凍融循環對水泥土力學性能與聲學特性影響試驗研究

楊善統，賀敏杰，葉 丹，董曉朋，曾培勇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

水泥土是指土、水泥和水混合攪拌、經一系列物理化學反應后形成的具有一定強度的復合材料[1]。近年來，水泥土作為一種新型的建筑材料，在國內已被廣泛地應用于大壩修筑、河道堤岸加固[2]以及軟土地基處理[3]等工程項目中，并取得了良好的經濟效益和環境效益。與此同時，眾多學者開展了關于水泥土力學特性等的研究。陳四利等[4]研究了氯化鈉腐蝕及干濕循環條件下水泥土的力學特性，發現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境下水泥土細觀破裂過程各不相同，但最終表現為彈塑性破壞和脆性破壞；侯永峰等[6]開展了循環荷載作用下水泥土的變形特性試驗，研究表明隨著循環應力比不斷增加，土體產生的軸向應變相應增加，并且當循環應力比較大時，復合土體在較少的荷載下就發生破壞；牛麗坤等[7]進行了不同服役環境下水泥土的性能對比試驗研究，得到標準養護和0.1 mol/L Na2SO4溶液養護2種服役環境下水泥土含水率、水泥摻入比、外摻料種類、養護齡期等參數對強度的影響規律曲線；此外，還有學者側重于外加劑對水泥土強度增強的研究[8-9]。

在季節性凍土區的工程建設中，水泥土材料往往因受凍融剝蝕破壞而推廣受到影響。因此，評價反復凍融對水泥土物理力學參數的影響，進而保證工程的使用壽命，是水泥土材料在季節性凍土區進一步研究和應用的關鍵所在[10-11]。鄭鄖[12]等研究了凍融循環對不同土的結構性的影響，結果表明，凍融過程中，土的三相比例與分布不斷變化，導致土的結構性隨凍融循環發生變化；周泓等[13]對不同凍融循環次數后黃土的物理性質指標進行研究，結果表明，在凍融過程中，土樣的密度和孔隙比的變化量呈現“共軛”變化，水理性質指標的變化量隨凍融次數的增加而變小，土樣內部新結構產生，并趨于穩定。綜合前人研究，針對水泥土的凍融循環試驗研究較少，而對凍融循環對水泥土的力學與聲學性能研究更是鮮見。

為此，本文對不同凍融次數條件下的水泥土進行無側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，并建立了凍融循環條件下水泥土強度與波速之間的關系。該研究可為水泥土材料在季節性凍土區工程的設計、施工與檢測提供一定基礎性參考。

2 試樣制備與試驗方案

2.1 試樣制備

試驗用土為粉質黏土，取自武漢某工地基坑內，土樣經風干粉碎，并過2 mm篩。其基本物理性質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

在制備水泥土試樣前，先將干土按最優含水率配制成濕土并密封靜置一晝夜，使水分保持均勻。水泥用量按干土質量的15%摻入，制樣時，向濕土中拌入水泥，并充分攪拌均勻。參照JGJ/T 233-2011《水泥土配合比設計規程》，無側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護室內，養護濕度95%，養護溫度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 ℃的環境中，時間12 h。此過程為一個凍融循環周期，試驗設計的循環周期次數為0、10、30、60、90、120次。每個循環周期結束后，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，分別對應每組凍融循環次數。

3 試驗結果與分析

3.1 凍融循環對無側限抗壓強度影響

不同凍融循環條件下水泥粉質黏土的無側限抗壓強度結果如圖2所示，從圖2試驗結果可以看出，隨著凍融循環次數的增加，水泥粉質黏土的無側限抗壓強度呈逐漸降低的趨勢。未受凍融循環作用影響（0次凍融）的水泥粉質黏土的平均強度為2.84 MPa，10次凍融循環后水泥粉質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次凍融循環后的水泥粉質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，無側限抗壓強度在近10次凍融循環中衰減較快，后期凍融循環中衰減較慢。這也可由圖3所示的水泥粉質黏土試樣的破壞形態可以看出，未經歷凍融循環的試樣在破壞時出現許多微裂紋，而10次凍融循環后的試樣表面出現了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。

凍融循環作用下水泥粉質黏土的劈裂抗拉強度試驗結果如圖5所示，由圖5可知，隨著凍融循環次數的依次增加，劈裂抗拉強度逐步降低，其下降趨勢滿足二次函數關系，對其數據進行擬合，結果如公式（2）所示：

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

根據式（2），未經歷凍融循環的水泥粉質黏土平均劈裂抗拉強度為0.35 MPa，10次凍融循環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次凍融循環中衰減較快，后期凍融循環中衰減較慢，說明凍融循環對水泥粉質黏土的具有較強烈的侵蝕破壞作用，使得試樣內部嚴重損傷和破裂，如圖6所示，120 次凍融循環后的試樣表面出現剝蝕現象，在破壞時表現明顯的脆性破壞特征，試樣表面出現一條近似貫通的豎向裂縫，破壞時間短促，說明其內部受到了一定的損傷破壞。

3.3 凍融循環條件下波速與強度關系

圖7為凍融循環次數與縱波波速的關系曲線，可以看出水泥粉質黏土的縱波波速隨凍融循環次數的增加而逐漸減小。未經歷凍融循環的水泥粉質黏土平均縱波波速為1 550 m/s，10次凍融循環后其強度下降至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次凍融循環中衰減較快，后期凍融循環中衰減較慢。

波速同無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度一樣，均是水泥土的固有屬性。圖8和圖9分別為水泥粉質黏土的縱波波速與無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度的擬合關系曲線，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。

對試驗數據進行數學回歸，發現水泥粉質黏土中的縱波波速與其無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度均呈現較好的線性關系。經擬合得到的縱波波速與強度的數學關系式如表2所示，表2中，V為縱波波速，σc為無側限抗壓強度，σt為劈裂抗拉強度，其相關系數R2均大于0.90，說明縱波波速與強度之間存在良好的相關性，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系

4 凍融循環下水泥粉質黏土力學性能機理分析

綜合上述試驗分析，凍融循環條件下，水泥粉質黏土強度和縱波波速呈遞減的趨勢。其內在原因為凍融循環作用破壞了試樣內部原有的結構，具體表現為試樣內部水分在負溫下凝結成冰，體積膨脹，進而在試樣內部產生不可逆的裂紋損傷；待融化時更多水分進入試樣內部，反復的凍融循環使其內部微裂紋持續擴展，內部孔隙逐漸變大，土顆粒間的接觸變的松散，使得聲波衰減嚴重，縱波波速減小。所以，隨著凍融循環次數的增加，水泥粉質黏土的強度越低，其縱波波速越小。

5 結論

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

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

（3）凍融循環在0～120次周期內，水泥粉質黏土的縱波波速與其強度呈現較好的線性關系，且強度越低，其縱波波速越小。

（4）凍融循環使的水泥粉質黏土內部水分凝結成冰，體積膨脹，產生裂紋損傷，融化后裂紋擴展，宏觀表現為強度和縱波波速降低。