凍融環境下納米黏土改性濱海水泥土三軸力學特性研究

崔孝華

（蕪湖市正泰工程建設監理（咨詢）有限責任公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

凍土在我國許多地區分布廣泛，主要分為多年性凍土、季節性凍土和短時性凍土[1]。土體內部孔隙水在凍融作用下發生遷移和相變，使得土體微觀結構發生改變導致土體出現凍脹融沉現象，土體力學性能劣化[2]。凍融循環作用是凍土地區地下工程發生病害的重要因素[3]。為克服凍融循環對土體的劣化作用，工程中常用水泥等對土體進行改良[4]。

工程中常用水泥改良土體，但是隨著水泥摻量的增加土體脆性增大，易出現裂縫[5]。納米黏土表面具有大量的自由原子和分子，因此可以從物理和化學角度提升土體表面活性，促進土體發生反應，從而改善土體內部結構和提升土體強度[6]。Arabani等[7]在水泥穩定砂中摻入納米黏土并進行了無側限抗壓強度試驗，結果表明在28d齡期下，當納米黏土摻量為2%時改性水泥穩定砂的抗壓強度提高48%。楊靜在水泥土中摻入納米黏土并進行了直剪試驗，結果表明納米黏土的加入可以提高水泥土的抗剪強度、粘聚力和摩擦角。

目前，關于凍融作用對水泥土影響的研究主要集中于水泥土強度劣化規律、凍融循環溫度、時間與應力關系等[8]，而在凍融環境下水泥土微觀參數定量分析的研究成果較少。本文以水泥土和納米黏土改性水泥土（下文簡稱“納米水泥土”）為研究對象，通過三軸不固結不排水剪切試驗，探究不同凍融循環次數下水泥土抗剪強度和微觀結構參數的變化，分析凍融循環作用對水泥土和納米水泥土劣化的影響[9]。

1 試驗材料與試樣制備

1.1 試驗材料

本文的研究用土是紹興濱海軟土，取自紹興濱海新城濱江區，取土深度為1～1.6m。土體呈灰褐色，濱海軟土的基本物理性質指標見表1。本試驗所用納米黏土系湖北某科技有限公司生產，整體呈米白色粉末狀，納米黏土的主要技術指標見表2。水泥為古越牌通用硅酸鹽水泥PC32.5，水泥的主要技術指標見表3。

表1 濱海軟土物理性質指標

表2 納米黏土主要技術指標

表3 水泥主要技術指標

1.2 試樣制備

根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019），本試驗制樣過程在室內常溫標準大氣壓下進行，具體步驟如下：

（1）將試驗用土放入烘箱烘干，烘干后的土過2mm篩以去除土中大顆粒和雜質。

（2）以干土質量比為準進行配比，其中水泥摻量為20%，納米黏土摻量為20%，混合土含水率為80%。

（3）將配置后的混合土分3層裝入三軸模具（內直徑39.1mm、高80mm）中并振實，每次振搗40下。

（4）在三次振搗完后，用刮刀將試樣頂面和底面刮平，用濾紙和橡皮筋包住，帶模具放入水中養護7d。

2 試驗方案

2.1 凍融循環方案

將養護后的土樣用保鮮膜密封，形成密閉的凍融環境，防止與外界進行水分交換。本試驗選取0次、3次、5次、7次和10次對土體凍融循環。凍結溫度設定為-5℃，融化溫度為+5℃。凍融循環過程為24h，其中冷凍與融化均為12h，從而構成一次完整的凍融循環過程。試驗方案見表4。

表4 水泥土與納米水泥土試驗方案

2.2 力學測試方案

試驗儀器采用的是南京某科技有限公司生產的TKA-TTS-3S型的全自動應力路徑三軸儀。對經歷不同凍融循環次數的試樣進行三軸不固結不排水試驗，圍壓分別選取100kPa、200kPa、300kPa和400kPa，剪切速率為1mm/min，剪切應變達到15%時停止試驗。

2.3 微觀測試方案

掃描電鏡測試儀器采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡。當三軸剪切試驗結束后將試樣掰碎，拾取破碎面上土樣，進行風干后作為電鏡掃描樣。利用離子濺射儀對電鏡掃描樣表面進行噴金處理增加導電性，最后將制備完成的電鏡掃描樣置于電子掃描顯微鏡中[10]。對不同凍融循環次數下的改性水泥土進行掃描電鏡成像，放大倍數為1000倍。

3 試驗結果與分析

圖1為不同凍融循環次數下水泥土的偏應力應變曲線。由圖1可知未凍融的試樣表現出明顯的軟化特性，偏應力隨著應變的增大先增大后減小，最后趨于穩定。隨著凍融次數的增加，水泥土的偏應力應變曲線逐漸由軟化型向硬化型過渡，偏應力隨著應變的增大而增大，且增大的速率逐漸減小。

圖1 凍融作用下水泥土的應力應變曲線

在相同凍融次數下，隨著圍壓的增大水泥土偏應力應變曲線由軟化特性逐漸向硬化特性轉變，且多次凍融循環后表現更為明顯。這說明圍壓的大小對凍融后的水泥土應力應變曲線具有重要的影響，高圍壓增加顆粒間的聯結力，減緩了在剪切破壞時裂紋和裂隙的生成[11]。

圖2為不同凍融循環次數的納米水泥土的應力應變曲線。在不同圍壓下納米水泥土的應力應變曲線均表現為軟化型，偏應力隨著應變的增大而先增大后減小，最后趨于穩定。這是由于納米黏土的摻入提高了土體表面的活性，促進水泥水化反應，生成了更多的水硬性膠凝物質[12]。

圖2 凍融作用下納米水泥土的應力應變曲線

不同凍融循環次數下的水泥土和納米水泥土抗剪強度指標，見表4所示。水泥土和納米水泥土的黏聚力都隨著凍融次數的增加而減小，水泥土在凍融10次后的黏聚力較未凍融的下降了27%，納米水泥土在凍融10次后的黏聚力較未凍融的下降了17%。凍融循環10次后，納米水泥土黏聚力是水泥土的117%，表明納米黏土的加入減弱了凍融作用對水泥土黏聚力的影響。

表4 不同凍融循環次數下的水泥土和納米水泥土抗剪強度指標

凍融循環過程中，水泥土的內摩擦角變化幅度不大，而納米水泥土的內摩擦角隨著凍融次數的增加而減小[13]。其原因可能是納米黏土的加入加快了水泥的水化反應，生成更多的水化產物，未凍融時納米水泥土的內摩擦角明顯大于水泥土[14]。隨著凍融作用的進行，納米水泥土內部大顆粒開始破裂，納米黏土廣泛分布于內部孔隙中[15]。由于納米黏土顆粒主要呈粒狀結構，且體型較小，進而減小了納米水泥土內部顆粒與顆粒的咬合力[16]，因此在凍融10次后，納米水泥土的內摩擦角小于水泥土。

4 結束語

本文通過對不同凍融循環次數的水泥土和納米水泥土進行三軸試驗試驗和電鏡掃描測試，得出以下結論：隨著凍融次數的增加，試樣的偏應力應變曲線由應變軟化型過度到應變硬化型；摻入20%納米黏土后，納米水泥土的破壞偏應力、摩擦角和黏聚力均有所提高，其中在100kPa圍壓下，納米水泥土和水泥土的破壞偏應力分別為467kPa和432kPa；納米黏土的摻入提升了水泥土的抗凍融劣化能力。凍融循環10次后，納米水泥土黏聚力約為未凍融的84%，水泥土黏聚力約為未凍融的73%。