不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究

解邦龙， 张吾渝，3， 孙翔龙， 刘乐青， 刘成奎

（1.青海大学土木工程学院，青海西宁 810016； 2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海西宁 810016； 3.青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海西宁 810008； 4.青海省建筑建材科学研究院有限责任公司，青海西宁 810008）

0 引言

冻融循环作用通过影响土体内部水相变而导致土体强度劣化和基础结构损害等问题，而青海季节性冻土地区分布广泛[1］，冻融循环作用作为季冻区常见的物理作用之一，会对地基产生不均匀沉降、冻胀裂缝等常见的工程问题，影响建筑的正常使用。与此同时，青海黄土面积分布广泛，湿陷性等级高且土层厚，同样危害着本地区的工程建设，两者作用的双重影响对工程设计、施工提出更高的要求。

为减少冻融循环作用所带来的危害，许多学者研究冻融循环作用对黄土性能的影响规律，发现冻融过程中水力重分布、冻融循环次数及温度是对土体力学性能影响较大的因素[2-3］，Zhou等[4］通过对长期冻融黄土进行试验研究，发现冻融循环次数对黄土的强度影响较大，循环次数越多，试样的后期强度变化趋于稳定；胡田飞等[5］研究发现冻融过程中随着温度的降低，土体的冻胀和冻缩逐渐减小，而强度先减小后增大；张翻等[6］基于Johansen 法反演不同温度时未冻含水量的变化，发现随着土体温度的降低，未冻水含量、土水势等先减小后趋于稳定。由此看出，冻融循环过程中循环次数对土体性能影响较大。

同时，实际工程中为处理黄土的不良性质通常采用换土垫层法进行处理，常以2∶8 灰土和3∶7 灰土作为垫层材料而保证地基土承载力满足设计和施工要求。因此，许多学者采用石灰或其他改性材料研究土体的改良性能，张磊等[7］、杨晴等[8］对改性生土材料进行冻融循环试验后测定其力学特性，研究发现冻融前后改性生土材料的强度较素土有所提高，且随着改性材料掺量的增加其强度提高；周宇等[9］采用石灰对红层进行改良，发现掺入石灰可以提高红层的抗压强度，且随着掺量的增加其无侧限抗压强度增大；胡再强等[10］通过对冻融循环后石灰改性黄土进行固结排水剪切试验，研究发现随着循环次数的增加，改性黄土的强度呈下降趋势，随着石灰掺量的增加，其应力-应变曲线由弱硬化型向弱软化型过渡；Zhang 等[11］以石灰改良黄土进行冻融循环试验和三轴剪切试验，结果发现随着冻融循环次数的增加其强度降低，但强度有所波动；Nguyen等[12］以石灰改良细粒土为研究对象，经历冻融循环后进行无侧限抗压强度试验和微观试验，发现由于冻融作用试样内部冰晶体形态的变化导致其强度降低，但石灰可以提高土体的抗冻融性。

冻融循环作用不仅对土体的宏观力学产生影响，而且也影响土体的微观结构，许建等[13-15］研究发现冻融作用对原状黄土结构的破坏较重塑黄土严重，但冻融作用使土体内部颗粒排列疏松、胶结强度变差；陈鑫等[16］对重塑黄土进行微观试验发现，随冻融循环次数的增加黄土孔隙率先增加后减小且趋于稳定。以微观试验结果为依据分析冻融循环对土体内部结构、成分及颗粒、孔隙影响的研究逐渐深入。

综上所述，冻融循环次数等条件对土体性能的影响较为显著，以往研究采用恒温冻结、恒温融化的冻融循环试验，而模拟实际气候变化的冻融循化试验研究不足。本试验为模拟气候变化设定不同温控曲线，研究不同温控曲线对石灰改良黄土力学性能的影响。通过无侧限抗压强度试验、冻融循环试验和微观试验对石灰改良黄土的力学性能和微观结构进行试验研究，研究结论将为青海季节性地区地基处理工程提供参考，为冻融循环试验中温控曲线的设定提供参考。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用黄土取自青海省西宁市城北区某场地，如图1 所示，地理位置为101.753 E，36.754 N，黄土的基本物理性质如表1所示，击实曲线、颗粒筛分曲线及化学组分如图2、图3 和图4 所示。该黄土的不均匀系数为20，曲率系数为0.242，属于颗粒级配不良土。

表1 土的基本物理性质指标Table 1 Basic physical properties of soil

图1 取土场地位置Fig.1 The location of the borrow site

由黄土的XRD 衍射谱图（图4）发现，黄土中存在较多的特征衍射峰，以SiO2、CaCO3、Fe2O3和Al2O3物质为主要矿物成分。

图4 黄土的XRD衍射图Fig.4 XRD diffraction pattern of loess

试验所用熟石灰基本物性参数如表2，颗粒分布曲线如图3，采用Mastersizer 2000 激光粒度分析测试仪对熟石灰的粒度分布进行分析，发现熟石灰的中值粒径d（0.5）=8.034，黄土为d（0.5）=31.484，熟石灰的中值粒径较少。熟石灰的化学组分如图5所示，熟石灰中以Ca（OH）2为主要成分，但由于空气中含有CO2和H2O，与Ca（OH）2结合转化为碳酸钙晶体（CaCO3），因此通过X 射线衍射谱图可以发现熟石灰中以CaCO3为主要矿物成分。

图5 熟石灰的XRD衍射图Fig.5 XRD diffraction pattern of lime

表2 熟石灰的基本物性参数Table 2 Basic physical parameters of lime

图3 试样的颗粒筛分曲线图Fig.3 The curve of grain size distribution of sample

按体积比配制灰土试样，其基本性质如表1 所示，击实曲线汇总于图2 中。将黄土碾碎放入烘箱（烘箱温度为110 ℃）烘8 h，再将黄土过2 mm 分析筛，以黄土的最优含水率和最大干密度为控制变量，采用压实度为97%，按2∶8 和3∶7 的体积比配制灰土，配制试样时需先将体积比换算为质量比，以保证试样的精准性。将配制的土样静置24 h后用三瓣膜制样，采用分层击实法制成直径为39.10 mm，高为80.00 mm的标准试样。同时，为保证冻融过程中试样含水率一定，采用保鲜膜包裹、密封袋密封的方式使试样处于封闭环境。所采用的灰土试样不进行养护，因而将制备好的试样放入冻融箱进行冻融试验，同时，将未冻融的试样进行无侧限抗压强度试验，保证所有试样的试验时机一致。

图2 试样的击实曲线Fig.2 Compaction curve of sample

在试样制备过程中，为保证试验结果离散型较小，每组试验将设置平行试样，每个试样的干密度相差不超过0.01 g·cm-3，含水率相差不超过0.1%。

微观试样制备是将达到预定冻融循环次数后的灰土试样放入烘箱烘干，以试样中心截面为标准制作微观试样，微观试样尺寸为长×宽×高=2 cm ×1 cm ×1 cm，并在中间位置刻细槽，在进行扫描电镜试验时便于掰断取试样的天然断面作为扫描截面。

1.2 试验方案

将制备好的试样进行冻融循环试验，仪器采用冻胀循环试验箱（TMS9018—500）。为模拟青海省季节性地区气候对于地基土体的影响，根据青海近五年冬季平均气温选择冻融温度，冻融循环次数设定为0 次、2 次、4 次、6 次、8 次、10 次、15 次和20 次，以冻结12 h、融化12 h为一次冻融循环。

由于外界环境温度变化方式较复杂，青海地区的昼夜温差较大（冬季昼夜温度相差约17 ℃左右），因此，采用正弦曲线[图6（a）］模拟每日地面温度变化趋势，同时当地气温也存在温度持续降低的现象，将采用三角波[图6（b）］进行模拟；而对地表以下的冻土层，地表温度向地中传播存在衰减和滞后[17］，温度相对稳定，因而采用矩形波[图6（c）］进行模拟。试验中为模拟温度变化方式且保证各因素变量对试验结果的单一影响，以正弦曲线为标准[图6（a）］，温度设定为±15 ℃，将正弦曲线记做1#曲线，线性曲线分别记做2#、3#温控曲线，采用公式（3）和（4）得到2#和3#温控曲线所设定的温度值。

图6 试验过程所设定的温控曲线Fig.6 Temperature control curve set during the test

参照张国新[18］提出的热积概念，在相同条件时仪器输入总热能（Q）与所经历温度（T）对时间（t）积分成正比，

以1#温控曲线所模拟的温度变化为标准，函数为

则利用公式（3）和（4）对2#和3#温控温度进行求解，得到各曲线的温度值。

式中：k为三角波曲线的斜率；b为方形波曲线的截距。

利用式（3）和（4）计算得出2#温控曲线所设定的温度值为±19.1 ℃，3#温控曲线所设定的温度值为±9.55 ℃。待2∶8 灰土和3∶7 灰土试样在1#、2#、3#温控曲线下达到预定冻融循环次数后进行无侧限抗压强度试验，仪器采用YYW-2 型无侧限抗压强度仪，研究不同温控曲线及冻融循环次数对石灰改良黄土的无侧限抗压强度变化规律。同时，利用扫描电镜仪、XRD 衍射仪和颗粒及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）对试样进行微观结果分析，得到SEM 图像、XRD 谱图和微观定量参数，研究试样的微观结构变化规律。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 抗压强度

冻融循环试验中温度场的变化规律存在差异，对灰土强度等性能产生不同影响。从图6可以发现1#温控曲线的温度随时间变化较平缓，临界温度的变化对土体强度和水分影响较小，经历多次冻融循环作用后，内部水分对试样强度的影响逐渐显著，冻融循环次数越多，强度逐渐趋于稳定，因此强度损失率降低（相邻冻融循环次数的强度损失率最大为10%左右）；针对2#、3#温控曲线而言，冻结温度和融化温度的临界温度存在骤变现象，液态水与固态冰的相互转化对灰土结构的破坏效果比1#温控曲线显著，强度损失率高（相邻冻融循环次数的强度损失率最大达到15%~30%），其强度较1#温控曲线试样的强度损失较多。

图7 所示为不同温控曲线时灰土抗压强度与冻融循环次数关系的变化曲线。从图7 发现3∶7灰土的初始强度为437 kPa，2∶8 灰土的初始强度为342 kPa，3∶7 灰土初始强度相较于2∶8 灰土初始强度高，表明熟石灰体积占比越高，在同一标准下所制得试样的强度越高，其性能相对较好。因此，采用相同温控曲线和经历相同次数的冻融循环作用时，3∶7灰土经历冻融循环后的强度高于2∶8灰土冻融后的强度（由图7发现）。

图7 不同温控曲线对灰土抗压强度与冻融循环次数的关系曲线Fig.7 The relationship between different temperature control curves and the compressive strength of lime-improved loess and the number of freeze-thaw cycles

从图7发现随着冻融循环次数的增加，3∶7灰土和2∶8 灰土抗压强度均呈现相同的变化规律，灰土抗压强度随冻融循环次数的变化规律主要呈现两个阶段，第一阶段为冻融循环0~6次，随着冻融循环次数的增加强度逐渐降低。经历0~6次冻融循环过程中灰土强度随冻融循环次数的增加而减小，说明水相变导致试样的结构破坏，土颗粒间的黏结效果减弱，灰土内部孔隙增多，其强度劣化；第二阶段为冻融循环8~20次，随着冻融循环次数的增加强度提高且逐渐趋于稳定。当经历8~20次冻融循环时，试样强度随冻融循环次数的增加逐渐提高，是由于冻融过程中水在自重作用和冻结力的影响下，水携带的微小土颗粒及矿物颗粒逐渐填充试样内部孔隙，试样相较于前期较密实，因而随着冻融循环次数的增加，灰土强度提高，但强度始终小于未冻融试样强度。冻融循环作用会改变土中粒径和孔隙形状，随着冻融循环次数的增加强度会提高，对土颗粒间联结存在强化作用[19］，冻融循环次数的增加对土体强度存在增强效果。

对冻融循环2 次和20 次3∶7 灰土试样放大2 000 倍发现（图8），在不同冻融循环次数的试样中均存在针状物质，说明土颗粒表面的矿物颗粒与熟石灰发生反应生成了不溶性水化硅酸钙和水化铝酸钙[20］，这些胶凝物质与土颗粒黏结会提高灰土的抗压强度，随着冻融循环次数的增加，灰土内部的化学反应也逐渐稳定，但由于土颗粒表面存在的活性矿物成分较少，化学反应主要发生于土颗粒表面，因而试样内部生成的胶凝物质含量差异较小，从图8 发现，冻融循环2 次和20 次时3∶7 灰土内部均存在胶凝物质，但冻融次数较少时内部胶凝物质呈现独立分布为主，而冻融循环次数较多时以聚集分布为主，此时胶凝物质与土颗粒黏结紧密，获得更高的强度。

图8 不同冻融循环次数时3∶7灰土的SEM图像（×2 000倍）Fig.8 SEM image of lime-improved loess（3∶7）under different freeze-thaw cycles（×2 000 times）

2.1.2 应力-应变曲线

当经历0~6次冻融循环时，灰土的抗压强度逐渐下降，由于经历的冻融周期较短，反应生成的胶凝物质较少且未相互胶结，强度较低，此时冻融循环作用占主导地位；随着冻融循环次数的增加（冻融循环次数8~20次），土颗粒的破损程度逐渐增强，与熟石灰的接触面积增多，化学反应生成的胶凝物质增加，灰土的强度提高。因此选择经历冻融循环2次、6次、10次和20次后灰土的应力-应变曲线进行分析（图9）。

从图9 发现，3∶7 灰土和2∶8 灰土在经历不同冻融循环次数后的应力-应变曲线呈现应变软化特征，冻融循环次数较少时灰土的应力-应变曲线更倾向于应变弱软化型，而随冻融循环次数增加其应力-应变曲线向应变强软化型过渡。因此，将灰土的应力-应变曲线可以分为三个阶段，一为初始线弹性阶段，该阶段灰土的应力-应变呈现弹性变形；二为峰值前非线性阶段，该阶段灰土的应力随着应变的增加而增大，试样的抗压强度达到其最大值；三为后峰值残余阶段，该阶段灰土强度骤降且存在残余应力，随着轴向应变的不断增加强度上下波动但逐渐趋于稳定。分析其原因发现在加载初期，当灰土受到竖向荷载时，外荷载对灰土结构产生破坏，土颗粒间孔隙减小，裂缝不断压密，此时灰土的应力-应变近似弹性变形阶段；当荷载持续增加时，外荷载不足以破坏试样的初始结构，随着外荷载的增大，试样表面开始出现裂缝，灰土的无侧限抗压强度达到峰值；当达到峰值抗压强度后，试样表面的裂缝不断开展，当土体结构不足以抵抗外部荷载时试样突然破坏，裂缝贯穿试样内部，但在外荷载的约束下残余强度仍可抵抗部分荷载，故应力-应变曲线呈现残余变形阶段。

对比分析图9（a）~9（f）发现，试样经历1#温控曲线时灰土的峰值抗压强度相较于2#、3#温控曲线时降低6%~12%左右，而2#、3#温控曲线时的抗压强度相差6.5%左右，表明2#、3#温控曲线对试样的冻融效果相似，对试样的破坏程度较强，1#温控曲线对试样的破坏程度较弱。随着冻融循环次数的增加，经历不同温控曲线时试样破坏时的轴向应变有所不同，经历1#温控曲线时其轴向应变随循环次数的增加前移，该温控曲线模式下，所经历的冻融次数越多，试样达到峰值抗压强度时的轴向应变越小，延性越差；而2#、3#温控曲线时轴向应变后移，说明试样延性有所增加，经历2#、3#温控曲线时试样破坏的轴向应变大致相同。

图9 不同温控曲线时灰土的应力-应变关系曲线图Fig.9 The stress-strain relationship curve of lime-improved loess under different temperature control curves

2.1.3 弹性模量

弹性模量是与强度相关的工程参数之一，因此根据陈涛[21］对初始弹性模量的解释，将应力-应变曲线中初始变形阶段内呈现线性变化阶段的曲线为依据，获得土体的初始弹性模量，图10 给出了不同温控曲线时2∶8 灰土和3∶7 灰土初始弹性模量与冻融循环次数间的关系曲线。

从图10 中看出在不同温控曲线下灰土的初始弹性模量呈指数形式递减，随着冻融循环次数的增加初始弹性模量减小，说明经历冻融循环次数越多，试样内部风化的土颗粒越多，胶凝物质与土颗粒间呈网状分布，可压缩性反而增加，灰土的弹性模量减小。同时，图10 给出了对试验结果的拟合曲线及对应的参数，发现经历不同的温控曲线时，2∶8 灰土和3∶7 灰土在经历1#温控曲线时初始弹性模量较小，2#温控曲线和3#温控曲线的初始弹性模量较大。

图10 初始弹性模量与冻融循环次数间的关系曲线Fig.10 The relationship curve between the initial elastic modulus and the number of freeze-thaw cycles

2.2 SEM试验

为更好地分析上述试验结果的变化规律，对不同冻融循环次数和不同温控曲线的灰土试样进行扫描电镜试验，分析不同冻融循环次数时灰土微观结构的变化规律。由于本试验内容较多，而从宏观力学角度分析发现，3∶7灰土和2∶8灰土存在相似的变化规律，试样在冻融循环6 次时，强度最低，而后14 次冻融循环过程中强度逐渐提高，因此选取经历冻融循环6 次和20 次的3∶7 灰土试样进行微观分析。

图11 给出了不同温控曲线时3∶7 灰土的SEM图像。从图11可以看出，试样经历相同的温控曲线时，冻融循环6次时试样内部以大孔隙为主，颗粒形态较为完整，土颗粒棱角分明，且土颗粒间以点-点和点-面接触为主，熟石灰仅依附于土颗粒表面，未与土颗粒相互黏结。同时，由于水相变导致试样内部存在很多微小颗粒，散乱分布于土颗粒表面与孔隙中，土颗粒间以镶嵌排列为主，架空排列也存在微观结构中；随着冻融循环次数的增加，从SEM 图像发现试样内部逐渐密实，内部孔隙逐渐被细小颗粒填充，颗粒间的接触方式向面-面接触转变，试样能承受的强度提高，而冻融循环20次时试样的扫描电镜图像反映出反复冻融循环作用对灰土结构具有破坏作用，但整体结构相较于冻融循环6 次时试样的结构较密实，付翔宇等[22］对冻融循环后的富平黄土微观结构研究发现，在经历4 次冻融循环作用时，较大土颗粒分解，土颗粒间存在镶嵌排列和架空排列；超过10 次冻融循环时，大量微小颗粒填充孔隙间，镶嵌排列形式较多，这与本文微观分析结果相似。

图11 不同温控曲线时3∶7灰土的SEM图像（×500）Fig.11 SEM images of 3∶7 lime-improved loess under different temperature control curves（×500 times）

不同温控曲线时灰土的微观结构也存在差异性。1#温控曲线温度逐渐降低且更贴切实际工况，从微观图像发现1#曲线下试样内部孔隙较大且细小颗粒分布较少，土颗粒形态较完整，内部颗粒排列较松散，而2#、3#温控曲线的临界温度骤降，对土体的破坏程度较低，水分对于土颗粒的破坏效果明显，内部以小颗粒为主，大颗粒较少。因此，从微观结构发现1#温控曲线对于土体结构的损伤程度较弱。

2.3 基于PCAS 分析软件对SEM 图像孔隙特征进行识别

采用颗粒及裂隙识别与分析系统（PCAS）对扫描电镜图像进行二值化处理，二值化处理后的部分图像如图12 所示，其中白色代表孔隙，黑色代表土体。同时，提取相关微观特征参数（如分布分维、概率熵）对土体进行定量分析。PCAS 是通过进行种子运算和腐蚀运算，识别SEM 图像上的各种种子孔隙，最终获得真实孔隙[23］。从图12 可以看出，冻融循环次数为6 次时图像内部黑色部分较多，且土颗粒形态较为明显；而冻融循环次数为20 次时的图像内部白色部分较多，且相互连结，内部孔隙较多。

图12 不同温控曲线时3∶7灰土的二值化图像Fig.12 The binary images of 3∶7 lime-improved loess under different temperature control curves

图13给出了微观参数概率熵、分形维数和平均形状系数与冻融循环次数的关系曲线。概率熵是描述土体孔隙、颗粒分布有序性的参数，概率熵越接近于1，内部结构分布越无序；分形维数是描述土体内部颗粒和孔隙复杂性的参数，该值越大，其内部物质的分布越复杂、越密实；而平均形状系数是对内部孔隙形态定量描述的参数，值越大孔隙形态越圆滑。通过图13 发现，冻融前6 次时试样内部孔隙以圆滑分布为主且内部结构排列疏松，分析其变化规律主要由于水相变导致其结构疏松，内部结构遭到持续破坏。而冻融到20次时，内部结构趋于稳定，概率熵、分形维数和平均形状系数变化幅度较小，说明冻融循环次数的增加，对土体结构破坏的作用减弱，而细小颗粒在水分迁移和融沉作用下致使结构密实，颗粒间排列紧密且孔隙较少。

图13 不同温控曲线时灰土的微观定量参数变化Fig.13 Changes of microscopic quantitative parameters of lime-improved loess under different temperature control curves

相较于2#、3#温控曲线模式，1#温控曲线模式下试样的分形维数较小，平均系数较大，试样内部结构更为疏松，内部孔隙形态也较为圆滑，2#、3#这2 种温控曲线时灰土结构较密实，孔隙形态以狭长型为主，分布形态较复杂。

2.4 XRD试验

从图11 所示的SEM 图像可以发现试样内部存在很多细小颗粒依附于土颗粒表面，部分是由于冻融循环作用而剥落的细小土颗粒，部分是由于熟石灰和黄土内部物质间存在反应而生成胶凝物质。因此对试验后的样品粉末进行XRD试验，对内部矿物成分进行分析。图14 为冻融循环过程中不同掺量灰土的XRD图谱。

图14（a）和14（b）看出3∶7 灰土和2∶8 灰土中主要以SiO2和CaCO3为主，衍射峰主要集中于25°~30°之间。随着冻融循环次数的增加，灰土强度有所变化，相较于初始的灰土特征衍射峰，冻融循环6次后SiO2和CaCO3衍射峰出现不同程度的减弱，其余矿物成分也存在细小的弱化。而冻融循环20次后，灰土中含有的衍射峰增强[24］，比较冻融循环后灰土衍射峰的变化幅度，发现冻融6次时其衍射强度最低。

图14 冻融循环过程中灰土的XRD图谱Fig.14 XRD image of lime-improved loess during freeze-thaw cycle

对比冻融前后灰土的矿物成分变化，发现冻融前灰土内含有较多的SiO2和CaCO3，随着冻融循环作用对灰土内部矿物的影响，矿物成分逐渐减少，SiO2和CaCO3等对应的特征衍射峰减少，这是由于土颗粒表面的二氧化硅等活性矿物颗粒和熟石灰产生化学反应，消耗了部分的活性矿物成分（衍射角22°~30°，50°，70°左右），同时有一些新的特征衍射峰出现（衍射角30°，40°，50°左右），说明确有新的物质生成起到填充、胶结的作用。

3 结论

本文通过对3∶7 灰土和2∶8 灰土经历不同温控曲线时的无侧限抗压强度和微观规律进行试验，分析3 种温控曲线对试样性能的影响，得出以下几点结论：

（1）不同掺量灰土的应力-应变曲线以应变软化型为主，曲线可大致分为初始线弹性阶段，峰值前非线性阶段和后峰值残余阶段，且前6 次试样的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加逐渐降低，而继续进行冻融循环后其强度有所上升。同时，1#温控曲线对灰土强度的影响程度较弱，且温控曲线的温度变化更符合自然温度变化对于土体性能的影响。

（2）随冻融循环次数的增加，灰土内部颗粒的排列方式由点-点接触、点-面接触向面-面接触转变，冻融6 次时灰土内部相较于20 次时孔隙分布多且颗粒排列疏松。1#温控曲线的温度变化规律导致水对土体结构的影响作用较弱，对试样强度的影响程度较弱，试样微观定量参数的变化幅度比其余温控曲线较明显。

（3）随着冻融循环次数的增加，灰土的强度有所变化，相较于灰土的初始特征衍射峰，冻融循环6次后SiO2和CaCO3等衍射峰出现不同程度的减弱，其余矿物成分也存在细微的弱化，而冻融20 次后，灰土中含有的衍射峰有所增强。