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(tuán)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jìn)行了細(xì)觀破裂過程試驗，試驗表明不同侵蝕環(huán)境下水泥土細(xì)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(jìn)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(hù)和0.1 mol/L Na2SO4溶液養(yǎng)護(hù)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(hù)齡期等參數(shù)對強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(jìn)行超聲波檢測試驗，并建立了凍融循環(huán)條件下水泥土強(qiáng)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(qiáng)度試驗試樣尺寸為150 mm×150 m×150 mm正方體，劈裂抗拉強(qiáng)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(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)濕度95%，養(yǎng)護(hù)溫度20±2 ℃，齡期28天。

2.2 試驗方案

待水泥土試樣到達(dá)擬定齡期后，開始進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。試樣的冷卻在低溫試驗箱中進(jìn)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(jìn)行波速測定，并立即進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗和劈裂抗拉試驗。試驗儀器為萬能試驗機(jī)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度為2.84 MPa，10次凍融循環(huán)后水泥粉質(zhì)黏土的平均強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響

劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行擬合，結(jié)果如公式（2）所示：

式（2）中，σt為劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度為0.35 MPa，10次凍融循環(huán)后其平均強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的擬合關(guān)系曲線，可見隨著強(qiáng)度增大，縱波波速逐漸增大，反之，強(qiáng)度降低，波速減小。

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度，σt為劈裂抗拉強(qiáng)度，其相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，說明縱波波速與強(qiáng)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(qiáng)度的研究提供了一定的參考。

表2 縱波波速與強(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且強(qiáng)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(kuò)展，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度和縱波波速降低。