng)回彈模量不能達(dá)到路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，水泥改性土動(dòng)回彈模量增大；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增至6%時(shí)，其動(dòng)回彈模量與4%水泥摻量時(shí)的動(dòng)回彈模量相比變化不大。對(duì)于初始含水率為23%和25%的試樣，當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，改性膨脹土試樣的動(dòng)回彈模量持續(xù)增加且全部達(dá)到路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增至6%時(shí)，其動(dòng)回彈模量整體上略有增加，但與21%初始含水率時(shí)相比，回彈模量有所提升但增幅非常小。由此可見(jiàn)，水泥的摻入使水泥改性膨脹土動(dòng)回彈模量有很大提升，尤其是當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，改性膨脹土的動(dòng)回彈模量可達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增加，改性膨脹土動(dòng)回彈模量增幅有限。綜合考慮本次試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)因素，4%水泥摻量可被認(rèn)為是該膨脹土動(dòng)回彈模量的優(yōu)選摻量。

2.2.2 初始含水率

素土和不同摻量水泥改性膨脹土試樣的動(dòng)回彈模量隨初始含水率的變化關(guān)系見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，素膨脹土動(dòng)回彈模量與初始含水率之間呈明顯的線性關(guān)系；隨著初始含水率增加，素膨脹土動(dòng)回彈模量大幅減少；當(dāng)含水率從19%上升到25%時(shí)，素膨脹土動(dòng)回彈模量下降65.8%～81.8%；當(dāng)水泥摻量達(dá)到2%和4%時(shí)，改性膨脹土試樣動(dòng)回彈模量隨初始含水率的變化規(guī)律發(fā)生改變，即動(dòng)回彈模量隨初始含水率先增加后顯著減小，在21%含水率(最優(yōu)含水率為21.1%)時(shí)達(dá)到峰值，這間接反映了含水率過(guò)高會(huì)使水泥改性膨脹土動(dòng)回彈模量減??；當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，改性膨脹土動(dòng)回彈模量與初始含水率總體呈降低趨勢(shì)，少數(shù)試樣動(dòng)回彈模量呈波浪狀變化。上述分析表明，素膨脹土動(dòng)回彈模量受初始含水率的影響較大；當(dāng)初始含水率上升時(shí)，其動(dòng)回彈模量呈線性下降，且變化趨勢(shì)隨水泥摻入量變化而發(fā)生明顯改變。隨著水泥的摻入，2%和4%水泥摻量時(shí)試樣動(dòng)回彈模量隨初始含水率的下降趨勢(shì)明顯減緩且在最優(yōu)含水率附近達(dá)到峰值，6%水泥摻量時(shí)動(dòng)回彈模量整體呈下降趨勢(shì)。因此，水泥能有效抑制初始含水率增加所引起的動(dòng)回彈模量下降，并改變動(dòng)回彈模量變化過(guò)程。

圖5 動(dòng)回彈模量隨初始含水率的變化Fig.5 Change of dynamic resilient modulus with initial water content

2.2.3 干濕-凍融循環(huán)作用

圖6所示為6%水泥摻量時(shí)不同初始含水率下改性膨脹土動(dòng)回彈模量與干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系。由圖6可知：在經(jīng)歷凍融-干濕循環(huán)作用之后，絕大多數(shù)水泥改性膨脹土試樣動(dòng)回彈模量都有所下降。當(dāng)初始含水率為19%，21%，23%和25%時(shí)，水泥改性膨脹土動(dòng)回彈模量與干濕-凍融循環(huán)的關(guān)系呈相似的規(guī)律。在經(jīng)歷1 次干濕-凍融循環(huán)后，改性膨脹土動(dòng)回彈模量有所減小、降低幅度較有限；經(jīng)歷3 次干濕-凍融循環(huán)后其動(dòng)回彈模量發(fā)生大幅下降，降幅約30%～40%；經(jīng)歷4～10次循環(huán)后，其動(dòng)回彈模量變化比較平緩。相比未經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)的試樣，前3 次循環(huán)中水泥改性膨脹土試樣的動(dòng)回彈模量下降程度最大；隨著循環(huán)次數(shù)增加，干濕-凍融循環(huán)作用對(duì)于試樣動(dòng)回彈模量的影響降低并趨于穩(wěn)定。

圖6 6%水泥改性膨脹土動(dòng)回彈模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between dynamic resilient modulus with cycle number for 6%cement modified expansive soil

在水泥摻入膨脹土之后，水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生膠凝產(chǎn)物，這些膠凝產(chǎn)物形成網(wǎng)絡(luò)骨架包裹在土顆粒表面，形成整體密實(shí)結(jié)構(gòu)，提高了試樣的強(qiáng)度和抵抗變形的能力。當(dāng)試樣經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)時(shí)，土顆粒間的物理化學(xué)膠結(jié)程度依舊受到干縮、濕脹、凍脹、融化等的影響，這些因素誘使土體發(fā)生體積變化，尤其是膨脹土顆粒吸水膨脹現(xiàn)象明顯。隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加，土顆粒體積和間距都發(fā)生明顯變化，當(dāng)這種變化的拉伸強(qiáng)度超過(guò)水泥產(chǎn)物所形成的膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)，膠結(jié)體系即發(fā)生損傷破壞，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度和抵抗變形的能力下降，表現(xiàn)為動(dòng)回彈模量下降。此外，由于膨脹土遇水膨脹的特性，初始含水率越高，土顆粒膨脹體積越大，使得試樣受到荷載時(shí)更容易破壞。然而，土體內(nèi)部孔隙等并不能無(wú)限擴(kuò)大，在經(jīng)歷一定干濕-凍融循環(huán)次數(shù)之后便趨于穩(wěn)定。隨著水泥摻量增加，水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用時(shí)抵抗外界侵蝕破壞的能力更強(qiáng)。

2.3 微觀機(jī)制

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)

對(duì)經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后的2%和6%摻量的水泥改性膨脹土進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)(NMR)，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可見(jiàn)：2%摻量的水泥改性膨脹土試樣孔隙度從循環(huán)作用前的19.98%增加到循環(huán)作用后的23.21%；6%摻量水泥改性膨脹土試樣孔隙度則從循環(huán)前的18.54%增加到循環(huán)后的19.88%。

從圖7(a)可以看出，當(dāng)弛豫時(shí)間為0.1～10.0 ms時(shí)，2%水泥改性膨脹土在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)前后的信號(hào)強(qiáng)度變化不大；但當(dāng)弛豫時(shí)間為10～1 000 ms時(shí)，改性土在經(jīng)歷10次凍融-干濕循環(huán)前后的信號(hào)強(qiáng)度峰值變化很大，循環(huán)作用之后的峰值強(qiáng)度和峰值面積都較循環(huán)作用之前有很大的提高。從圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)弛豫時(shí)間為0.1～10.0 ms時(shí)，6%摻量水泥改性膨脹土經(jīng)歷10 次凍融-干濕循環(huán)之后的信號(hào)峰值強(qiáng)度和面積較循環(huán)之前有所下降；當(dāng)弛豫時(shí)間為10～1 000 ms時(shí)，經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)后，水泥改性膨脹土試樣的信號(hào)峰值強(qiáng)度和面積較循環(huán)之前有所上升。從圖8可知，在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后，2%摻量水泥改性膨脹土試樣的小孔隙和大孔隙數(shù)量均有所增加；6%摻量水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10次凍融-干濕循環(huán)作用之后，小孔隙數(shù)量有所減少、大孔隙數(shù)量有所增加。上述分析表明，干濕-凍融循環(huán)作用會(huì)破壞顆粒之間物理化學(xué)膠結(jié)，使土體內(nèi)部顆粒分布與孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，促使部分小孔隙轉(zhuǎn)為大孔隙。

圖7 NMR弛豫時(shí)間隨干濕-凍融循環(huán)作用的變化Fig.7 Changing of NMR relaxation time with freeze-thaw and dry-wet cycles

圖8 孔徑分布曲線隨干濕-凍融循環(huán)作用的變化Fig.8 Changing of pore radius distribution curves with freeze-thaw and dry-wet cycles

2.3.2 微觀形貌

對(duì)經(jīng)歷10 次凍融-干濕循環(huán)作用前后的2%和6%摻量水泥改性膨脹土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)，結(jié)果分別如圖9～11所示。由圖9可見(jiàn)：2%摻量的水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后，出現(xiàn)了貫穿整個(gè)斷面的較大尺寸裂隙且數(shù)量更多，破壞了改性土體的完整性。從圖10可以看出，6%摻量的水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)作用之后出現(xiàn)較多中小尺寸裂隙，且小裂隙數(shù)量更多，改性土樣的整體性更好，這與2%摻量水泥改性試樣中的裂隙分布明顯不同。這是因?yàn)?，?%摻量的水泥改性膨脹土試樣中會(huì)產(chǎn)生絮狀水化硅酸鈣、針狀鈣礬石等膠結(jié)性能優(yōu)異的水化產(chǎn)物，在增強(qiáng)膨脹土結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)不斷填充孔隙，從而使得大孔隙數(shù)量減少而小孔隙數(shù)量增加，進(jìn)一步提升固化土體密實(shí)度。

圖9 2%水泥改性膨脹土SEM圖(放大200倍)Fig.9 SEM images of 2%cement-modified expansive soil with magnification of 200 times

圖10 6%水泥改性膨脹土SEM圖(放大200倍)Fig.10 SEM images of 6%cement-modified expansive soil with magnification of 200 times

由圖11可見(jiàn)：在經(jīng)歷循環(huán)作用之前，鈣礬石等針簇狀膠結(jié)產(chǎn)物與土顆粒團(tuán)聚包裹在一起；而經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用之后，這些水化產(chǎn)物分布于膨脹土顆粒表面及粒間孔隙，產(chǎn)生化學(xué)膠結(jié)和骨架構(gòu)建的雙重效應(yīng)。在干濕-凍融循環(huán)作用過(guò)程中，這些膠凝產(chǎn)物包裹土顆粒且不斷發(fā)生體積變化，并破壞膠凝產(chǎn)物的黏結(jié)效能，引起原有團(tuán)聚體發(fā)生破壞，導(dǎo)致改性膨脹土抗壓強(qiáng)度降低。

圖11 6%水泥改性膨脹土SEM圖(放大5 000倍)Fig.11 SEM images of 6%cement-modified expansive soil with magnification of 5 000 times

結(jié)合干濕-凍融循環(huán)作用后試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和SEM 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)水泥摻量較低時(shí)(2%)，在循環(huán)作用之前水泥已充分反應(yīng)，但土體內(nèi)部水泥反應(yīng)產(chǎn)物相對(duì)較少，其強(qiáng)度增幅有限，仍受試樣本身的影響較大，而干濕-凍融循環(huán)作用增加了試樣內(nèi)部大孔隙的數(shù)量，導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低；當(dāng)水泥摻量較高時(shí)(6%)，隨著干濕-凍融循環(huán)的進(jìn)行，由水泥主導(dǎo)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物成為影響試樣強(qiáng)度的主要因素。這些產(chǎn)物受含水率和干濕-凍融循環(huán)作用的影響較小，但持續(xù)的干濕-凍融循環(huán)作用會(huì)破壞水泥膠凝產(chǎn)物的膠結(jié)和孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致6%摻量水泥改性膨脹試樣在3 次循環(huán)作用之前無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷降低，但3次循環(huán)作用之后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受含水率和循環(huán)作用次數(shù)的影響程度有限。

3 結(jié)論

1)水泥的摻入使膨脹土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抵抗凍融-干濕循環(huán)作用的力學(xué)性能有顯著提升，水泥摻量越高時(shí)膨脹土抗壓強(qiáng)度越大，但高水泥摻量時(shí)膨脹土強(qiáng)度增幅有所減緩。初始含水率對(duì)改性膨脹土強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程有明顯的影響，初始含水率越高，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降越明顯，尤其對(duì)于素膨脹土和低摻量水泥改性土，這一現(xiàn)象更明顯。經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用后，膨脹土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯下降，但逐漸趨于穩(wěn)定。

2)隨著水泥摻量增大，改性膨脹土的動(dòng)回彈模量增大；但當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增大到一定值時(shí)，動(dòng)回彈模量增大幅度有限。在本文條件下，水泥摻量達(dá)到4%時(shí)已滿足“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”的要求；當(dāng)初始含水率增大時(shí)，低水泥摻量和素膨脹土試樣動(dòng)回彈模量大幅降低，而初始含水率對(duì)高水泥摻量土樣的影響相對(duì)較??；干濕-凍融循環(huán)作用使水泥改性膨脹土試樣的動(dòng)回彈模量大幅下降，1～3次循環(huán)作用時(shí)強(qiáng)度下降幅度尤為明顯；隨著水泥摻量增大，改性膨脹土動(dòng)回彈模量趨于穩(wěn)定時(shí)所需的凍融-干濕循環(huán)次數(shù)增加。

3)干濕-凍融循環(huán)作用使低摻量水泥改性膨脹土內(nèi)部大孔隙數(shù)量顯著增加、小孔隙數(shù)量略微增加，使高摻量水泥改性膨脹土大孔隙數(shù)量有所增加、小孔隙數(shù)量減少。干濕-凍融循環(huán)作用使膨脹土出現(xiàn)大量裂隙，水泥摻量越低，裂隙直徑越大；使試樣內(nèi)部針簇狀產(chǎn)物與土顆粒結(jié)合的膠結(jié)發(fā)生破壞，孔隙結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，從而導(dǎo)致改性膨脹土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)遭受一定程度損傷。