徐長文，阮波

(1. 湖南省鐵路第二工程有限公司，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

材料的微觀結(jié)構(gòu)是其宏觀力學性能的決定性因素，巖土體微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義[1]。而隨著科技的不斷發(fā)展，核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，簡稱NMR)技術(shù)已經(jīng)成為一種新興的巖土體孔隙結(jié)構(gòu)分析方法，并逐漸發(fā)展成熟，核磁共振試驗具有測試過程簡單高效、不受復雜孔隙結(jié)構(gòu)影響、可重復測試等優(yōu)勢[2]。HUANG 等[3]基于核磁共振技術(shù)研究了玄武巖纖維含量對偏高嶺土基水泥黏土微觀結(jié)構(gòu)特征的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維能降低水泥土的孔隙率。安愛軍等[4]基于核磁共振試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)膨脹土經(jīng)石灰、火山灰改良后，0.1～4 mm 之間的孔隙比例提升，0～0.1 mm 之間的孔隙比例顯著降低，超過4 mm的孔隙比例也表現(xiàn)出降低趨勢。劉勇健等[5]進行了核磁共振測試，獲取了南沙軟土的T2時間譜圖，結(jié)果表明，南沙軟土的T2譜存在2個峰值，孔徑大部分處于0.1～20 mm的區(qū)間。馬冬冬等[6]利用核磁共振分析手段研究了地聚合物水泥土的孔徑分布變化特征。結(jié)果表明：地聚合物水泥土的T2分布曲線呈雙峰型，以主峰所占面積為主，水泥能夠有效改善孔隙分布，促進小孔隙向微孔隙轉(zhuǎn)化。我國季節(jié)性凍土占國土總面積的54%[7]，而凍融循環(huán)一直是季節(jié)性凍土區(qū)土體破壞的重要原因。LI等[8]利用核磁共振分析黃土在凍融循環(huán)過程中的孔隙結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)強度衰減及孔隙結(jié)構(gòu)變化判斷黃土的破壞程度，并在此基礎上建立了孔隙率和強度衰減之間的關系式。馬寶芬等[9]通過三軸壓縮試驗得到重塑黃土抗剪強度隨凍融次數(shù)增加的衰減規(guī)律，并通過核磁共振測試從微觀層面對其進行解釋。尤憶等[10]對經(jīng)過0，2，4，6和8次凍融循環(huán)的水泥改良土開展核磁共振試驗，結(jié)果顯示，水泥改良土單軸壓縮強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)型衰減，T2譜面積在0至8次循環(huán)時不斷變大，且增大速率不斷減小，單軸壓縮強度與T2譜面積呈負相關的線性關系。以上研究表明，材料的微觀性質(zhì)是決定宏觀力學性能的重要因素，基于核磁共振的微觀結(jié)構(gòu)變化機理的研究成果，可以反映凍融循環(huán)作用下土體的宏觀力學性能的衰減情況。目前，土的核磁共振試驗研究以黏性土為主，而風積沙的研究目前較少。新疆和若鐵路沿線風積沙分布廣泛，級配不良，按鐵路路基工程分類為C 類填料[11]，不滿足工程應用要求，鐵路路基基床粗顆粒土填料極為缺乏，因此對風積沙的改良存在較強的需求。路基填料改良的常用方法之一是摻入水泥進行化學改良，水泥改良土的抗壓強度相比于原土體有較明顯提高。但水泥改良土具有脆性較大、變形能力弱、抗拉和抗裂性能比較差的缺陷。近年來，在土或水泥改良土中加入纖維以提高土體力學性能逐漸成為巖土工程領域的研究熱點，在水泥改良風積沙中加入纖維，可以使纖維的加筋作用與水泥的水化反應共同作用，從而提高材料塑性，增強其抗拉、抗剪強度，提升其抗裂性能[12?13]。采用纖維加筋水泥改良風積沙作為路基基床填料時，鐵路運營期間，其微觀孔隙結(jié)構(gòu)長期受凍融循環(huán)作用的影響，而微觀結(jié)構(gòu)變化反映宏觀力學性能的變化特征。因此，通過核磁共振試驗，研究凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維加筋水泥改良風積沙微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化，能夠為沙漠地區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)鐵路路基基床的設計和施工提供指導與借鑒。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用風積沙來自新疆和若鐵路沿線，其照片和掃描電鏡微觀圖像分別如圖1 和圖2 所示。風積沙的基本物理力學指標如表1所示，顆粒級配曲線如圖3所示。通過X射線熒光光譜分析(XRF)，得到風積沙化學元素質(zhì)量百分比組成，如圖4所示。

圖1 風積沙照片F(xiàn)ig.1 Photograph of aeolian sand

圖2 風積沙掃描電鏡照片(×100)Fig.2 SEM image of aeolian sand(×100)

圖3 風積沙顆粒級配曲線Fig.3 Grain size distribution curve of aeolian sand

圖4 風積沙化學元素質(zhì)量百分比Fig.4 Mass percentage of chemical elements in aeolian sand

表1 風積沙基本物理力學性質(zhì)指標Table 1 Basic physical and mechanical properties of aeolian sand

風積沙的棱角較為光滑，磨圓度較好，粒徑位于0.075～0.25 mm 的風積沙占比達到97.2%，顆粒均勻單一，不均勻系數(shù)Cu=2.0，Cc=1.0，級配不良，屬于C3 級填料。風積沙的硅元素占比33.13%，這表明SiO2的含量較高，而金屬氧化物的含量較低，SiO2不溶于酸，穩(wěn)定性很好，所以風積沙具有良好的耐久性。

試驗采用海寧安捷復合材料有限責任公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，其拉伸強度比常用的聚丙烯纖維大6 倍左右，彈性模量高約2 倍。玄武巖纖維具有綠色環(huán)保、絕緣性能高、耐高低溫、耐酸堿腐蝕、防水防潮等多種優(yōu)良性能[14]。玄武巖纖維的物理力學性質(zhì)如表2 所示，圖5 為玄武巖纖維的實物照片。試驗采用水泥為洛浦天山水泥廠生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥照片如圖6所示，其化學成分組成見表3，其中LOI表示燒失量。

圖5 玄武巖纖維照片F(xiàn)ig.5 Photograph of basalt fiber

圖6 普通硅酸鹽水泥照片F(xiàn)ig.6 Photograph of ordinary portland cement

表2 玄武巖纖維物理力學指標Table 2 Physical and mechanical properties of basalt fiber

表3 水泥的化學成分組成Table 3 Chemical composition of the cement

1.2 試驗方案

主要研究凍融循環(huán)次數(shù)對玄武巖纖維水泥改良風積沙微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。核磁共振試驗采用NMRC12-010V 核磁共振低溫孔隙分析儀，凍融循環(huán)試驗采用上海衡鼎儀器設備廠的HDGDSJ?100 型高低溫交變濕熱試驗箱。試驗制備6 組凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，4，7，10，14 和18的玄武巖纖維水泥改良風積沙試樣，試樣纖維摻量為0.8%，依據(jù)相關規(guī)范[15]，水泥摻量為5%。纖維摻量和水泥摻量的定義如式(1)～(2)所示：

式中：af為玄武巖纖維摻量，%；ac為水泥摻量，%；ms為干土質(zhì)量，kg；mf為纖維的質(zhì)量，kg；mc為水泥的質(zhì)量，kg。

單次凍融循環(huán)的凍結(jié)和融化時間均為12 h；凍結(jié)溫度選取?20 ℃，融化溫度選取室溫20 ℃；凍融循環(huán)對土體影響的研究中，一般設置最大凍融循環(huán)次數(shù)在10～15 次范圍內(nèi)[16?17]，在此基礎上，設置最大凍融循環(huán)次數(shù)為18 次；已經(jīng)通過玄武巖纖維水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度試驗，得到0.8% 為最優(yōu)纖維摻量，纖維長度選用為2.5 mm。

每組核磁共振試驗的試樣數(shù)量為3，每組試驗的孔隙率取3個試樣所測得的平均值，玄武巖纖維水泥改良風積沙的試樣總數(shù)為18個。

1.3 試樣制備

1) 試樣成型與養(yǎng)護

由于風積沙粒徑很小且比較均勻，0.075～0.25 mm 粒徑的風積沙占比達到97.2%，且黏聚力為0，如果采用在環(huán)刀樣中挖取核磁共振試樣的方法，極易發(fā)生試樣松散、崩壞等情況，制樣困難。因此，核磁共振試樣采取獨立成型的方法，試樣制備工具如圖7所示。

在干砂中按比例摻入水泥、玄武巖纖維和水并拌和均勻作為制樣原料，含水率為最優(yōu)含水率。稱取制樣原料裝入模具筒(如圖7(a)所示)，采用擊實法制樣，保證試樣壓實度為0.95。使用直徑與模具筒內(nèi)徑相匹配的實心圓柱形推出器(如圖7(b)所示)將壓實成型的試樣脫模，成型試樣高度為30 mm，直徑為20 mm。制樣完成后，將試樣放入標準養(yǎng)護箱，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，濕度為95%，養(yǎng)護28 d后進行凍融循環(huán)。

圖7 核磁共振試驗試樣制備工具Fig.7 Sample preparation tools for NMR test

2) 試樣凍融循環(huán)

啟動凍融循環(huán)試驗箱，在編程控制系統(tǒng)上設置凍結(jié)和融化溫度及總凍融循環(huán)次數(shù)，采用無外界補給水的凍結(jié)方式，因此將濕度控制選項關閉。設置單次凍融循環(huán)的凍結(jié)和融化時間均為12 h。將試樣用完整無缺損的塑料薄膜包裹緊密以保證無水分流失，如圖8所示。

圖8 凍融循環(huán)前試樣密封Fig.8 Sample sealing before freeze-thaw cycle

3) 試樣飽和

將達到預期凍融循環(huán)次數(shù)的試樣取出，拆掉塑料薄膜。以水作為核磁共振孔隙分析的探針液體，因此需要進行試樣飽和，使試樣中的孔隙被水完全填充。經(jīng)歷凍融循環(huán)后，玄武巖纖維水泥改良風積沙試樣會出現(xiàn)表面松散、剝落等情況。為了防止飽和時試樣被水沖刷損壞，采用針對核磁共振試樣的特制飽和器，飽和前將試樣放入白色試樣筒中，然后固定于上下2塊透水石之間，一套飽和器可以容納3個試樣，如圖9所示。

圖9 核磁共振試樣飽和器Fig.9 Sample Saturator of NMR test

1.4 試驗過程

1) 孔隙率標定

孔隙率標定是指利用一系列已知孔隙率的標準試樣，測試其對應的核磁共振信號，得到核磁共振信號幅度與孔隙率之間的關系曲線，該曲線稱為標定曲線。孔隙率標定的步驟如下：①進行FID 參數(shù)設置，尋找中心頻率和脈寬。②建立試驗采用的核磁共振儀的CPMG 磁共振脈沖序列，并進行反演。③依次將6 個標準試樣放入試管載床中，在曲線標定界面輸入標準試樣體積和孔隙率，然后進行測試。所得的標定曲線如圖10所示。

圖10 孔隙率標定曲線Fig.10 Porosity calibration curve

2)創(chuàng)建測試項目，選擇CPMG序列，設定TW和NECH 等參數(shù)。然后選擇標定曲線，放入待測試樣，進行測試與反演。

3)孔隙類型選擇管狀，選擇Coates 滲透模型，輸入T2經(jīng)驗數(shù)值，進行孔隙率計算。

4) 分別保存和導出T2分布曲線圖、孔徑分布圖等測試結(jié)果。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)對T2譜分布曲線的影響

當氫原子產(chǎn)生能級躍遷之后，宏觀上顯示出原子核存在一定大小和方向的磁化矢量。當原子核與外部磁場相互作用時，宏觀磁化矢量方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，而外部磁場消失之后，磁化矢量又重新恢復至和外磁場平行的狀態(tài)，該過程稱為弛豫。磁化矢量在垂直外部磁場方向上減弱至0的過程稱為橫向弛豫，橫向弛豫時間由符號T2表示。同一物質(zhì)在液態(tài)時的T2時間一般比固態(tài)時大幾個數(shù)量級，因此核磁共振技術(shù)能夠只表現(xiàn)液態(tài)物質(zhì)如水等在巖土體中的弛豫過程。T2時間描述的是磁化矢量Mxy衰減的速度，磁化矢量由初始值衰減至初始值的37%時所需時間T2遵循的指數(shù)規(guī)律如式(3)所示[18]：

式中：Mxy(t)為在時間t的回波串的幅度，即橫向磁化矢量的幅度；M0為最大橫向磁化矢量，與溫度、主磁場強和質(zhì)子含量有關。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)弛豫時間T2可以反應材料的孔隙結(jié)構(gòu)特征。

玄武巖纖維水泥改良風積沙在各凍融循環(huán)次數(shù)下的T2譜分布曲線如圖11(a)所示，局部放大圖如圖11(b)所示。

T2譜分布曲線與橫坐標所圍成的區(qū)域稱為譜峰。譜峰面積與孔隙數(shù)量及孔徑大小成正比。根據(jù)圖11，按照T2弛豫時間從小到大的順序，將譜峰分別命名為第1 譜峰、第2 譜峰和第3 譜峰，各峰所占面積比例可以反映不同尺寸孔隙的比例。T2譜的譜峰面積大小排序為：第2譜峰最大，因此也稱其為主譜峰，第1 譜峰其次，第3 譜峰遠遠小于前兩者。在0.1～10 000 ms 的T2弛豫時間之間，均存在對應的核磁信號幅度即存在一定數(shù)量的孔隙。玄武巖水泥改良風積沙的孔徑分布的連續(xù)性較好，其內(nèi)部的孔隙發(fā)展具有較穩(wěn)定的時間累積性。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的T2譜分布曲線Fig.11 T2 spectrum curves under different freeze-thaw cycles

根據(jù)圖11 可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，玄武巖纖維水泥改良風積沙的主譜峰不斷右移即向孔隙半徑增大的方向發(fā)展，較小凍融循環(huán)次數(shù)(N=0，4，7)的核磁信號幅度的最高值明顯小于較大凍融循環(huán)次數(shù)(N=10，14，18)，但是14 和18 次凍融循環(huán)時的最高值相較于10 次凍融循環(huán)反而有所降低，且14 和18 次凍融循環(huán)時的T2譜較為相似。根據(jù)T2譜分布曲線變化特征可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維水泥改良風積沙裂隙發(fā)育逐漸增強，孔徑和孔隙數(shù)量不斷增大。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對孔徑分布的影響

試樣的T2譜分布曲線可以通過計算轉(zhuǎn)化得到孔隙半徑r的分布曲線，其形狀和變化規(guī)律與T2譜基本完全一致，基本轉(zhuǎn)化原理如下所示。

處于巖土體孔隙中的流體T2弛豫時間主要取決于表面弛豫。其中，材料的比表面積的大小與表面弛豫息息相關，材料的比表面積越大，弛豫時間T2越小，可以表現(xiàn)為[19]：

式(4)為孔隙中流體所產(chǎn)生的弛豫時間T2與孔徑的換算關系式，ρ2為T2對應的表面弛豫率。這說明T2與孔隙半徑成正比，并且T2的分布反映水分在巖土體孔隙中的分布?？紫侗缺砻娣eS/V與孔隙半徑r的關系，隨孔隙模型的選擇不同而有所不同，可表示為：

式中：Fs為孔隙形狀因子，有S/V=Fs/r。當1/(ρ2Fs)=C時，式(5)可簡化為：

對于巖土材料來說，表面弛豫率ρ2和孔隙形狀系數(shù)Fs均可看成是常數(shù)，則C也為常數(shù)，計算得到C后代入式(6)即可通過換算將核磁共振T2譜轉(zhuǎn)換為孔隙半徑r的分布曲線。

根據(jù)孔隙半徑分布，可以將全孔徑范圍分類劃分為若干區(qū)間，并得到不同區(qū)間孔隙數(shù)量所占比例。參考DENG等[20]的分類標準，對玄武巖纖維水泥改良風積沙孔隙進行分類，如表4所示。

表4 孔徑范圍的分類標準Table 4 Classification standard of pore size range

玄武巖纖維水泥改良風積沙在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔徑分布規(guī)律如圖12 所示，孔徑分布百分比如圖13所示。

根據(jù)圖12 和圖13 可知，玄武巖纖維水泥改良風積沙的內(nèi)部孔隙主要以小孔、中孔和大孔為主，微孔所占比例則非常微小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微孔、小孔和中孔的比例降低，而大孔比例增加。凍融循環(huán)次數(shù)從0 次至18 次時，玄武巖纖維水泥改良風積沙的微孔、小孔和中孔分別減少4.8%，7.8%和6.5%，大孔則對應增加19.1%。這表明凍融循環(huán)作用使纖維水泥改良風積沙的孔隙不斷向較大孔徑轉(zhuǎn)化。而當凍融循環(huán)次數(shù)從14次至18 次時，纖維水泥改良風積沙的小孔和中孔分別減少0.6%和0.5%，大孔增加了1.1%。這表明當凍融循環(huán)次數(shù)達到14 次之后，纖維水泥改良風積沙的總體孔徑分布變化較小，逐漸趨向于穩(wěn)定。

圖12 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔徑分布Fig.12 Pore size distribution under different freeze-thaw cycles

圖13 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔徑分布百分比Fig.13 Percentage of pore size distribution under different freeze-thaw cycles

2.3 凍融循環(huán)次數(shù)對孔隙率的影響

孔隙率n為材料內(nèi)部孔洞和裂隙的體積與材料總體積之間的比值，孔隙率反映材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征及孔隙發(fā)展的趨勢。在宏觀層面上，孔隙率主要反映材料的致密程度，對于用作路基填料的玄武巖纖維水泥改良風積沙來說，則反映了其密實度。為了定量研究凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維水泥改良風積沙的孔隙結(jié)構(gòu)特征及變化規(guī)律，通過核磁共振試驗測得其在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的孔隙率。

圖14 為玄武巖纖維水泥改良風積沙的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況?？梢钥闯觯鋷r纖維水泥改良風積沙的孔隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，但增長速率逐漸變小，尤其是凍融循環(huán)次數(shù)達到14 次之后，孔隙率的增長非常微小。凍融循環(huán)次數(shù)從0 次增加至14 次時，玄武巖纖維水泥改良風積沙的孔隙率由29.34%上升至31.10%，增長絕對值為1.77%，而凍融循環(huán)次數(shù)為18 次時，孔隙率為31.13%，僅比14 次凍融循環(huán)時增加了0.03%。這種變化規(guī)律與T2譜及孔徑分布的變化特征一致，其內(nèi)在原因為：在開始進行凍結(jié)時，纖維水泥改良風積沙內(nèi)部微小孔隙中的水凍結(jié)形成冰晶，產(chǎn)生巨大的膨脹擠壓力[21]。由于凍融循環(huán)過程與外界無水分交換，因此這些膨脹擠壓力無法通過孔隙水的遷移來釋放，便會逐漸累積并持續(xù)作用于纖維水泥改良風積沙的固體骨架，使材料內(nèi)部不斷形成裂紋和孔隙。凍融循環(huán)早期時，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，使得這種壓力更加強烈，導致較低凍融循環(huán)次數(shù)時孔隙率的增長更快。隨著凍融循環(huán)的持續(xù)作用，微裂紋逐漸擴展成為較大的孔隙，冰晶與固體顆粒的接觸越來越不緊密，因此內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷越來越小，孔隙發(fā)育的速度越來越低。因此，當凍融循環(huán)次數(shù)達到14 次后，冰晶的膨脹擠壓作用變得很小，孔隙結(jié)構(gòu)分布及孔隙率趨于穩(wěn)定。

可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維水泥改良風積沙的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律可用具有常數(shù)項的雙曲線函數(shù)進行擬合，函數(shù)表達式如式(7)所示：

通過擬合公式，發(fā)現(xiàn)當凍融循環(huán)次數(shù)為無窮大時，玄武巖纖維水泥改良風積沙的孔隙率會達到最大極限值n(max)：

由圖14 可見，孔隙率擬合曲線的相關指數(shù)R2為0.989，擬合度良好。根據(jù)擬合曲線，當凍融循環(huán)次數(shù)無限大時，孔隙率存在32.2%這一擬合極限值。

2.4 凍融循環(huán)次數(shù)對最可幾孔徑的影響

一般來說，土體可以看作一種特殊的有孔介質(zhì)材料，其孔隙可以看作是隨機分布的。定義出現(xiàn)幾率最大的孔徑為最可幾孔徑rp，即T2譜所轉(zhuǎn)化出的孔徑分布曲線中峰值點對應的孔徑，其物理意義是小于該孔徑的孔隙不能形成連通的孔道。通過分析最可幾孔徑的變化情況，能夠有效判斷玄武巖纖維水泥改良風積沙在凍融循環(huán)作用下孔隙結(jié)構(gòu)及分布的變化趨勢。

圖15 為玄武巖纖維水泥改良風積沙的最可幾孔徑隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化情況。由圖15 可知，玄武巖纖維水泥改良風積沙的最可幾孔徑隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，但增長速率逐漸變小。

圖15 最可幾孔徑隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Fig.15 Variation of the most probable pore size with freezethaw cycles

玄武巖纖維水泥改良風積沙的最可幾孔徑隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與孔隙率類似，擬合曲線的相關指數(shù)R2為0.936 2，擬合度良好。當凍融循環(huán)次數(shù)無限大時，最可幾孔徑存在擬合極限值4.928 mm。

3 結(jié)論

1)T2弛豫時間分布在0.1～10 000 ms 之間，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，纖維水泥改良風積沙的T2譜均整體向右移動，當達到14 次凍融循環(huán)后，T2譜的變化不明顯。

2) 纖維水泥改良風積沙的內(nèi)部孔隙以小孔、中孔和大孔為主，微孔所占比例很小。微孔、小孔和中孔的比例隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而大孔逐漸提高。當凍融循環(huán)次數(shù)達到14次之后，纖維水泥改良風積沙的孔徑分布逐漸趨向穩(wěn)定。

3) 纖維水泥改良風積沙的孔隙率和最可幾孔徑均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，增長速率均逐漸降低，呈現(xiàn)雙曲線函數(shù)的變化規(guī)律。

4) 微觀孔隙結(jié)構(gòu)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸穩(wěn)定，反映纖維水泥改良風積沙路基基床在經(jīng)歷若干年凍融循環(huán)后，強度基本不再衰減。