干濕-凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的路用性能與微觀機(jī)制

王東星，張子偉，王協(xié)群，鄒維列

(1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢，430072；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢，430070)

膨脹土含有大量蒙脫石、伊利石等黏土礦物，這類黏土礦物所具有的強(qiáng)親水性導(dǎo)致膨脹土浸水后體積顯著增大、強(qiáng)度衰減，而失水后其體積則急劇減小，是典型的非飽和土[1]。在季節(jié)性冰凍地區(qū)，膨脹土還將周期性地經(jīng)歷干濕、凍融循環(huán)作用過程[2-3]。作為一種性質(zhì)不良的特殊土，膨脹土一般不能直接用作路基填料。但對于膨脹土地區(qū)，由于非膨脹土匱乏，有時(shí)不得不就地采用膨脹土填筑路基。為解決膨脹土帶來的工程安全隱患[4]，必須采取技術(shù)措施對膨脹土進(jìn)行處理，其中土性改良法因其性價(jià)比高而被廣泛應(yīng)用[5-8]。

目前，針對水泥改性膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)，人們開展了大量研究，取得了豐富的成果。吳新明等[9]發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量增加，膨脹土自由膨脹率顯著降低，當(dāng)水泥摻量超過8%時(shí)已不屬于膨脹土。黃斌等[10]根據(jù)膨脹率試驗(yàn)確定了最優(yōu)水泥摻量，認(rèn)為水泥改性膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化和脆性破壞特征。趙紅華等[11]發(fā)現(xiàn)水泥改性膨脹土經(jīng)歷了顆粒表面溶蝕、深層溶蝕分解和硬凝性膠膜形成的微觀結(jié)構(gòu)變化過程。劉鳴等[12]通過水泥改性膨脹土試驗(yàn)，確定了膨脹土料最大土團(tuán)級配和含水率控制標(biāo)準(zhǔn)。劉軍等[13]發(fā)現(xiàn)水泥改性中/弱膨脹土的膠粒含量和黏土礦物含量明顯降低。AL-RAWAS 等[14]利用室內(nèi)試驗(yàn)證明了水泥對膨脹土的減脹能力弱于石灰對膨脹土的減脹能力。PHANIKUMAR等[15]認(rèn)為摻加水泥能顯著提升石灰渣改性膨脹土的強(qiáng)度和承載力。POR等[16]發(fā)現(xiàn)水泥可有效降低膨脹土收縮應(yīng)變和豎向自由膨脹應(yīng)變，并顯著提升膨脹土強(qiáng)度和剛度。LU 等[17]分析了凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的變形和強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)水泥可增大膨脹土抗壓強(qiáng)度和回彈模量，減小凍融循環(huán)誘發(fā)的膨脹土脹縮程度。CAI等[18]通過開展重載鐵路膨脹土路基現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了水泥改良膨脹土路基的動態(tài)荷載分布與衰減規(guī)律。

綜上所述，此前人們側(cè)重于研究水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度、膨脹性、穩(wěn)定性和孔隙結(jié)構(gòu)等力學(xué)性質(zhì)與作用機(jī)理，而針對經(jīng)歷干濕、凍融循環(huán)作用的季凍區(qū)改性膨脹土路基力學(xué)特性的演化及其微觀機(jī)理的研究還較少。本文通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動回彈模量、掃描電鏡、核磁共振等系列室內(nèi)試驗(yàn)，揭示干濕、凍融循環(huán)作用下水泥改性膨脹土的強(qiáng)度、剛度特性及孔隙結(jié)構(gòu)與微觀形貌，以期為季凍區(qū)水泥改性膨脹土路基的設(shè)計(jì)與運(yùn)營提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為中膨脹土，取自黑龍江省齊齊哈爾市北部引嫩干渠烏北段。土樣來源地位于我國東北部，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候。夏季溫?zé)釢駶櫍涤瓿渥悖骄鶜鉁貫?3.1 ℃；冬季較為干旱，降水量較少，平均氣溫為-18.3 ℃。總體而言，該地區(qū)膨脹土在夏秋季節(jié)經(jīng)受干濕作用，而在冬春季節(jié)則經(jīng)歷凍融作用，即長期經(jīng)歷周期性的干濕、凍融循環(huán)作用。所取膨脹土基本物理性質(zhì)見表1。土樣自由膨脹率為67%，歸類于中膨脹土，主要礦物成分為石英、伊利石、鈉長石和方解石。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of expansive soil

所選水泥材料為常用的普通硅酸鹽水泥，代號為P·O 42.5，其主要化學(xué)成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。

1.2 試樣制備

開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、動三軸試驗(yàn)等所需圓柱試樣的制備過程如下。1)將原狀膨脹土風(fēng)干碾碎、過篩(孔徑為2 mm)，將過篩土樣用密封袋保存并靜置1 d，用烘干法測定土樣的平均含水率，即可得所磨碎土樣的初始含水率。2)將水泥按設(shè)計(jì)摻量2%，4%和6%(水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比)與土樣均勻混合后，用噴壺邊噴水邊攪拌均勻，直至達(dá)到各水泥摻量下改性膨脹土的最優(yōu)含水率。3)將配制好的水泥改性膨脹土料分3層放入鋼制模具中，采用靜壓法壓實(shí)制備壓實(shí)度為95%、高度分別為79.1 mm 和76.0 mm、直徑為38 mm 的圓柱試樣，并對壓實(shí)試樣表面進(jìn)行刨毛。4)將水泥改性膨脹土試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d 后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)(試樣高度為79.1 mm)和動三軸試驗(yàn)(試樣高度為76.0 mm)。

1.3 試驗(yàn)儀器與方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WDW-50 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)完成。為研究初始含水率對抗壓強(qiáng)度影響，設(shè)定試樣初始含水率分別為19%，21%，23%和25%，分布在最優(yōu)含水率的兩側(cè)。由最優(yōu)含水率向高含水率調(diào)整時(shí)，用濾紙包裹試樣并噴水；由最優(yōu)含水率向低含水率調(diào)整時(shí)，將試樣在自然條件下風(fēng)干。將達(dá)到目標(biāo)含水率的試樣用保鮮膜包裹密封，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14 d 后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。

采用英國GDS 動三軸儀研究該水泥改性膨脹土的動力特性。該GDS 儀由主機(jī)、水下荷載傳感器、圍壓控制器、反壓控制器和DCS 數(shù)字控制系統(tǒng)等部分組成。該設(shè)備所用水下傳感器的位移量程為100 mm，荷載傳感器量程為10 kN，頻率為1～5 Hz。應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置16 個(gè)階段，第1 個(gè)階段為預(yù)壓階段，恒定應(yīng)力為2.8 kPa、循環(huán)應(yīng)力為24.8 kPa，頻率為1 Hz，循環(huán)加卸載1 000 次。設(shè)置3 組圍壓，分別為41.4，27.6 和13.8 kPa，恒定應(yīng)力為最大軸向應(yīng)力的10%；設(shè)計(jì)5組軸壓，恒定應(yīng)力分別為1.4，2.8，4.1，5.5和6.9 kPa，對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力分別為12.4，24.8，37.3，49.7 和62.0 kPa。15 個(gè)應(yīng)力組合對應(yīng)15 個(gè)階段，每個(gè)階段內(nèi)荷載頻率設(shè)定為1 Hz，荷載持續(xù)時(shí)間為0.1 s，荷載間歇為0.9 s，共循環(huán)100 次，每間隔0.02 s 記錄一次數(shù)據(jù)。

采用KB-TH-S-150Z可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱開展凍融循環(huán)試驗(yàn)。實(shí)施一次凍融-干濕過程的步驟如下：1)試樣初始含水率為最優(yōu)含水率，采用保鮮膜包裹以保持含水率不變，放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，在-20 ℃凍結(jié)12 h，之后在20 ℃下融化12 h，完成一次凍融過程；2)去除保鮮膜，讓試樣在自然條件下風(fēng)干，使含水率下降到其縮限的15%；將脫濕試樣通過抽氣飽和法完成增濕，再將飽和試樣自然風(fēng)干至初始含水率時(shí)的質(zhì)量，即完成一次干濕過程。重復(fù)步驟1)和2)即可實(shí)現(xiàn)干濕-凍融循環(huán)。本次試驗(yàn)中，干濕-凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，1，3和10次。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響因素

2.1.1 水泥摻量

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水泥改性膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(unconfined compression strength，UCS)隨水泥摻量的變化見圖1。由圖1可見，水泥的摻入使膨脹土抗壓強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)水泥摻量從0增加到6%時(shí)，不同初始含水率下改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提升，二者近似呈二次曲線關(guān)系。以初始含水率為25%的試樣為例，當(dāng)水泥摻量從0增加到2%時(shí)，膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度為183%；當(dāng)水泥摻量從2%增加到4%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升幅度為437%；當(dāng)水泥摻量從4%增加到6%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升約258%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅較4%水泥摻量時(shí)有所下降。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化Fig.1 Change of UCS with cement content

2.1.2 初始含水率

不同初始含水率對未經(jīng)干濕-凍融循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)水泥改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著初始含水率增大，不論是未改性的素膨脹土還是水泥改性膨脹土，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈持續(xù)下降趨勢。當(dāng)初始含水率從19%升高到25%時(shí)，未摻水泥的素膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降了76.5%，2%水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度下降了59.2%，4%水泥改性膨脹土抗壓強(qiáng)度下降了31.4%，6%水泥改性膨脹土抗壓強(qiáng)度下降了16.9%。可見，隨著水泥摻量增大，水泥改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受初始含水率變化的影響逐漸減弱。由圖2還可見：隨著水泥摻量增大，改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，這是因?yàn)樗傻哪z結(jié)物更多。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率的變化Fig.2 Change of UCS with initial water content

2.1.3 干濕-凍融循環(huán)

將不同水泥摻量、不同初始含水率的膨脹土試樣進(jìn)行0，1，3和10次干濕-凍融循環(huán)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕-凍融環(huán)作用次數(shù)的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 水泥摻量和干濕-凍融循環(huán)次數(shù)對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Combined effect of number of freeze-thaw and dry-wet cycles and cement content on UCS

由圖3可以看出：在經(jīng)歷若干次干濕-凍融循環(huán)作用之后，素膨脹土和水泥改性膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都有所下降。對于素膨脹土，在經(jīng)歷第1次干濕-凍融循環(huán)作用后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降幅最大；經(jīng)歷3次和10次干濕-凍融循環(huán)后其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度依舊有所下降，但降幅遠(yuǎn)比第1次循環(huán)時(shí)的降幅小。初始含水率越低的試樣，其對應(yīng)的由干濕-凍融循環(huán)作用誘發(fā)的強(qiáng)度降幅越大。這是因?yàn)椋诮?jīng)歷第1 次干濕-凍融循環(huán)后，素膨脹土試樣孔隙結(jié)構(gòu)已受到嚴(yán)重破壞，因而強(qiáng)度下降非常明顯，而增加干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)對試樣的破壞效應(yīng)相對有限。與素膨脹土相比，改性膨脹土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所提升。在第1和第3次干濕-凍融循環(huán)作用之后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著降低。尤其是對于2%水泥改性土試樣，與素土試樣相比，經(jīng)第1和第3次循環(huán)作用后其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已大幅提高，且含水率越低時(shí)水泥對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)越明顯，即在低初始含水率時(shí)，2%水泥改性膨脹土試樣抵抗干濕-凍融循環(huán)作用的性能已有顯著提升；在經(jīng)歷第3～10 次循環(huán)作用后，其抗壓強(qiáng)度變化趨勢與素土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢類似。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，建議以經(jīng)歷3次干濕-凍融循環(huán)作用后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為水泥改性膨脹土長期強(qiáng)度。

對于水泥摻量為4%和6%的水泥改性膨脹土試樣，其在干濕-凍融循環(huán)作用下表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。尤其對于6%水泥改性試樣，前3次干濕-凍融循環(huán)作用的抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，之后下降幅度趨于緩和且不同初始含水率對應(yīng)試樣抗壓強(qiáng)度的曲線漸趨一致。也就是說，水泥的摻入使膨脹土抵抗干濕-凍融循環(huán)的力學(xué)性能顯著升高，強(qiáng)度下降程度大幅減小。經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)作用后，素膨脹土抗壓強(qiáng)度下降71.8%，而2%，4%和6%水泥改性膨脹土試樣的抗壓強(qiáng)度分別下降52.8%，40.9%和17.1%。

上述結(jié)果表明，隨著水泥摻量增大，水化過程生成膠凝產(chǎn)物更多，膨脹土膠結(jié)強(qiáng)度增大并形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，其抵抗干濕-凍融循環(huán)破壞作用的能力增強(qiáng)。在經(jīng)歷數(shù)次循環(huán)作用之后試樣并未完全破壞，仍具備較高強(qiáng)度，但隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加，抗壓強(qiáng)度隨之下降。總之，干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)增加和含水率增大都會使水泥改性膨脹土的抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 動回彈模量的影響因素

2.2.1 水泥摻量

對在不同初始含水率條件下，水泥摻量分別為0，2%，4%和6%的改性膨脹土試樣進(jìn)行動三軸試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。圖4中，41.4-12.4表示圍壓為41.4 kPa、循環(huán)應(yīng)力為12.4 kPa(下同)。由圖4可以看出，對于不同初始含水率的試樣，隨著水泥摻量增加，改性膨脹土動回彈模量都呈增大趨勢。當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，其動回彈模量已可達(dá)到素膨脹土動回彈模量的2倍以上。

圖4 動回彈模量隨水泥摻量的變化Fig.4 Change of dynamic resilient modulus with cement content

JTG D30—2015“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”[19]規(guī)定：低液限黏土標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的路基土動回彈模量取值范圍為50～85 MPa。當(dāng)水泥摻量分別為2%，4%和6%時(shí)，改性膨脹土均已變?yōu)榈鸵合摒ね粒鋭踊貜椖Ａ看蠖喾下坊O(shè)計(jì)規(guī)范的要求。但當(dāng)初始含水率為21%時(shí)，素膨脹土和2%水泥改性試樣在部分應(yīng)力狀態(tài)下動回彈模量不能達(dá)到路基設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，水泥改性土動回彈模量增大；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增至6%時(shí)，其動回彈模量與4%水泥摻量時(shí)的動回彈模量相比變化不大。對于初始含水率為23%和25%的試樣，當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，改性膨脹土試樣的動回彈模量持續(xù)增加且全部達(dá)到路基設(shè)計(jì)規(guī)范要求；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增至6%時(shí)，其動回彈模量整體上略有增加，但與21%初始含水率時(shí)相比，回彈模量有所提升但增幅非常小。由此可見，水泥的摻入使水泥改性膨脹土動回彈模量有很大提升，尤其是當(dāng)水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，改性膨脹土的動回彈模量可達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。但當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增加，改性膨脹土動回彈模量增幅有限。綜合考慮本次試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)因素，4%水泥摻量可被認(rèn)為是該膨脹土動回彈模量的優(yōu)選摻量。

2.2.2 初始含水率

素土和不同摻量水泥改性膨脹土試樣的動回彈模量隨初始含水率的變化關(guān)系見圖5。由圖5可以看出，素膨脹土動回彈模量與初始含水率之間呈明顯的線性關(guān)系；隨著初始含水率增加，素膨脹土動回彈模量大幅減少；當(dāng)含水率從19%上升到25%時(shí)，素膨脹土動回彈模量下降65.8%～81.8%；當(dāng)水泥摻量達(dá)到2%和4%時(shí)，改性膨脹土試樣動回彈模量隨初始含水率的變化規(guī)律發(fā)生改變，即動回彈模量隨初始含水率先增加后顯著減小，在21%含水率(最優(yōu)含水率為21.1%)時(shí)達(dá)到峰值，這間接反映了含水率過高會使水泥改性膨脹土動回彈模量減小；當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)，改性膨脹土動回彈模量與初始含水率總體呈降低趨勢，少數(shù)試樣動回彈模量呈波浪狀變化。上述分析表明，素膨脹土動回彈模量受初始含水率的影響較大；當(dāng)初始含水率上升時(shí)，其動回彈模量呈線性下降，且變化趨勢隨水泥摻入量變化而發(fā)生明顯改變。隨著水泥的摻入，2%和4%水泥摻量時(shí)試樣動回彈模量隨初始含水率的下降趨勢明顯減緩且在最優(yōu)含水率附近達(dá)到峰值，6%水泥摻量時(shí)動回彈模量整體呈下降趨勢。因此，水泥能有效抑制初始含水率增加所引起的動回彈模量下降，并改變動回彈模量變化過程。

圖5 動回彈模量隨初始含水率的變化Fig.5 Change of dynamic resilient modulus with initial water content

2.2.3 干濕-凍融循環(huán)作用

圖6所示為6%水泥摻量時(shí)不同初始含水率下改性膨脹土動回彈模量與干濕-凍融循環(huán)作用次數(shù)的關(guān)系。由圖6可知：在經(jīng)歷凍融-干濕循環(huán)作用之后，絕大多數(shù)水泥改性膨脹土試樣動回彈模量都有所下降。當(dāng)初始含水率為19%，21%，23%和25%時(shí)，水泥改性膨脹土動回彈模量與干濕-凍融循環(huán)的關(guān)系呈相似的規(guī)律。在經(jīng)歷1 次干濕-凍融循環(huán)后，改性膨脹土動回彈模量有所減小、降低幅度較有限；經(jīng)歷3 次干濕-凍融循環(huán)后其動回彈模量發(fā)生大幅下降，降幅約30%～40%；經(jīng)歷4～10次循環(huán)后，其動回彈模量變化比較平緩。相比未經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)的試樣，前3 次循環(huán)中水泥改性膨脹土試樣的動回彈模量下降程度最大；隨著循環(huán)次數(shù)增加，干濕-凍融循環(huán)作用對于試樣動回彈模量的影響降低并趨于穩(wěn)定。

圖6 6%水泥改性膨脹土動回彈模量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between dynamic resilient modulus with cycle number for 6%cement modified expansive soil

在水泥摻入膨脹土之后，水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生膠凝產(chǎn)物，這些膠凝產(chǎn)物形成網(wǎng)絡(luò)骨架包裹在土顆粒表面，形成整體密實(shí)結(jié)構(gòu)，提高了試樣的強(qiáng)度和抵抗變形的能力。當(dāng)試樣經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)時(shí)，土顆粒間的物理化學(xué)膠結(jié)程度依舊受到干縮、濕脹、凍脹、融化等的影響，這些因素誘使土體發(fā)生體積變化，尤其是膨脹土顆粒吸水膨脹現(xiàn)象明顯。隨著干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加，土顆粒體積和間距都發(fā)生明顯變化，當(dāng)這種變化的拉伸強(qiáng)度超過水泥產(chǎn)物所形成的膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)，膠結(jié)體系即發(fā)生損傷破壞，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度和抵抗變形的能力下降，表現(xiàn)為動回彈模量下降。此外，由于膨脹土遇水膨脹的特性，初始含水率越高，土顆粒膨脹體積越大，使得試樣受到荷載時(shí)更容易破壞。然而，土體內(nèi)部孔隙等并不能無限擴(kuò)大，在經(jīng)歷一定干濕-凍融循環(huán)次數(shù)之后便趨于穩(wěn)定。隨著水泥摻量增加，水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用時(shí)抵抗外界侵蝕破壞的能力更強(qiáng)。

2.3 微觀機(jī)制

2.3.1 孔隙結(jié)構(gòu)

對經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后的2%和6%摻量的水泥改性膨脹土進(jìn)行核磁共振試驗(yàn)(NMR)，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可見：2%摻量的水泥改性膨脹土試樣孔隙度從循環(huán)作用前的19.98%增加到循環(huán)作用后的23.21%；6%摻量水泥改性膨脹土試樣孔隙度則從循環(huán)前的18.54%增加到循環(huán)后的19.88%。

從圖7(a)可以看出，當(dāng)弛豫時(shí)間為0.1～10.0 ms時(shí)，2%水泥改性膨脹土在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)前后的信號強(qiáng)度變化不大；但當(dāng)弛豫時(shí)間為10～1 000 ms時(shí)，改性土在經(jīng)歷10次凍融-干濕循環(huán)前后的信號強(qiáng)度峰值變化很大，循環(huán)作用之后的峰值強(qiáng)度和峰值面積都較循環(huán)作用之前有很大的提高。從圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)弛豫時(shí)間為0.1～10.0 ms時(shí)，6%摻量水泥改性膨脹土經(jīng)歷10 次凍融-干濕循環(huán)之后的信號峰值強(qiáng)度和面積較循環(huán)之前有所下降；當(dāng)弛豫時(shí)間為10～1 000 ms時(shí)，經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)后，水泥改性膨脹土試樣的信號峰值強(qiáng)度和面積較循環(huán)之前有所上升。從圖8可知，在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后，2%摻量水泥改性膨脹土試樣的小孔隙和大孔隙數(shù)量均有所增加；6%摻量水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10次凍融-干濕循環(huán)作用之后，小孔隙數(shù)量有所減少、大孔隙數(shù)量有所增加。上述分析表明，干濕-凍融循環(huán)作用會破壞顆粒之間物理化學(xué)膠結(jié)，使土體內(nèi)部顆粒分布與孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，促使部分小孔隙轉(zhuǎn)為大孔隙。

圖7 NMR弛豫時(shí)間隨干濕-凍融循環(huán)作用的變化Fig.7 Changing of NMR relaxation time with freeze-thaw and dry-wet cycles

圖8 孔徑分布曲線隨干濕-凍融循環(huán)作用的變化Fig.8 Changing of pore radius distribution curves with freeze-thaw and dry-wet cycles

2.3.2 微觀形貌

對經(jīng)歷10 次凍融-干濕循環(huán)作用前后的2%和6%摻量水泥改性膨脹土試樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)(SEM)，結(jié)果分別如圖9～11所示。由圖9可見：2%摻量的水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10 次干濕-凍融循環(huán)作用之后，出現(xiàn)了貫穿整個(gè)斷面的較大尺寸裂隙且數(shù)量更多，破壞了改性土體的完整性。從圖10可以看出，6%摻量的水泥改性膨脹土試樣在經(jīng)歷10次干濕-凍融循環(huán)作用之后出現(xiàn)較多中小尺寸裂隙，且小裂隙數(shù)量更多，改性土樣的整體性更好，這與2%摻量水泥改性試樣中的裂隙分布明顯不同。這是因?yàn)椋?%摻量的水泥改性膨脹土試樣中會產(chǎn)生絮狀水化硅酸鈣、針狀鈣礬石等膠結(jié)性能優(yōu)異的水化產(chǎn)物，在增強(qiáng)膨脹土結(jié)構(gòu)完整性的同時(shí)不斷填充孔隙，從而使得大孔隙數(shù)量減少而小孔隙數(shù)量增加，進(jìn)一步提升固化土體密實(shí)度。

圖9 2%水泥改性膨脹土SEM圖(放大200倍)Fig.9 SEM images of 2%cement-modified expansive soil with magnification of 200 times

圖10 6%水泥改性膨脹土SEM圖(放大200倍)Fig.10 SEM images of 6%cement-modified expansive soil with magnification of 200 times

由圖11可見：在經(jīng)歷循環(huán)作用之前，鈣礬石等針簇狀膠結(jié)產(chǎn)物與土顆粒團(tuán)聚包裹在一起；而經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用之后，這些水化產(chǎn)物分布于膨脹土顆粒表面及粒間孔隙，產(chǎn)生化學(xué)膠結(jié)和骨架構(gòu)建的雙重效應(yīng)。在干濕-凍融循環(huán)作用過程中，這些膠凝產(chǎn)物包裹土顆粒且不斷發(fā)生體積變化，并破壞膠凝產(chǎn)物的黏結(jié)效能，引起原有團(tuán)聚體發(fā)生破壞，導(dǎo)致改性膨脹土抗壓強(qiáng)度降低。

圖11 6%水泥改性膨脹土SEM圖(放大5 000倍)Fig.11 SEM images of 6%cement-modified expansive soil with magnification of 5 000 times

結(jié)合干濕-凍融循環(huán)作用后試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和SEM 試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)水泥摻量較低時(shí)(2%)，在循環(huán)作用之前水泥已充分反應(yīng)，但土體內(nèi)部水泥反應(yīng)產(chǎn)物相對較少，其強(qiáng)度增幅有限，仍受試樣本身的影響較大，而干濕-凍融循環(huán)作用增加了試樣內(nèi)部大孔隙的數(shù)量，導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低；當(dāng)水泥摻量較高時(shí)(6%)，隨著干濕-凍融循環(huán)的進(jìn)行，由水泥主導(dǎo)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物成為影響試樣強(qiáng)度的主要因素。這些產(chǎn)物受含水率和干濕-凍融循環(huán)作用的影響較小，但持續(xù)的干濕-凍融循環(huán)作用會破壞水泥膠凝產(chǎn)物的膠結(jié)和孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致6%摻量水泥改性膨脹試樣在3 次循環(huán)作用之前無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷降低，但3次循環(huán)作用之后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度受含水率和循環(huán)作用次數(shù)的影響程度有限。

3 結(jié)論

1)水泥的摻入使膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抵抗凍融-干濕循環(huán)作用的力學(xué)性能有顯著提升，水泥摻量越高時(shí)膨脹土抗壓強(qiáng)度越大，但高水泥摻量時(shí)膨脹土強(qiáng)度增幅有所減緩。初始含水率對改性膨脹土強(qiáng)度發(fā)展過程有明顯的影響，初始含水率越高，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降越明顯，尤其對于素膨脹土和低摻量水泥改性土，這一現(xiàn)象更明顯。經(jīng)歷干濕-凍融循環(huán)作用后，膨脹土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯下降，但逐漸趨于穩(wěn)定。

2)隨著水泥摻量增大，改性膨脹土的動回彈模量增大；但當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增大到一定值時(shí)，動回彈模量增大幅度有限。在本文條件下，水泥摻量達(dá)到4%時(shí)已滿足“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”的要求；當(dāng)初始含水率增大時(shí)，低水泥摻量和素膨脹土試樣動回彈模量大幅降低，而初始含水率對高水泥摻量土樣的影響相對較小；干濕-凍融循環(huán)作用使水泥改性膨脹土試樣的動回彈模量大幅下降，1～3次循環(huán)作用時(shí)強(qiáng)度下降幅度尤為明顯；隨著水泥摻量增大，改性膨脹土動回彈模量趨于穩(wěn)定時(shí)所需的凍融-干濕循環(huán)次數(shù)增加。

3)干濕-凍融循環(huán)作用使低摻量水泥改性膨脹土內(nèi)部大孔隙數(shù)量顯著增加、小孔隙數(shù)量略微增加，使高摻量水泥改性膨脹土大孔隙數(shù)量有所增加、小孔隙數(shù)量減少。干濕-凍融循環(huán)作用使膨脹土出現(xiàn)大量裂隙，水泥摻量越低，裂隙直徑越大；使試樣內(nèi)部針簇狀產(chǎn)物與土顆粒結(jié)合的膠結(jié)發(fā)生破壞，孔隙結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，從而導(dǎo)致改性膨脹土團(tuán)聚結(jié)構(gòu)遭受一定程度損傷。