水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的凍融損傷規(guī)律

尤 憶，向 杰

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，臺州 318000；2.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程學(xué)院，重慶 402160)

0 引 言

近年來，我國高寒地區(qū)的路基工程出現(xiàn)不均勻沉降、翻漿冒泥和變形隆起等病害時有發(fā)生，給工程經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。這些病害的發(fā)生不僅與路基填料的性質(zhì)有重要聯(lián)系，也與高寒地區(qū)氣候條件密切相關(guān)[1]。水泥穩(wěn)定土廣泛用于我國高寒地區(qū)各級公路的基層與底基層，是一種常見的路基處理填料，具有承載力大、強(qiáng)度高、施工機(jī)動化以及造價低廉等優(yōu)點[2-5]。水泥穩(wěn)定土可根據(jù)設(shè)計強(qiáng)度、耐久性要求和地方材料供應(yīng)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，既對路基有很好的的處理效果，又可以充分利用當(dāng)?shù)赝馏w材料。

由于嚴(yán)峻的氣溫環(huán)境影響，使得凍融循環(huán)作用對寒冷地區(qū)水泥穩(wěn)定土產(chǎn)生明顯的損傷效應(yīng)，嚴(yán)重地影響了相關(guān)地區(qū)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6-7]。凍融損傷程度對水泥穩(wěn)定土的強(qiáng)度指標(biāo)和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)特點有十分重要的影響[8]。水泥穩(wěn)定土是一種潛伏在路面下的多孔介質(zhì)材料，具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu),容易受地下水作用和常年凍融循環(huán)作用的影響[9]。研究水泥穩(wěn)定土結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)度指標(biāo)受凍融循環(huán)的影響規(guī)律，對于路基處理的設(shè)計和施工有重要現(xiàn)實意義, 針對水泥穩(wěn)定土受凍融過程的衰變現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量物理和力學(xué)試驗，取得了一系列研究成果。例如：張經(jīng)雙等[10]通過對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的水泥土開展無側(cè)限壓縮試驗，分析了凍融循環(huán)效應(yīng)對其無側(cè)限強(qiáng)度、相對動彈性模量和質(zhì)量損傷率之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。崔宏環(huán)等[11]基于強(qiáng)度試驗分析了養(yǎng)護(hù)時間、凍融循環(huán)次數(shù)對抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量損失率以及變形模量的影響損傷。Liu等[12]對水泥穩(wěn)定土和石膏穩(wěn)定土分別進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗,得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)對試樣的強(qiáng)度劣化程度，并討論了兩種穩(wěn)定劑的能量耗散規(guī)律。

本文以青海省海東市某粉土路基的水泥穩(wěn)定土為對象,利用單軸壓縮試驗與核磁共振掃描試驗獲取了水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度指標(biāo)和孔隙結(jié)構(gòu)特點，同時分析了水泥穩(wěn)定土的凍融損傷機(jī)理，旨在為深入認(rèn)識水泥穩(wěn)定土的宏、微觀損傷效應(yīng)研究提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

圖1 粉土的級配曲線Fig.1 Grading curve of silty soil

試驗土體材料為路基填料所用的粉土，取樣的地區(qū)為青海省海東市一處二級公路沿線邊坡。采用的粉土樣品顏色呈灰褐色，經(jīng)過XRD試驗，發(fā)現(xiàn)本試驗采用土體散體樣的礦物成分包括石英(24.1%)、正長石(16.2%)、斜長石(8.1%)與黑云母(8.4%)；黏土礦物以蒙脫石(14.5%)、高嶺土(20.2%)和伊利石(8.0%)為主。粉土的天然含水率為14.5%，天然密度為 2.12 g/cm3，滲透系數(shù)為4.01×10-6cm/s。采用篩分法進(jìn)行粉土顆粒粒徑含量測定，得到的顆粒級配曲線如圖1所示，從曲線中得到不均勻系數(shù)Cu為3.2，曲率系數(shù)Cc為1.28，表明該土樣的級配不良。粉土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

采用海東市水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥進(jìn)行水泥穩(wěn)定土的制備，水泥級別為42.5級，水泥顆粒比表面積為352.5 m2/kg, 養(yǎng)護(hù)28 d的實測立方體抗壓強(qiáng)度為47.5 MPa。

表1 粉土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical properties of silty soil

1.2 水泥穩(wěn)定土的制備

本文主要對象是水泥穩(wěn)定土，試樣尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。采用分層擊實的方法進(jìn)行水泥穩(wěn)定土的重塑制樣。根據(jù)工程實踐和基層穩(wěn)定土設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性等因素，在前期大量配合比設(shè)計實驗的基礎(chǔ)上，確定了采用3%水泥作為穩(wěn)定土的摻量。得到水泥穩(wěn)定土的各項指標(biāo)如表2所示。

表2 試樣的基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic technical index of samples

1.3 凍融循環(huán)處理

采用溫濕度控制箱進(jìn)行凍融處理，將水泥穩(wěn)定土試樣放入溫控箱中在-30 ℃的環(huán)境中進(jìn)行多向凍結(jié)，48 h后將溫控箱的溫度設(shè)置為20 ℃進(jìn)行48 h的常溫融解，如此反復(fù)達(dá)到凍融循環(huán)的目的。本試驗對水泥穩(wěn)定土的試樣共進(jìn)行8次凍融循環(huán)，分別對0次、2次、4次、6次和8次循環(huán)后的試樣進(jìn)行電子顯微鏡掃描測試、單軸壓縮試驗和NMR掃描試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 單軸強(qiáng)度測試結(jié)果

實驗利用應(yīng)變控制式單軸加載系統(tǒng)對水泥穩(wěn)定土試樣開展力學(xué)測試，設(shè)置剪切加載速率為0.05 MPa/s，實驗得到了從開始加載到試樣破壞階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。如圖2所示，在單軸荷載的作用下，不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣均保持應(yīng)變軟化的變化特點，可將其應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為：線彈性變形階段、塑性屈服階段和軟化階段[12]。其中，線彈性階段對應(yīng)開始加壓后應(yīng)力隨著應(yīng)變直線上升的曲線段；塑性屈服階段對應(yīng)著應(yīng)力增長斜率逐漸減小的曲線段；軟化階段對應(yīng)應(yīng)力隨應(yīng)變增長而下降的曲線段，在軟化階段后期，應(yīng)力的下降速率逐漸趨于0，應(yīng)力隨應(yīng)變增長趨于穩(wěn)定。

從圖2還可以看出隨著循環(huán)次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定土試樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸衰減，在0～1次凍融循環(huán)之間的強(qiáng)度衰減幅度相比其它次數(shù)的降幅要大很多，說明水泥穩(wěn)定土在從0次到1次干濕循環(huán)的過程中強(qiáng)度損失最嚴(yán)重。從圖3可以看出，水泥穩(wěn)定土試樣的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力在凍融循環(huán)過程中保持類似的變化趨勢，峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力均與凍融循環(huán)的次數(shù)增加而下降，且整體上保持冪指數(shù)的變化關(guān)系，說明凍融循環(huán)作用對水泥穩(wěn)定土結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)在凍融后期逐漸趨于穩(wěn)定[13]。

圖2 不同循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
Fig.2 Stress-strain curves with different cycles

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度的關(guān)系曲線
Fig.3 Relationship between freeze-thaw cycles and strength

2.2 NMR掃描測試

使用高精度低場核磁共振(NMR)掃描儀進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測。設(shè)置掃描儀電壓與電流參數(shù)維持為160 kV和320 mA。NMR的原理是在低強(qiáng)度磁場中，由材料中孔隙水的核磁信號測定值獲取孔隙的T2分布曲線，根據(jù)T2分布曲線分析材料的孔隙分布特征[14]。測試得到的弛豫時間T2與材料內(nèi)部孔隙半徑呈正相關(guān)，孔隙越大，反映在T2分布曲線中橫坐標(biāo)的弛豫時間值越大，而縱坐標(biāo)的大小表示對應(yīng)孔隙含量的多少。對5組不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行核磁共振掃描,得到各試樣的T2分布曲線[15]。

從圖4可以看出：各組水泥穩(wěn)定土試樣的T2曲線均存在2個明顯的峰值，左峰對應(yīng)小孔隙，右峰表示的大孔隙。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，T2曲線的左峰發(fā)生明顯的左移，且峰值隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸下降；而表示大尺寸孔隙的右峰有明顯的右移趨勢，且峰值隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸升高。根據(jù)T2分布曲線的變化規(guī)律可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥穩(wěn)定土內(nèi)部小孔隙比例逐漸下降，而大孔隙比例及其規(guī)模逐漸增大。

在凍融循環(huán)過程中，水泥穩(wěn)定土試樣的T2分布曲線譜面積是表征其總孔隙體積的定量參數(shù)。通過計算不同凍融循環(huán)次數(shù)的T2曲線譜面積，分析了水泥穩(wěn)定土的孔隙分布的變化規(guī)律。由計算得到的T2分布曲線譜面積與凍融循環(huán)次數(shù)的分布曲線如圖5所示，可以看出隨著循環(huán)次數(shù)N的增加，T2譜面積S逐漸增大，且增長速率保持先快后慢的規(guī)律，此現(xiàn)象與強(qiáng)度測試得到的規(guī)律恰好相反。由NMR測試結(jié)果還可以看出，相對于常用的微觀結(jié)構(gòu)觀測析方法-SEM試驗，NMR掃描雖然不可以直觀的觀察到材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，但是能夠獲取材料微觀結(jié)構(gòu)的定量指標(biāo)和參數(shù)，且對于微觀結(jié)構(gòu)變化整體規(guī)律的分析方面明顯優(yōu)于SEM試驗[16]。

圖4 不同循環(huán)次數(shù)下NMR試驗結(jié)果
Fig.4 NMR test results with different cycles

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與T2譜面積的關(guān)系曲線
Fig.5 Relationship between cycles and spectrum areas

2.3 單軸剪切強(qiáng)度與譜面積的關(guān)系

圖6 峰值強(qiáng)度與T2譜面積的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between strength and spectrum areas

由NMR掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定土內(nèi)部孔隙的T2分布曲線存在2個峰值，且T2曲線的譜面積大小隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸上升，上升速率先快后慢。與此同時，材料的強(qiáng)度值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸下降，下降速率先快后慢。因此，提取不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥穩(wěn)定土的峰值強(qiáng)度與譜面積進(jìn)行分析，繪制如圖6所示的曲線。

從圖6可以看出在凍融循環(huán)過程中，水泥穩(wěn)定土的單軸峰值強(qiáng)度與T2譜面積保持良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方R2大于0.98，且強(qiáng)度值隨譜面積增加而下降。該現(xiàn)象說明了隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，水泥穩(wěn)定土內(nèi)部的孔隙規(guī)模逐漸擴(kuò)大，而凍融過程引起的強(qiáng)度劣化程度也逐漸增加。水泥穩(wěn)定土的宏觀力學(xué)損傷效應(yīng)與微觀結(jié)構(gòu)變化效應(yīng)保持較好的同步性，體現(xiàn)了NMR掃描技術(shù)應(yīng)用于巖土材料結(jié)構(gòu)損傷探測的可信度較好。

3 凍融損傷的微觀機(jī)理分析

對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的水泥穩(wěn)定土進(jìn)行SEM試驗，結(jié)果如圖7所示。在1000倍放大圖像中,可以看出經(jīng)歷0次循環(huán)的水泥穩(wěn)定土內(nèi)部的顆粒節(jié)理清晰，表面棱角分明，水泥漿料充填在粉土顆粒之間使得試樣密實度較好(圖7(a))。隨凍融循環(huán)進(jìn)行，試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化(圖7(b)～(e)):顆粒間以水泥水化物為主的膠結(jié)物逐漸減少，同時粉土顆粒間的接觸關(guān)系由初始時的面-面接觸形式逐漸轉(zhuǎn)換呈面-邊接觸。水泥穩(wěn)定土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀形貌的改變主要是因為反復(fù)凍融循環(huán)使得水分在試樣內(nèi)部不斷發(fā)生相變。在凍融過程中,液態(tài)水和凍結(jié)水的相態(tài)不斷發(fā)生改變,導(dǎo)致孔隙壁面始終受到微觀膨脹力的作用,并使部分水泥水化物脫離粉土顆粒而發(fā)生溶解流失，從而表現(xiàn)為孔隙結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大[17]。

水泥穩(wěn)定土的微觀結(jié)構(gòu)隨著凍融循環(huán)發(fā)展有明顯的變化，最直接的表現(xiàn)就是顆粒間組構(gòu)關(guān)系的改變，水泥膠結(jié)物的分解降低了水泥穩(wěn)定土的致密程度，從而使得試樣的孔隙增大，抗壓強(qiáng)度減小。通過SEM圖像觀測到微觀形態(tài)變化特征與NMR獲取的孔隙分布變化規(guī)律以及抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律相互印證，說明凍融循環(huán)作用對水泥穩(wěn)定土的宏觀力學(xué)性能的衰變現(xiàn)象，其本質(zhì)是微觀結(jié)構(gòu)變化的外在體現(xiàn)[18]。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)試樣的SEM圖
Fig.7 SEM images of samples with different freeze-thaw cycles

4 結(jié) 論

(1)通過對經(jīng)過0次、2次、4次、6次和8次凍融循環(huán)的水泥穩(wěn)定土試樣開展單軸壓縮，發(fā)現(xiàn)在單軸荷載作用下，水泥穩(wěn)定土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了線彈性變形、塑性屈服和軟化三個階段，并且峰值應(yīng)力、殘余應(yīng)力均隨凍融循環(huán)次數(shù)增加保持冪指數(shù)的衰減規(guī)律。

(2)根據(jù)NMR T2分布曲線的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，水泥穩(wěn)定土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸與規(guī)模逐漸增大，T2分布曲線的譜面積與單軸壓縮強(qiáng)度值呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系。

(3)根據(jù)SEM試驗發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融循環(huán)使得水泥穩(wěn)定土內(nèi)部的水泥膠結(jié)物逐漸分解，同時粉土顆粒間的接觸關(guān)系也發(fā)生改變，微觀結(jié)構(gòu)的致密程度明顯下降，從而導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能的衰變。