陈四利， 赵百超， 侯 芮

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

水泥土是通过特制的机械搅拌，就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土[1-2].目前，水泥土作为一种性能较好且比较廉价的新型建筑材料已经广泛应用于铁路、公路、飞机跑道等路基加固工程中.

国内外学者对水泥土的力学性能展开了广泛研究，曹智国和申向东等[3-4]探讨了水泥掺量、养护龄期、孔隙率等因素对水泥土无侧限抗压强度的影响；陈四利和宁宝宽等[5-7]研究了复杂环境下侵蚀性离子对水泥土力学性能的影响；童小东等[8]进行了水泥土弹塑性损伤试验研究，探讨了水泥土的损伤机制.

应用于北方地区或季节性冻土地区路基工程中的水泥土经受反复冻融作用，必将引起路基中水泥土的疲劳破坏，导致水泥土强度降低，内部结构劣化，甚至影响整个水泥土工程的安全性和耐久性.因此，众多学者展开了关于冻融循环后水泥土力学特性研究并取得了诸多有益成果.陈四利等[9]展开了冻融次数对冻融后水泥土的抗压强度、抗剪强度、渗透系数等影响规律；周丽萍等[10]研究了浮石粉、硅粉对水泥土抗冻性的影响规律.

对于公路、高速公路、铁路等水泥土路基，长期受到不同车辆的交通荷载作用，将会导致水泥土的疲劳破坏.张敏霞等[11-12]探讨了频率和应力幅值对水泥土疲劳寿命的影响；江国龙等[13]通过正交试验得出加载次数和幅值应力对水泥土抗压强度的影响较大，而频率对水泥土抗压强度的影响较小的结论；鹿群等[14]发现纤维水泥土应力水平与疲劳寿命之间呈现单对数关系.目前，对于冻融循环和疲劳荷载双重作用的水泥土耐久性研究还相对较少，本文对冻融循环作用下水泥土的力学性能及冻融后水泥土的疲劳特性展开研究，探讨水泥掺量、冻融循环次数、冷却温度对水泥土抗压强度的影响，以及冻融次数、水泥掺量对冻融后水泥土疲劳寿命的影响规律，具有重要的理论意义和工程应用价值.

1 试验概况

1.1 试验原材料

试验采用强度等级为42.5的硅酸盐水泥，试验土样为粉质黏土，试验用土的主要物理力学指标：含水量为16.6%，天然重度为19.7 kN/m3，液限为22.5%，塑限为18.3%，塑性指数为4.2，液性指数为-0.4，将试验用土风干碾碎并过5 mm筛，试验用水为自来水.

1.2 试验方法

根据《水泥土配合比设计规程》(JGJT 233-2011)制备边长为70.7 cm的立方体试件，试验设定水泥掺量为8%、12%、16%、20%，水灰比取1.0，如图1所示.为保证在冻融过程中水泥土强度稳定，试件在24 h脱模后，放在清水环境中养护240 d待用.水泥土试件疲劳加载如图2所示.试验主要仪器设备有MTS Landmrk370.25疲劳试验机(见图3)、微机控制电液伺服压力机及工业恒温冷冻箱.操作界面如图4所示.

根据我国寒冷地区早晚温度变化，本试验设定冷冻温度分别为-20、-15、-10、-5 ℃，采用12 h一次性气冻，12 h水中融化(15～20 ℃)，24 h为一个冻融循环.冻融前水泥土试件在清水环境下浸泡4 d，表面水沥干后，将处于饱水状态下的水泥土试件分别进行0、2、4、6次冻融循环，再进行水泥土无侧限抗压试验.

图1 冻融后水泥土试件Fig.1 Cemented soil specimens after freeze-thaw cycles

图2 水泥土试件疲劳加载Fig.2 Fatigue loading of cemented soil specimen

图3 MTS疲劳试验机Fig.3 MTS fatigue machine

图4 操作界面Fig.4 Operation interface

水泥土疲劳试验加载模型为非对称正弦型加载，应力幅值呈阶梯型递增，初始应力幅值为-10 kN，最小应力为-1 kN，每一应力水平持续200周后，应力幅值再增加1 kN，水泥掺量为8%、12%、16%的水泥土试件经受冻融循环作用后分别以2、5、8 Hz的加载频率进行疲劳试验[15].

2 试验结果及分析

2.1 冻融条件下水泥掺量对水泥土强度的影响

水泥掺量对冻融条件下水泥土强度的影响如图5所示.

图5 水泥掺量对水泥土抗压强度的影响Fig.5 Effect of cement content on compressive strength of cemented soil

由图5可见，随着水泥掺量的增加，经受不同冻融次数的水泥土抗压强度显著提高.未冻融的水泥土试件，水泥掺量为20%的水泥土试件强度分别是水泥掺量为8%、12%、16%试件强度的2.96、1.84、1.459倍，水泥土试件在养护240 d后，强度达到稳定，水泥水解，水化反应充分，水泥掺量越大，生成的水泥凝胶越多，水泥土内部结构更加紧密，抗压强度提高显著.冻融2次、4次时，水泥掺量为20%的水泥土试件强度分别是水泥掺量为8%、12%、16%试件强度的6.26、2.21、1.50、8.85、2.262、1.63倍.冻融6次时，水泥掺量为8%的试件已经破坏，水泥掺量为20%的水泥土试件强度分别是水泥掺量为12%、16%试件强度的3.27、2.25倍.水泥掺量对经受不同次数冻融循环的水泥土强度影响较大，相同冻融次数下，水泥掺量越大，强度损失率越小.水泥掺量为8%的水泥土试件已经破坏，20%水泥掺量的试件强度仍可达到9.09 MPa，由此可见，水泥掺量的增加可有效提高水泥土的抗冻性.分析其原因，水泥掺量较小时，水泥水化产物少，水泥土内部结构颗粒间粘结力较小，冻融次数较多时，水泥土内部冻胀力较大，当粘结力小于冻胀力时，水泥土强度明显下降，外观表皮脱落，结构松散，最终导致水泥土结构破坏，失去承载能力.

2.2 冻融循环次数对水泥土强度的影响

在冷冻温度为-15 ℃条件下，冻融次数对水泥土抗压强度的影响如图6所示.

图6 冻融次数对水泥土抗压强度的影响Fig.6 Effect of freeze-thaw times on compressive strength of cemented soil

由图6可见，随着冻融次数增多，水泥土抗压强度逐渐减小，且强度下降明显.水泥掺量为8%时，冻融2次、4次时，强度分别是未冻融时的39.5%、24.2%，冻融6次时试件已经破坏.水泥掺量为12%时，冻融2、4、6次较未冻融时，强度分别下降30.3%、41.3%、66.23%.水泥掺量为16%时，强度分别下降18.87%、35.07%、45.78%.水泥掺量为20%时，强度分别下降16.42%、28.57%、39.9%.不同水泥掺量的水泥土强度损失率如图7所示.

图7 不同水泥掺量的水泥土强度损失率Fig.7 Strength loss rate of cemented soil with different cement contents

由图7可见，随着冻融次数增加，水泥土强度损失率不断增大.产生该现象原因，水泥土试件在未冻融前处于饱水状态，冷冻时孔隙中的水结成冰，体积膨胀约为9%，对孔壁产生拉应力，当水泥土内部的胶结力小于拉应力时，内部结构开始产生微裂纹，并且当冰融化后，微小裂纹不能完全复原，对水泥土结构产生不可逆损伤，水泥土的冻融损伤是一个不断累积的过程，冻融次数增加导致微裂纹不断扩展，最终导致水泥土结构破坏.水泥土强度降低率为

(1)

式中：Kf为水泥土强度降低率；σn为经过n次冻融后水泥土的抗压强度；σ0为未冻融的水泥土抗压强度.

2.3 温度对水泥土强度的影响

将水泥掺量为8%的水泥土试件在不同冷冻温度下进行冻融循环试验，冻融次数相同时，温度对水泥土抗压强度的影响如图8所示.

图8 冷冻温度对水泥掺量为8%水泥土抗压强度的影响

由图8可见，冷冻温度越低，水泥土冻融后的抗压强度越小.冻融2次时，温度为-20、-15、-10 ℃较温度为-5 ℃强度分别降低46.18%、35.85%、27.55%；冻融4次时，温度为-20、-15、-10 ℃较温度为-5 ℃强度分别降低56.70%、47.04%、35.09%；冻融6次时，冷冻温度为-20 ℃、-15 ℃已经破坏，-10 ℃较-5 ℃强度降低18.42%.这是因为水泥土受冻温度越低，与孔隙中水的温差越大，水放热越快，水结冰越快，孔隙中冰的体积不断扩大，对孔壁产生拉应力，加速水泥土的冻融破坏.

2.4 冻融次数对水泥土疲劳寿命的影响

水泥掺量为12%冻融次数对水泥土疲劳寿命的影响如图9所示.水泥掺量为12%的水泥土试件在冷冻温度为-15 ℃的条件下，冻融循环4次强度损失已达41.3%，故对冻融2次、4次及未冻融的水泥掺量为12%的水泥土试件进行疲劳试验.

由图9可见，随着冻融次数的增加，水泥土疲劳寿命下降显著，加载频率2 Hz时，冻融2次、4次较未冻融时疲劳寿命下降34.55%、58.38%；加载频率5 Hz时，冻融2次、4次较未冻融时疲劳寿命下降45.75%、74.62%；加载频率8 Hz时，冻融2次、4次较未冻融时疲劳寿命下降33.30%、72%.分析该现象原因，水泥掺量为12%，经过2次、4次冻融，抗压强度损失已达30.37%、41.03%，内部结构松散，在循环荷载作用下，结构损伤不断积累，疲劳寿命降低.

图9 冻融次数对水泥掺量为12%水泥土疲劳寿命的影响Fig.9 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 12%

水泥掺量为16%的水泥土试件分别进行了2、4、6次及未冻融时的疲劳试验，水泥土疲劳寿命随冻融次数的变化关系如图10所示.

图10 冻融次数对水泥掺量为16%水泥土疲劳寿命的影响Fig.10 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 16%

冻融2次时，加载频率为2、5、8 Hz较未冻融时疲劳寿命分别降低44.04%、45.70%、13.17%；冻融4次时，加载频率为2、5、8 Hz较未冻融时疲劳寿命分别降低59.09%、46.16%、31.42%；冻融6次时，加载频率为2、5、8 Hz较未冻融时疲劳寿命分别降低58.75%、54.15%、37.35%.分析该现象原因，根据损伤累积定律，冻融损伤、疲劳损伤均是不断累积的过程，冻融次数增加，对试件产生的损伤破坏不断累积，使强度降低，抗疲劳能力减小.

2.5 水泥掺量对水泥土疲劳寿命的影响

不同冻融次数下水泥掺量对水泥土疲劳寿命的影响如图11～12所示.

图11 频率为2 Hz水泥掺量对水泥土疲劳寿命影响Fig.11 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 2 Hz

图12 频率为5 Hz水泥掺量对水泥土疲劳寿命影响Fig.12 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 5 Hz

加载频率为2 Hz，未冻融时，水泥掺量为12%、16%是水泥掺量为8%的2.94、5.38倍；冻融2次时，水泥掺量为12%、16%是水泥掺量为8%的8.60、17.64倍.加载频率为5 Hz，未冻融时，水泥掺量为12%、16%是水泥掺量为8%的1.80、3.83倍；冻融2次时，水泥掺量为12%、16%是水泥掺量为8%的1.74、4.35倍.由此可见，随着水泥掺量增加，水泥土疲劳寿命增大.分析其原因，水泥掺量越大，水泥水化反应产物越多，内部结构越密实，在冻融和未冻融条件下，均可提高水泥土的强度，减少水泥土试件在低应力疲劳荷载作用下裂纹的形成，提高水泥土的疲劳寿命.因此，水泥掺量增加可有效提高水泥土的抗疲劳能力.

2.6 试验结果多元线性回归分析

应用SPSS软件拟合水泥土抗压强度、频率为5 Hz时疲劳寿命随水泥掺量、冻融次数的回归方程.模型1、2相关参数如表1所示.

表1 模型概述Tab.1 Model overview

由表1可知，相关系数R1=0.986、R2=0.920，说明与真实数据的拟合度分别为98.6%、92%，Durbin-Watson指数为1.781、1.329说明各误差项是独立分布的.方差分析中的显著水平等于0、0.004，小于0.05，说明自变量水泥掺量x1、冻融次数x2对因变量抗压强度σ1、疲劳寿命N2产生显著影响.得到多元线性回归方程为

σ1=0.812x1-0.966x2-1.823

(2)

N2=0.901x1-0.084x2+2.418

(3)

3 结 论

本文对冻融条件下水泥土抗压强度、疲劳特性进行研究，得到冻融次数、水泥掺量、冷冻温度对抗压强度、疲劳寿命的影响规律，得到如下结论：

1) 冻融条件下水泥土抗压强度和疲劳寿命随水泥掺量的增加而增大，水泥掺量较小(8%)时，经过6次冻融循环，试件已达到破坏，水泥掺量的增加可有效提高水泥土的抗冻性、抗疲劳能力；

2) 冻融循环对水泥土的力学性能产生不同程度影响，抗压强度、疲劳寿命均随冻融次数增加而降低，在冷冻温度-15 ℃，水泥掺量为12%冻融循环4次时，抗压强度降低率达到41.3%，疲劳寿命降低率达到58.38%，因此，在冻土地区应用的工程设计及施工应考虑冻融循环影响；

3) 冷冻温度越低，水泥土冻融破坏越严重，水泥土抗压强度随冷冻温度的降低而减小；

4) 建立水泥土抗压强度、疲劳寿命关于水泥掺量、冻融次数回归方程.