凍融循環作用下水泥土疲勞特性*

陳四利， 趙百超， 侯 芮

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

水泥土是通過特制的機械攪拌，就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌，使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的水泥加固土[1-2].目前，水泥土作為一種性能較好且比較廉價的新型建筑材料已經廣泛應用于鐵路、公路、飛機跑道等路基加固工程中.

國內外學者對水泥土的力學性能展開了廣泛研究，曹智國和申向東等[3-4]探討了水泥摻量、養護齡期、孔隙率等因素對水泥土無側限抗壓強度的影響；陳四利和寧寶寬等[5-7]研究了復雜環境下侵蝕性離子對水泥土力學性能的影響；童小東等[8]進行了水泥土彈塑性損傷試驗研究，探討了水泥土的損傷機制.

應用于北方地區或季節性凍土地區路基工程中的水泥土經受反復凍融作用，必將引起路基中水泥土的疲勞破壞，導致水泥土強度降低，內部結構劣化，甚至影響整個水泥土工程的安全性和耐久性.因此，眾多學者展開了關于凍融循環后水泥土力學特性研究并取得了諸多有益成果.陳四利等[9]展開了凍融次數對凍融后水泥土的抗壓強度、抗剪強度、滲透系數等影響規律；周麗萍等[10]研究了浮石粉、硅粉對水泥土抗凍性的影響規律.

對于公路、高速公路、鐵路等水泥土路基，長期受到不同車輛的交通荷載作用，將會導致水泥土的疲勞破壞.張敏霞等[11-12]探討了頻率和應力幅值對水泥土疲勞壽命的影響；江國龍等[13]通過正交試驗得出加載次數和幅值應力對水泥土抗壓強度的影響較大，而頻率對水泥土抗壓強度的影響較小的結論；鹿群等[14]發現纖維水泥土應力水平與疲勞壽命之間呈現單對數關系.目前，對于凍融循環和疲勞荷載雙重作用的水泥土耐久性研究還相對較少，本文對凍融循環作用下水泥土的力學性能及凍融后水泥土的疲勞特性展開研究，探討水泥摻量、凍融循環次數、冷卻溫度對水泥土抗壓強度的影響，以及凍融次數、水泥摻量對凍融后水泥土疲勞壽命的影響規律，具有重要的理論意義和工程應用價值.

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗采用強度等級為42.5的硅酸鹽水泥，試驗土樣為粉質黏土，試驗用土的主要物理力學指標：含水量為16.6%，天然重度為19.7 kN/m3，液限為22.5%，塑限為18.3%，塑性指數為4.2，液性指數為-0.4，將試驗用土風干碾碎并過5 mm篩，試驗用水為自來水.

1.2 試驗方法

根據《水泥土配合比設計規程》(JGJT 233-2011)制備邊長為70.7 cm的立方體試件，試驗設定水泥摻量為8%、12%、16%、20%，水灰比取1.0，如圖1所示.為保證在凍融過程中水泥土強度穩定，試件在24 h脫模后，放在清水環境中養護240 d待用.水泥土試件疲勞加載如圖2所示.試驗主要儀器設備有MTS Landmrk370.25疲勞試驗機(見圖3)、微機控制電液伺服壓力機及工業恒溫冷凍箱.操作界面如圖4所示.

根據我國寒冷地區早晚溫度變化，本試驗設定冷凍溫度分別為-20、-15、-10、-5 ℃，采用12 h一次性氣凍，12 h水中融化(15～20 ℃)，24 h為一個凍融循環.凍融前水泥土試件在清水環境下浸泡4 d，表面水瀝干后，將處于飽水狀態下的水泥土試件分別進行0、2、4、6次凍融循環，再進行水泥土無側限抗壓試驗.

圖1 凍融后水泥土試件Fig.1 Cemented soil specimens after freeze-thaw cycles

圖2 水泥土試件疲勞加載Fig.2 Fatigue loading of cemented soil specimen

圖3 MTS疲勞試驗機Fig.3 MTS fatigue machine

圖4 操作界面Fig.4 Operation interface

水泥土疲勞試驗加載模型為非對稱正弦型加載，應力幅值呈階梯型遞增，初始應力幅值為-10 kN，最小應力為-1 kN，每一應力水平持續200周后，應力幅值再增加1 kN，水泥摻量為8%、12%、16%的水泥土試件經受凍融循環作用后分別以2、5、8 Hz的加載頻率進行疲勞試驗[15].

2 試驗結果及分析

2.1 凍融條件下水泥摻量對水泥土強度的影響

水泥摻量對凍融條件下水泥土強度的影響如圖5所示.

圖5 水泥摻量對水泥土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of cement content on compressive strength of cemented soil

由圖5可見，隨著水泥摻量的增加，經受不同凍融次數的水泥土抗壓強度顯著提高.未凍融的水泥土試件，水泥摻量為20%的水泥土試件強度分別是水泥摻量為8%、12%、16%試件強度的2.96、1.84、1.459倍，水泥土試件在養護240 d后，強度達到穩定，水泥水解，水化反應充分，水泥摻量越大，生成的水泥凝膠越多，水泥土內部結構更加緊密，抗壓強度提高顯著.凍融2次、4次時，水泥摻量為20%的水泥土試件強度分別是水泥摻量為8%、12%、16%試件強度的6.26、2.21、1.50、8.85、2.262、1.63倍.凍融6次時，水泥摻量為8%的試件已經破壞，水泥摻量為20%的水泥土試件強度分別是水泥摻量為12%、16%試件強度的3.27、2.25倍.水泥摻量對經受不同次數凍融循環的水泥土強度影響較大，相同凍融次數下，水泥摻量越大，強度損失率越小.水泥摻量為8%的水泥土試件已經破壞，20%水泥摻量的試件強度仍可達到9.09 MPa，由此可見，水泥摻量的增加可有效提高水泥土的抗凍性.分析其原因，水泥摻量較小時，水泥水化產物少，水泥土內部結構顆粒間粘結力較小，凍融次數較多時，水泥土內部凍脹力較大，當粘結力小于凍脹力時，水泥土強度明顯下降，外觀表皮脫落，結構松散，最終導致水泥土結構破壞，失去承載能力.

2.2 凍融循環次數對水泥土強度的影響

在冷凍溫度為-15 ℃條件下，凍融次數對水泥土抗壓強度的影響如圖6所示.

圖6 凍融次數對水泥土抗壓強度的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw times on compressive strength of cemented soil

由圖6可見，隨著凍融次數增多，水泥土抗壓強度逐漸減小，且強度下降明顯.水泥摻量為8%時，凍融2次、4次時，強度分別是未凍融時的39.5%、24.2%，凍融6次時試件已經破壞.水泥摻量為12%時，凍融2、4、6次較未凍融時，強度分別下降30.3%、41.3%、66.23%.水泥摻量為16%時，強度分別下降18.87%、35.07%、45.78%.水泥摻量為20%時，強度分別下降16.42%、28.57%、39.9%.不同水泥摻量的水泥土強度損失率如圖7所示.

圖7 不同水泥摻量的水泥土強度損失率Fig.7 Strength loss rate of cemented soil with different cement contents

由圖7可見，隨著凍融次數增加，水泥土強度損失率不斷增大.產生該現象原因，水泥土試件在未凍融前處于飽水狀態，冷凍時孔隙中的水結成冰，體積膨脹約為9%，對孔壁產生拉應力，當水泥土內部的膠結力小于拉應力時，內部結構開始產生微裂紋，并且當冰融化后，微小裂紋不能完全復原，對水泥土結構產生不可逆損傷，水泥土的凍融損傷是一個不斷累積的過程，凍融次數增加導致微裂紋不斷擴展，最終導致水泥土結構破壞.水泥土強度降低率為

(1)

式中：Kf為水泥土強度降低率；σn為經過n次凍融后水泥土的抗壓強度；σ0為未凍融的水泥土抗壓強度.

2.3 溫度對水泥土強度的影響

將水泥摻量為8%的水泥土試件在不同冷凍溫度下進行凍融循環試驗，凍融次數相同時，溫度對水泥土抗壓強度的影響如圖8所示.

圖8 冷凍溫度對水泥摻量為8%水泥土抗壓強度的影響

由圖8可見，冷凍溫度越低，水泥土凍融后的抗壓強度越小.凍融2次時，溫度為-20、-15、-10 ℃較溫度為-5 ℃強度分別降低46.18%、35.85%、27.55%；凍融4次時，溫度為-20、-15、-10 ℃較溫度為-5 ℃強度分別降低56.70%、47.04%、35.09%；凍融6次時，冷凍溫度為-20 ℃、-15 ℃已經破壞，-10 ℃較-5 ℃強度降低18.42%.這是因為水泥土受凍溫度越低，與孔隙中水的溫差越大，水放熱越快，水結冰越快，孔隙中冰的體積不斷擴大，對孔壁產生拉應力，加速水泥土的凍融破壞.

2.4 凍融次數對水泥土疲勞壽命的影響

水泥摻量為12%凍融次數對水泥土疲勞壽命的影響如圖9所示.水泥摻量為12%的水泥土試件在冷凍溫度為-15 ℃的條件下，凍融循環4次強度損失已達41.3%，故對凍融2次、4次及未凍融的水泥摻量為12%的水泥土試件進行疲勞試驗.

由圖9可見，隨著凍融次數的增加，水泥土疲勞壽命下降顯著，加載頻率2 Hz時，凍融2次、4次較未凍融時疲勞壽命下降34.55%、58.38%；加載頻率5 Hz時，凍融2次、4次較未凍融時疲勞壽命下降45.75%、74.62%；加載頻率8 Hz時，凍融2次、4次較未凍融時疲勞壽命下降33.30%、72%.分析該現象原因，水泥摻量為12%，經過2次、4次凍融，抗壓強度損失已達30.37%、41.03%，內部結構松散，在循環荷載作用下，結構損傷不斷積累，疲勞壽命降低.

圖9 凍融次數對水泥摻量為12%水泥土疲勞壽命的影響Fig.9 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 12%

水泥摻量為16%的水泥土試件分別進行了2、4、6次及未凍融時的疲勞試驗，水泥土疲勞壽命隨凍融次數的變化關系如圖10所示.

圖10 凍融次數對水泥摻量為16%水泥土疲勞壽命的影響Fig.10 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 16%

凍融2次時，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時疲勞壽命分別降低44.04%、45.70%、13.17%；凍融4次時，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時疲勞壽命分別降低59.09%、46.16%、31.42%；凍融6次時，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時疲勞壽命分別降低58.75%、54.15%、37.35%.分析該現象原因，根據損傷累積定律，凍融損傷、疲勞損傷均是不斷累積的過程，凍融次數增加，對試件產生的損傷破壞不斷累積，使強度降低，抗疲勞能力減小.

2.5 水泥摻量對水泥土疲勞壽命的影響

不同凍融次數下水泥摻量對水泥土疲勞壽命的影響如圖11～12所示.

圖11 頻率為2 Hz水泥摻量對水泥土疲勞壽命影響Fig.11 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 2 Hz

圖12 頻率為5 Hz水泥摻量對水泥土疲勞壽命影響Fig.12 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 5 Hz

加載頻率為2 Hz，未凍融時，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的2.94、5.38倍；凍融2次時，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的8.60、17.64倍.加載頻率為5 Hz，未凍融時，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的1.80、3.83倍；凍融2次時，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的1.74、4.35倍.由此可見，隨著水泥摻量增加，水泥土疲勞壽命增大.分析其原因，水泥摻量越大，水泥水化反應產物越多，內部結構越密實，在凍融和未凍融條件下，均可提高水泥土的強度，減少水泥土試件在低應力疲勞荷載作用下裂紋的形成，提高水泥土的疲勞壽命.因此，水泥摻量增加可有效提高水泥土的抗疲勞能力.

2.6 試驗結果多元線性回歸分析

應用SPSS軟件擬合水泥土抗壓強度、頻率為5 Hz時疲勞壽命隨水泥摻量、凍融次數的回歸方程.模型1、2相關參數如表1所示.

表1 模型概述Tab.1 Model overview

由表1可知，相關系數R1=0.986、R2=0.920，說明與真實數據的擬合度分別為98.6%、92%，Durbin-Watson指數為1.781、1.329說明各誤差項是獨立分布的.方差分析中的顯著水平等于0、0.004，小于0.05，說明自變量水泥摻量x1、凍融次數x2對因變量抗壓強度σ1、疲勞壽命N2產生顯著影響.得到多元線性回歸方程為

σ1=0.812x1-0.966x2-1.823

(2)

N2=0.901x1-0.084x2+2.418

(3)

3 結 論

本文對凍融條件下水泥土抗壓強度、疲勞特性進行研究，得到凍融次數、水泥摻量、冷凍溫度對抗壓強度、疲勞壽命的影響規律，得到如下結論：

1) 凍融條件下水泥土抗壓強度和疲勞壽命隨水泥摻量的增加而增大，水泥摻量較小(8%)時，經過6次凍融循環，試件已達到破壞，水泥摻量的增加可有效提高水泥土的抗凍性、抗疲勞能力；

2) 凍融循環對水泥土的力學性能產生不同程度影響，抗壓強度、疲勞壽命均隨凍融次數增加而降低，在冷凍溫度-15 ℃，水泥摻量為12%凍融循環4次時，抗壓強度降低率達到41.3%，疲勞壽命降低率達到58.38%，因此，在凍土地區應用的工程設計及施工應考慮凍融循環影響；

3) 冷凍溫度越低，水泥土凍融破壞越嚴重，水泥土抗壓強度隨冷凍溫度的降低而減小；

4) 建立水泥土抗壓強度、疲勞壽命關于水泥摻量、凍融次數回歸方程.