卢连长，张 泽，冯文杰，杜 微，刘博怀1, ,周成林

(1.兰州大学土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000;2.中国科学院西北生态环境资源研究院/冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)



冻融循环作用下冻结黏土矿物物理力学性质研究

卢连长1,2,，张 泽2，冯文杰2，杜 微1,2,，刘博怀1,2,周成林2

(1.兰州大学土木工程与力学学院/西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000;2.中国科学院西北生态环境资源研究院/冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

冻土工程破坏主要的原因之一是冻融循环作用。通过对高岭土(主要黏土矿物为高岭石)、膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)在反复冻融作用下的物理性质试验及球模仪试验，研究高岭土及膨润土在冻融循环作用下的物理力学性质变化，并由此推定不同黏土矿物含量土在冻融循环作用下物理力学的变化规律。结果表明：(1)前10次冻融循环对高岭土及膨润土的物理力学性能影响很大，冻融10次后，随冻融次数的增加，高岭土的密度下降，孔隙比增加，膨润土的密度增加，孔隙比减小；(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土样的种类有关，也与土样的矿物成分有关；(3)高岭土的长期强度C24远高于膨润土，但是冻融过程中高岭土的力学性能变化较大，而膨润土相对比较稳定。

冻融循环；黏土矿物；物理力学性质；长期强度

冻融循环可以被理解为一种特殊的强风化作用，其对土的物理力学性质有着强烈的影响[1]。研究冻融作用对土的物理性质影响的成果较多,得到公认的结论也较多。一般来说, 冻融循环作用使粉粒级及以上的土颗粒向下一个粒级转变，而发生团聚作用的黏土颗粒则向上一个粒级转变，最终导致土颗粒向某个粒组富集[2]，土的界限含水率也会随之变化[3]；冻融对土具有扰动作用,密实土的孔隙比会增大[4],而松散土的孔隙比会减小[5]；细颗粒土经过冻融后渗透性会增大[6～7]。以上研究结果都认为土质的不同造成土体冻融后物理力学性质的差异。然而，土是一个由多种矿物组成的集合体，而黏土矿物对土的物理力学性质有着重大影响，其中最为典型的是高岭石和蒙脱石。由于晶体结构的不同[8]，即使有时黏粒的含量在土中不占优势，其对土的工程性质也表现出明显的控制作用。研究表明：随着蒙脱石含量的减小，高岭石含量的增加，土体液限持续减小，塑限先减小后增大[9]。也有研究发现，对富含黏土矿物的黏性土，蒙脱石干重比例高于25 %时，对黏性土抗剪强度具有绝对控制作用[10]。另外，土中的蒙脱石与高岭石含量存在一个比例界线，在比例界线的两边土的抗剪强度呈现不同的变化规律[11]。但已有成果中涉及冻融循环作用下黏土矿物影响的研究还比较少。

本文以高岭土和膨润土为研究对象，利用球模仪对其经历不同冻融次数后的力学性能进行测试，并对冻融循环后的物理指标进行测定，以期得到高岭土和膨润土经过冻融循环后的物理力学性能的变化规律，并由此推定不同黏土矿物对于冻土物理力学性能的影响。

1 试验概述

1.1 试验方案与样品制备

以高岭土(主要黏土矿物为高岭石)和膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)为研究对象，用于重塑的高岭土和膨润土均为分析纯，粒径均小于3 μm。两种土样的矿物成分及基本物理指标见表1、2。

表1 高岭土、膨润土矿物成分

表2 高岭土、膨润土土样的物理性质指标

制备样品时，利用制样机将重塑高岭土、膨润土制成均一样品，环刀及样品高为20 mm，地面内径为61.8 mm。制样过程中，为了避免水分在冻融过程中的损失，将饱和后的环刀土样装入保鲜膜中，并用胶带密封。利用冻融循环试验箱对样品进行冻融循环试验，并将冻融过程中冻结与融化的温度分别设定为-20 ℃与+20 ℃。冻融采取多向冻融的方式，在试验前对单个环刀样进行冻结和融化试验，并确定样品的冻结与融化时间为2 h。考虑到冻融循环对土样物理力学性能的影响多集中在前10次，冻融10次后，冻融对土体物理力学性质的影响已经逐渐平缓，向稳定状态发展。因此，设定冻融循环次数为4，6，8，10，50次，按照冻融次数将样品分为5组，单组有3个平行样品。冻融试验过程中，对达到冻融循环次数的样品进行测试，剩余样品继续进行冻融循环试验。

1.2 试验数据测定

(1)密度及液塑限测定

将达到冻融循环次数的试样从试验箱中取出，切取体积不小于30 cm3的代表性试样，按照《土工试验标准》(GB/T 50123—1999)的要求，采用蜡封法和液、塑限联合测定法测定该试样的密度和液塑限。

(2)球形模板压入试验

冻土黏聚力长期强度(Ct)是冻土体在长期荷载作用下，随着加荷时间的持续，材料强度逐渐降低的特性。冻土具有强烈的流变性，冻土的长期强度直接影响冻土工程的稳定性，是冻土工程的设计依据[12]。

冻土抗剪强度与融土一样也是由黏聚力和内摩擦角两部分组成，并在一定条件下符合库伦定律：

τ=C(θ,W,t)+σtgφ(θ,W,t)

(1)

式中：C(θ,W,t)——冻土黏聚力/MPa;σ——应力/MPa;φ(θ,W,t)——冻土内摩擦角/(°)。

C和φ随土温、含水量及作用历时的变化而变化，这是冻土强度特征区别于融土最为明显的标志之一。冻结黏性土，特别是高温冻结黏性土，可以视为理想黏塑性土，其内摩擦角φ(θ,W,t)趋于0，这时式(1)可简化为：

τ=C(θ,W,t)

(2)

即冻土的抗剪强度实际上等于黏聚力。从塑性理论精确解答中推导出黏聚力值[14]：

(3)

式中：Ct——单位面积随时间变化的黏聚力/MPa；P——作用在球形压板上的竖向荷载/N；K——比例系数，塑性材料等于0.18；d——球形压板直径/mm；St——球形压板随时间压入深度/mm。

根据球形模板沉入土中的深度St计算出冻土的平均阻力，也就是黏聚力Ct值，因为存在内摩擦力的影响，可视为等效黏聚力Cequ。在长期荷载作用下，冻结土体的长期强度可以根据长期强度曲线的现时坐标确定。该试验方法简单易用，且在试验周期和试验效果方面均有很大的优势[14]。根据以往的经验，将一组球模仪放入控温箱内。

箱体环境温度控制在-20 ℃，将冻结样品放入球模仪中，使球模仪圆形压头表面与土样刚好接触，扭紧球模仪固定栓，并在竖向加荷15 kg，位移计指针尖头置于砝码平面上一点，位移计保持竖直，不能倾斜。记录位移计初始数据，松开球模仪固定栓，进行黏聚力长期强度测试，测试时间设定为24 h。球模仪试验过程为点接触施加荷载，由于土体不均匀可能造成试验结果的离散性较大，因此，在每个冻结高岭土、膨润土样品上至少进行6次试验。

2 试验结果分析

2.1 冻融过程中物理性质的变化分析

对冻融循环后高岭土及膨润土试样进行物理性质测试，结果见图3～5。两种黏土矿物随着冻融次数的增加呈现不同的变化趋势。

随着冻融次数的增加，高岭土与膨润土的液限变化较为剧烈，而塑限基本不受冻融循环的影响。高岭土液限在冻融6次时达到最低值，并在6～10次的冻融循环过程中呈直线上升，冻融10次后平稳地下降。膨润土的液限变化在6次时达到一个低值，并在冻融8次左右有一个较大的起伏，冻融10次后，液塑限基本保持不变(图1)。分析其原因，主要是冻融循环对土样团聚体的分裂与再次团聚作用造成的[2]，冻融循环作用可以使高岭石打破解理面而形成细小晶片，且几个细小的晶片结合在一起形成较为粗大的黏粒。在冻融10次后，冻融循环作用对于高岭土液限的影响以团聚为主，团聚减小了高岭石单矿物个体的含量，因此液限下降。而膨润土的团聚颗粒的分裂和团聚相对平衡，在冻融循环作用下，液限基本保持不变。

图1 高岭土、膨润土界限含水率随冻融次数变化曲线Fig.1 Changes in WL ,WP and IP of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

高岭土的密度在冻融第4次到第6次过程中变化较为剧烈，在整个冻融过程中，高岭土密度持续减小，并从第6次冻融后，密度的变化逐渐平缓(图2)。说明冻融6次后，土样的结构基本稳定，颗粒的排列与土的结构趋于新的平衡状态，并在以后的冻融过程中逐渐更加稳定。膨润土的密度变化与高岭土有巨大的不同, 这主要受到膨润土遇水膨胀，失水收缩的性质影响。膨润土在前10次的冻融过程中变化较为剧烈，并在冻融第6次时的密度最低；冻融8次以内，膨润土的密度波动最大，冻融8次后，密度的变化趋于稳定；并在冻融10次后，密度保持持续的增长，但变化量明显减小，表明在冻融10次后，膨润土已经达到了新的平衡状态，并在此状态下有细小的波动。

图2 高岭土、膨润土密度随冻融次数变化曲线Fig.2 Changes in density and dry density of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

高岭土与膨润土的孔隙比变化(图3)与干密度变化对应，呈现明显的“共轭”关系[3]。Viklander[6]基于冻融作用试验提出了残余孔隙比的概念，即松散土和密实土经过若干冻融循环次数后，松散土的孔隙比降低，密度增加，而密实土的孔隙比增加，密度减小，并且其孔隙比及密度都趋向一个稳定值，人们将其归结为土体种类的原因造成的[15]。

图3 高岭土、膨润土孔隙比随冻融次数变化曲线Fig.3 Changes in void ratio of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

因此，不同黏土矿物含量的土在冻融循环过程中，物理性质表现出不同的变化状态。如果高岭石含量占主导地位，则在冻融的过程中，土样的干密度减小，孔隙比增大；如果蒙脱石对于土的性质其主导作用，则在冻融的过程中，土样会有干密度增大、孔隙比减小的变化。同时也得出结论，残余孔隙比不仅与土样的种类有关，土样的矿物成分更是残余孔隙比的决定因素。

2.2 冻融过程中黏聚力长期强度的变化分析

对每个冻结高岭土、膨润土样品至少进行6次试验，取中间拟合度高的数据作为土样的平均水平进行数据分析(图4)。由图可以看出，土样在荷载作用下，黏聚力随时间呈下降趋势，并在试验开始段的下降速度较快，在10 min左右土样产生破坏，破坏后土样的强度相对平稳下降。在冻融循环的过程中，高岭土的长期强度(图5)以冻融第10次的强度最高，冻融循环50次的强度最低。膨润土的长期强度(图5)以冻融第4次的强度最高，冻融50次的强度最低。比较两者的曲线图形态分布可以发现：(1)高岭土的等效黏聚力明显高于膨润土；(2)高岭土随冻融次数的变化，其长期强度的变化波动较大，而膨润土的变化较小。高岭土与膨润土等效黏聚力的差异主要是由高岭土与膨润土不同的晶体结构造成的：高岭土存在联结较强的氢键，而膨润土的晶格间距较大，联结比较弱；膨润土等效黏聚力变化较小主要是膨润土的密度随冻融次数的增加而增加，这有效地抑制了冻融循环对膨润土强度的弱化作用[16]。

图4 高岭土与膨润土等效黏聚力随冻融次数变化图Fig.4 Changes in the equivalent cohesion strength of frozen kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles

图5 高岭土和膨润土长期强度随冻融变化曲线(24 h)Fig.5 Changes in the long term strength of kaolin and bentonite with the freezing- thawing cycles(24 hours)

3 结论

(1)高岭土与膨润土在冻融过程中，前10次的物理性质变化较为剧烈，并在10次冻融后，土颗粒排列基本达到新的动态平衡。随着冻融次数的增加，高岭土密度减小，孔隙比增大。膨润土因其特有的失水收缩性质，在冻融过程中，其物理性质受到的影响较小，并在冻融10次后，其变化规律与高岭土呈相反状态。

(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土的种类有关，其本质是更与土中所含的矿物成分有关。

(3)高岭土的等效黏聚力高于膨润土，但膨润土冻融条件下的稳定性高于高岭土。在普通土体中如果膨润土的含量对土体影响起主导作用，则土体在冻融作用下的稳定性相对较好，但其强度不会太高。而高岭土则会提高土体的强度，但在冻融作用下物理力学性能变化较大。

[ 1] Roman L T, Zhang Z. Effect of cycles of freezing and thawing on the physical and mechanical properties of moraine loam[J]. Foundation and soil mechanics, 2010, 47(3):96-101.

[ 2] 张泽,马巍,齐吉琳. 冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理[J]. 吉林大学学报(地球科学版),2013,43(6):1904-1914.[ZHANG Z, MA W, QI J L. Structure evolution and mechanism of engineering properties change of soils under effect of freeze thaw cycle[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition)，2013，43(6) : 1904-1914.(in Chinese)]

[ 3] 周泓,张泽,秦琦,等. 冻融循环作用下黄土基本物理性质变异性研究[J]. 冰川冻土,2015,37(1):162-168. [ZHOU H, ZHANG Z, QIN Q,etal. Research on variability of basic physical properties of loess under freezing- thawing cycles [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2015, 37(1):162-168.(in Chinese)]

[ 4] 师华强,倪万魁,刘魁,等. 冻融循环作用对黄土压缩性的影响[J]. 水文地质工程地质,2012,39(3):45-48.[SHI H Q, NI W K, LIU K,etal. The influence of the freeze- thaw cycle effect on the compressibility of loess[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2012, 39(3):45-48. (in Chinese)]

[ 5] 齐吉琳,程国栋, Vermeer P A. 冻融作用对土工程性质影响的研究现状[J]. 地球科学进展,2005, 20(8):887-894.[QI J L, CHENG G D, Vermeer P A. State of the art of influence of freeze thaw on engineering properties of soil[J]. Advances in Earth Science, 2005, 20(8):887-894. (in Chinese)]

[ 6] Viklander P. Permeability and volume changes in till due to cyclic freeze/thaw[J]. Canadian Geotechnical Journal,1998,35(3):471-477.

[ 7] 肖东辉,冯文杰,张泽,等. 冻融循环作用下黄土渗透性与其结构特征关系研究[J]. 水文地质工程地质, 2015,42(4):43-49.[XIAO D H, FENG W J, ZHANG Z,etal. Research on the relationship between permeability and construction feature of loess under the freeze- thaw cycles[J]. Hydrogeology & Engineering Geology,2015,42(4):43-49.(in Chinese)]

[ 8] 韩志勇,郑西来,陈继红. 不同粘土矿物水敏性特征[J]. 水文地质工程地质, 2008, 35(1):80-82.[HAN Z Y, ZHENG X L, CHEN J H. Water sensitivity characters of different clay minerals[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2008, 35(1):80-82. (in Chinese)]

[ 9] 李哲. 粘土强度“基体—加强颗粒”模型试验分析[D]. 广州:华南理工大学, 2010. [LI Z. “Matrix- reinforcement” model test analysis on strength of cohesive soil [D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010. (in Chinese)]

[10] 何蕾. 矿物成分与水化学成分对黏性土抗剪强度的控制规律及其应用[D]. 北京：中国地质大学,2014. [HE L. Impact of mineralogical composition and water chemistry on the shear strength of clay and its application[D].Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2014. (in Chinese)]

[11] 夏红春. 矿物成分对土力学特性影响的试验研究[J]. 中国煤炭,2015(4):56-61.[XIA H C. Experimental research on the effects of mineral composition on soil mechanical characteristics[J]. China Coal, 2015(4): 56-61. (in Chinese)]

[12] ZHANG Z, ROMAN LT, MA W,etal. The freeze- thaw cycles- time analogy method for forecasting long- term frozen soil strength[J]. Measurement, 2016, 92:483-488.

[13] 张泽,马巍,张中琼,等. 球形模板压入仪在冻土长期强度测试中的应用[J].岩土力学,2012,33 (11):3516- 3520.[ZHANG Z, MA W, ZHANG Z Q,etal. Application of spherical template indenter to long- term strength tests for frozen soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(11): 3 516-3 520. (in Chinese)]

[14] 周泓,张豫川,张泽,等. 冻融作用下冻结黄土黏聚力长期强度变化规律[J].岩土力学,2014(8):2 241-2 246. [ZHOU H, ZAHNG Y C, ZHANG Z,etal. Changing rule of long- term strength of frozen loess cohesion under impact of freeze- thaw cycle[J]. Rock and Soil Mechanics,2014(8):2 241-2 246. (in Chinese)]

[15] 杨成松,何平,程国栋,等. 冻融作用对土体干容重和含水量影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(增刊2):2 695-2 699. [YANG C S, HE P, CHENG G D,etal. Testing study on influence of freezing and thawing on dry density and water content of soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22 (Sup2):2 695-2 699. (in Chinese)]

[16] 许雷,鲁洋,宗佳敏,等. 冻融循环下南阳膨胀土直剪试验[J]. 南水北调与水利科技, 2015(5):922-925. [XU L, LU Y, ZHONG J M,etal. Direct shear test on expansive clay in Nanyang under freeze thaw cycles [J]. South- to- North Water Transfers and Water Science & Technology, 2015(5):922-925. (in Chinese)]

责任编辑：汪美华

Research on variability of freezing- thawing cycle on basic physical and mechanics properties of clay minerals

LU Lianchang1,2, ZHANG Ze2, FENG Wenjie2, DU Wei1,2, LIU Bohuai1,2, ZHOU Chenglin2

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics/KeyLaboratoryofMechanicsonDisasterandEnvironmentinWesternChinaofMinistryofEducation，LanzhouUniversity，Lanzhou，Gansu730000，China； 2.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering/GoldandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute，CAS，Lanzhou，Gansu730000，China)

The effect of freezing- thawing cycle is one of the main causes for destruction of frozen soil engineering. Under the effect of freezing- thawing cycles, tremendous changes will occur in the engineering properties of soil, which resulting in the deformation and failure of engineering in cold regions. By testing the physical properties and conducting spherical template indenter tests of kaolin (with the main clay minerals of kaolinite) and bentonite (with the main clay minerals of smectite). After repeated freezing and thawing tests, the changes in physical- mechanical properties of kaolin and bentonite under the effect of freezing- thawing cycle are examined, and the change rule of the physical- mechanics properties of the soil with different clay minerals under the effect of freezing- thawing cycle can be speculated. The results show that (1) the first 10 times of the freezing- thawing cycle have important effect on the physical and mechanical properties of kaolin and bentonite. After 10 times of freezing and thawing, with the increasing number of freezing and thawing time, the density of kaolin decreases and the pore ratio increases, and the density of bentonite increases and the pore ratio decrease; (2) changes in soil physical properties are not only related to the types of the soil samples, but also the essential effect of the mineral compositions of the soil; (3) kaolin’s long- term strength (C24) is much higher than that of the bentonite (C24). However, in the process of freezing and thawing, the change in the kaolin’s mechanic performance is larger, and the bentonite’s mechanic performance is relatively stable.

freeze- thaw cycle; clay mineral; physico- mechanical properties; long- term strength

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.18

2016- 07- 11;

2016- 09- 09

国家自然科学基金项目(41301070)；中科院西部之光博士项目；甘肃省交通运输厅科技项目(2014-03)；教育部留学回国人员科研启动基金项目(第46批)

卢连长(1990- )，男，硕士研究生，主要从事冻土土质学、寒区工程地质与环境研究。E- mail：1057696906@qq.com

张泽(1981- )，男，博士，助理研究员，主要从事寒区工程地质、冻土工程与环境研究。E- mail: zhangze@lzb.ac.cn

TU411.3

A

1000- 3665(2017)04- 0118- 06