凍融循環(huán)對水泥土力學(xué)性能與聲學(xué)特性影響試驗研究

楊善統(tǒng)，賀敏杰，葉 丹，董曉朋，曾培勇

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

水泥土是指土、水泥和水混合攪拌、經(jīng)一系列物理化學(xué)反應(yīng)后形成的具有一定強度的復(fù)合材料[1]。近年來，水泥土作為一種新型的建筑材料，在國內(nèi)已被廣泛地應(yīng)用于大壩修筑、河道堤岸加固[2]以及軟土地基處理[3]等工程項目中，并取得了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。與此同時，眾多學(xué)者開展了關(guān)于水泥土力學(xué)特性等的研究。陳四利等[4]研究了氯化鈉腐蝕及干濕循環(huán)條件下水泥土的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)雙重侵蝕作用下對水泥土抗壓強度的影響很大；寧寶寬等[5]對各種侵蝕環(huán)境中侵蝕一定時間的水泥土進行了細觀破裂過程試驗，試驗表明不同侵蝕環(huán)境下水泥土細觀破裂過程各不相同，但最終表現(xiàn)為彈塑性破壞和脆性破壞；侯永峰等[6]開展了循環(huán)荷載作用下水泥土的變形特性試驗，研究表明隨著循環(huán)應(yīng)力比不斷增加，土體產(chǎn)生的軸向應(yīng)變相應(yīng)增加，并且當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時，復(fù)合土體在較少的荷載下就發(fā)生破壞；牛麗坤等[7]進行了不同服役環(huán)境下水泥土的性能對比試驗研究，得到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和0.1 mol/L Na2SO4溶液養(yǎng)護2種服役環(huán)境下水泥土含水率、水泥摻入比、外摻料種類、養(yǎng)護齡期等參數(shù)對強度的影響規(guī)律曲線；此外，還有學(xué)者側(cè)重于外加劑對水泥土強度增強的研究[8-9]。

在季節(jié)性凍土區(qū)的工程建設(shè)中，水泥土材料往往因受凍融剝蝕破壞而推廣受到影響。因此，評價反復(fù)凍融對水泥土物理力學(xué)參數(shù)的影響，進而保證工程的使用壽命，是水泥土材料在季節(jié)性凍土區(qū)進一步研究和應(yīng)用的關(guān)鍵所在[10-11]。鄭鄖[12]等研究了凍融循環(huán)對不同土的結(jié)構(gòu)性的影響，結(jié)果表明，凍融過程中，土的三相比例與分布不斷變化，導(dǎo)致土的結(jié)構(gòu)性隨凍融循環(huán)發(fā)生變化；周泓等[13]對不同凍融循環(huán)次數(shù)后黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)進行研究，結(jié)果表明，在凍融過程中，土樣的密度和孔隙比的變化量呈現(xiàn)“共軛”變化，水理性質(zhì)指標(biāo)的變化量隨凍融次數(shù)的增加而變小，土樣內(nèi)部新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，并趨于穩(wěn)定。綜合前人研究，針對水泥土的凍融循環(huán)試驗研究較少，而對凍融循環(huán)對水泥土的力學(xué)與聲學(xué)性能研究更是鮮見。

為此，本文對不同凍融次數(shù)條件下的水泥土進行無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗，同時采用工程中常用的超聲波檢測方法對水泥土試樣進行超聲波檢測試驗，并建立了凍融循環(huán)條件下水泥土強度與波速之間的關(guān)系。該研究可為水泥土材料在季節(jié)性凍土區(qū)工程的設(shè)計、施工與檢測提供一定基礎(chǔ)性參考。

2 試樣制備與試驗方案

2.1 試樣制備

試驗用土為粉質(zhì)黏土，取自武漢某工地基坑內(nèi)，土樣經(jīng)風(fēng)干粉碎，并過2 mm篩。其基本物理性質(zhì)和顆粒級配曲線分別如表1和圖1所示。水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

在制備水泥土試樣前，先將干土按最優(yōu)含水率配制成濕土并密封靜置一晝夜，使水分保持均勻。水泥用量按干土質(zhì)量的15%摻入，制樣時，向濕土中拌入水泥，并充分?jǐn)嚢杈鶆?。參照J(rèn)GJ/T 233-2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》，無側(cè)限抗壓強度試驗試樣尺寸為150 mm×150 m×150 mm正方體，劈裂抗拉強度試驗試樣尺寸為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱試樣。制樣時分3層擊實，脫模后將試樣密封并置于養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)護濕度95%，養(yǎng)護溫度20±2 ℃，齡期28天。

2.2 試驗方案

待水泥土試樣到達擬定齡期后，開始進行凍融循環(huán)試驗。試樣的冷卻在低溫試驗箱中進行，冷卻溫度為-15 ℃，時間12 h；融化時，置于恒溫水浴箱20 ℃的環(huán)境中，時間12 h。此過程為一個凍融循環(huán)周期，試驗設(shè)計的循環(huán)周期次數(shù)為0、10、30、60、90、120次。每個循環(huán)周期結(jié)束后，采用超聲波檢測儀對試樣進行波速測定，并立即進行無側(cè)限抗壓強度試驗和劈裂抗拉試驗。試驗儀器為萬能試驗機，試驗以應(yīng)變控制加載，速率為1 mm/min。試樣共劃分成6組，每組正方體試樣3個，圓柱體試樣3個，分別對應(yīng)每組凍融循環(huán)次數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)對無側(cè)限抗壓強度影響

不同凍融循環(huán)條件下水泥粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強度結(jié)果如圖2所示，從圖2試驗結(jié)果可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強度呈逐漸降低的趨勢。未受凍融循環(huán)作用影響（0次凍融）的水泥粉質(zhì)黏土的平均強度為2.84 MPa，10次凍融循環(huán)后水泥粉質(zhì)黏土的平均強度下降至2.48 MPa，降速為0.036 MPa/次，損失率為12.68%；120次凍融循環(huán)后的水泥粉質(zhì)黏土的平均強度下降至1.9 MPa，降速為0.007 8 MPa/次，總損失率為33.1%。

由此可見，無側(cè)限抗壓強度在近10次凍融循環(huán)中衰減較快，后期凍融循環(huán)中衰減較慢。這也可由圖3所示的水泥粉質(zhì)黏土試樣的破壞形態(tài)可以看出，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣在破壞時出現(xiàn)許多微裂紋，而10次凍融循環(huán)后的試樣表面出現(xiàn)了2條明顯的寬裂縫，試樣脆性破壞特征較為明顯。

3.2 凍融循環(huán)對劈裂抗拉強度的影響

劈裂抗拉強度試驗采用間接的徑向劈裂法，試驗示意圖如圖4所示，計算公式為：

式（1）中，P為試驗破壞時的最大荷載，N；D為試樣的直徑，mm；h為試樣的高度，mm。

凍融循環(huán)作用下水泥粉質(zhì)黏土的劈裂抗拉強度試驗結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的依次增加，劈裂抗拉強度逐步降低，其下降趨勢滿足二次函數(shù)關(guān)系，對其數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如公式（2）所示：

式（2）中，σt為劈裂抗拉強度，MPa；n為凍融循環(huán)次數(shù)。相關(guān)系數(shù)R2= 0.92表明擬合公式（2）具有較好的相關(guān)性。

根據(jù)式（2），未經(jīng)歷凍融循環(huán)的水泥粉質(zhì)黏土平均劈裂抗拉強度為0.35 MPa，10次凍融循環(huán)后其平均強度下降至0.28 MPa，降速為0.007 MPa/次，損失率為20%；120次凍融循環(huán)后其平均強度下降至0.18 MPa，降速為0.001 4 MPa /次，總損失率為48.57%。由此可見，劈裂抗拉強度在近10次凍融循環(huán)中衰減較快，后期凍融循環(huán)中衰減較慢，說明凍融循環(huán)對水泥粉質(zhì)黏土的具有較強烈的侵蝕破壞作用，使得試樣內(nèi)部嚴(yán)重?fù)p傷和破裂，如圖6所示，120 次凍融循環(huán)后的試樣表面出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，在破壞時表現(xiàn)明顯的脆性破壞特征，試樣表面出現(xiàn)一條近似貫通的豎向裂縫，破壞時間短促，說明其內(nèi)部受到了一定的損傷破壞。

3.3 凍融循環(huán)條件下波速與強度關(guān)系

圖7為凍融循環(huán)次數(shù)與縱波波速的關(guān)系曲線，可以看出水泥粉質(zhì)黏土的縱波波速隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。未經(jīng)歷凍融循環(huán)的水泥粉質(zhì)黏土平均縱波波速為1 550 m/s，10次凍融循環(huán)后其強度下降至1 450 m/s，降速為10 m/s/次，損失率為6.45%；120次凍融循環(huán)后其強度下降至1 250 m/s，降速為2.5 m/s/次，總損失率為19.35%。由此可見，縱波波速在近10次凍融循環(huán)中衰減較快，后期凍融循環(huán)中衰減較慢。

波速同無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度一樣，均是水泥土的固有屬性。圖8和圖9分別為水泥粉質(zhì)黏土的縱波波速與無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度的擬合關(guān)系曲線，可見隨著強度增大，縱波波速逐漸增大，反之，強度降低，波速減小。

對試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)回歸，發(fā)現(xiàn)水泥粉質(zhì)黏土中的縱波波速與其無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉強度均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。經(jīng)擬合得到的縱波波速與強度的數(shù)學(xué)關(guān)系式如表2所示，表2中，V為縱波波速，σc為無側(cè)限抗壓強度，σt為劈裂抗拉強度，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，說明縱波波速與強度之間存在良好的相關(guān)性，為利用超聲波檢測儀輔助推算水泥土強度的研究提供了一定的參考。

表2 縱波波速與強度的擬合關(guān)系

4 凍融循環(huán)下水泥粉質(zhì)黏土力學(xué)性能機理分析

綜合上述試驗分析，凍融循環(huán)條件下，水泥粉質(zhì)黏土強度和縱波波速呈遞減的趨勢。其內(nèi)在原因為凍融循環(huán)作用破壞了試樣內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為試樣內(nèi)部水分在負(fù)溫下凝結(jié)成冰，體積膨脹，進而在試樣內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的裂紋損傷；待融化時更多水分進入試樣內(nèi)部，反復(fù)的凍融循環(huán)使其內(nèi)部微裂紋持續(xù)擴展，內(nèi)部孔隙逐漸變大，土顆粒間的接觸變的松散，使得聲波衰減嚴(yán)重，縱波波速減小。所以，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥粉質(zhì)黏土的強度越低，其縱波波速越小。

5 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)在0～120次周期依次遞增時，水泥粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度均逐漸降低，在近10次凍融循環(huán)中衰減較快，后期凍融循環(huán)中衰減較慢，且試樣的脆性破壞特征愈加明顯。

（2）凍融循環(huán)在0～120次周期依次遞增時，水泥粉質(zhì)黏土的縱波波速呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，在近10次凍融循環(huán)中衰減較快，后期凍融循環(huán)中衰減較慢。

（3）凍融循環(huán)在0～120次周期內(nèi)，水泥粉質(zhì)黏土的縱波波速與其強度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且強度越低，其縱波波速越小。

（4）凍融循環(huán)使的水泥粉質(zhì)黏土內(nèi)部水分凝結(jié)成冰，體積膨脹，產(chǎn)生裂紋損傷，融化后裂紋擴展，宏觀表現(xiàn)為強度和縱波波速降低。