杨善统，贺敏杰，叶 丹，董晓朋，曾培勇

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

水泥土是指土、水泥和水混合搅拌、经一系列物理化学反应后形成的具有一定强度的复合材料[1]。近年来，水泥土作为一种新型的建筑材料，在国内已被广泛地应用于大坝修筑、河道堤岸加固[2]以及软土地基处理[3]等工程项目中，并取得了良好的经济效益和环境效益。与此同时，众多学者开展了关于水泥土力学特性等的研究。陈四利等[4]研究了氯化钠腐蚀及干湿循环条件下水泥土的力学特性，发现双重侵蚀作用下对水泥土抗压强度的影响很大；宁宝宽等[5]对各种侵蚀环境中侵蚀一定时间的水泥土进行了细观破裂过程试验，试验表明不同侵蚀环境下水泥土细观破裂过程各不相同，但最终表现为弹塑性破坏和脆性破坏；侯永峰等[6]开展了循环荷载作用下水泥土的变形特性试验，研究表明随着循环应力比不断增加，土体产生的轴向应变相应增加，并且当循环应力比较大时，复合土体在较少的荷载下就发生破坏；牛丽坤等[7]进行了不同服役环境下水泥土的性能对比试验研究，得到标准养护和0.1 mol/L Na2SO4溶液养护2种服役环境下水泥土含水率、水泥掺入比、外掺料种类、养护龄期等参数对强度的影响规律曲线；此外，还有学者侧重于外加剂对水泥土强度增强的研究[8-9]。

在季节性冻土区的工程建设中，水泥土材料往往因受冻融剥蚀破坏而推广受到影响。因此，评价反复冻融对水泥土物理力学参数的影响，进而保证工程的使用寿命，是水泥土材料在季节性冻土区进一步研究和应用的关键所在[10-11]。郑郧[12]等研究了冻融循环对不同土的结构性的影响，结果表明，冻融过程中，土的三相比例与分布不断变化，导致土的结构性随冻融循环发生变化；周泓等[13]对不同冻融循环次数后黄土的物理性质指标进行研究，结果表明，在冻融过程中，土样的密度和孔隙比的变化量呈现“共轭”变化，水理性质指标的变化量随冻融次数的增加而变小，土样内部新结构产生，并趋于稳定。综合前人研究，针对水泥土的冻融循环试验研究较少，而对冻融循环对水泥土的力学与声学性能研究更是鲜见。

为此，本文对不同冻融次数条件下的水泥土进行无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度试验，同时采用工程中常用的超声波检测方法对水泥土试样进行超声波检测试验，并建立了冻融循环条件下水泥土强度与波速之间的关系。该研究可为水泥土材料在季节性冻土区工程的设计、施工与检测提供一定基础性参考。

2 试样制备与试验方案

2.1 试样制备

试验用土为粉质黏土，取自武汉某工地基坑内，土样经风干粉碎，并过2 mm筛。其基本物理性质和颗粒级配曲线分别如表1和图1所示。水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

表1 土样的基本物理性质

在制备水泥土试样前，先将干土按最优含水率配制成湿土并密封静置一昼夜，使水分保持均匀。水泥用量按干土质量的15%掺入，制样时，向湿土中拌入水泥，并充分搅拌均匀。参照JGJ/T 233-2011《水泥土配合比设计规程》，无侧限抗压强度试验试样尺寸为150 mm×150 m×150 mm正方体，劈裂抗拉强度试验试样尺寸为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱试样。制样时分3层击实，脱模后将试样密封并置于养护室内，养护湿度95%，养护温度20±2 ℃，龄期28天。

2.2 试验方案

待水泥土试样到达拟定龄期后，开始进行冻融循环试验。试样的冷却在低温试验箱中进行，冷却温度为-15 ℃，时间12 h；融化时，置于恒温水浴箱20 ℃的环境中，时间12 h。此过程为一个冻融循环周期，试验设计的循环周期次数为0、10、30、60、90、120次。每个循环周期结束后，采用超声波检测仪对试样进行波速测定，并立即进行无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉试验。试验仪器为万能试验机，试验以应变控制加载，速率为1 mm/min。试样共划分成6组，每组正方体试样3个，圆柱体试样3个，分别对应每组冻融循环次数。

3 试验结果与分析

3.1 冻融循环对无侧限抗压强度影响

不同冻融循环条件下水泥粉质黏土的无侧限抗压强度结果如图2所示，从图2试验结果可以看出，随着冻融循环次数的增加，水泥粉质黏土的无侧限抗压强度呈逐渐降低的趋势。未受冻融循环作用影响（0次冻融）的水泥粉质黏土的平均强度为2.84 MPa，10次冻融循环后水泥粉质黏土的平均强度下降至2.48 MPa，降速为0.036 MPa/次，损失率为12.68%；120次冻融循环后的水泥粉质黏土的平均强度下降至1.9 MPa，降速为0.007 8 MPa/次，总损失率为33.1%。

由此可见，无侧限抗压强度在近10次冻融循环中衰减较快，后期冻融循环中衰减较慢。这也可由图3所示的水泥粉质黏土试样的破坏形态可以看出，未经历冻融循环的试样在破坏时出现许多微裂纹，而10次冻融循环后的试样表面出现了2条明显的宽裂缝，试样脆性破坏特征较为明显。

3.2 冻融循环对劈裂抗拉强度的影响

劈裂抗拉强度试验采用间接的径向劈裂法，试验示意图如图4所示，计算公式为：

式（1）中，P为试验破坏时的最大荷载，N；D为试样的直径，mm；h为试样的高度，mm。

冻融循环作用下水泥粉质黏土的劈裂抗拉强度试验结果如图5所示，由图5可知，随着冻融循环次数的依次增加，劈裂抗拉强度逐步降低，其下降趋势满足二次函数关系，对其数据进行拟合，结果如公式（2）所示：

式（2）中，σt为劈裂抗拉强度，MPa；n为冻融循环次数。相关系数R2= 0.92表明拟合公式（2）具有较好的相关性。

根据式（2），未经历冻融循环的水泥粉质黏土平均劈裂抗拉强度为0.35 MPa，10次冻融循环后其平均强度下降至0.28 MPa，降速为0.007 MPa/次，损失率为20%；120次冻融循环后其平均强度下降至0.18 MPa，降速为0.001 4 MPa /次，总损失率为48.57%。由此可见，劈裂抗拉强度在近10次冻融循环中衰减较快，后期冻融循环中衰减较慢，说明冻融循环对水泥粉质黏土的具有较强烈的侵蚀破坏作用，使得试样内部严重损伤和破裂，如图6所示，120 次冻融循环后的试样表面出现剥蚀现象，在破坏时表现明显的脆性破坏特征，试样表面出现一条近似贯通的竖向裂缝，破坏时间短促，说明其内部受到了一定的损伤破坏。

3.3 冻融循环条件下波速与强度关系

图7为冻融循环次数与纵波波速的关系曲线，可以看出水泥粉质黏土的纵波波速随冻融循环次数的增加而逐渐减小。未经历冻融循环的水泥粉质黏土平均纵波波速为1 550 m/s，10次冻融循环后其强度下降至1 450 m/s，降速为10 m/s/次，损失率为6.45%；120次冻融循环后其强度下降至1 250 m/s，降速为2.5 m/s/次，总损失率为19.35%。由此可见，纵波波速在近10次冻融循环中衰减较快，后期冻融循环中衰减较慢。

波速同无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度一样，均是水泥土的固有属性。图8和图9分别为水泥粉质黏土的纵波波速与无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度的拟合关系曲线，可见随着强度增大，纵波波速逐渐增大，反之，强度降低，波速减小。

对试验数据进行数学回归，发现水泥粉质黏土中的纵波波速与其无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度均呈现较好的线性关系。经拟合得到的纵波波速与强度的数学关系式如表2所示，表2中，V为纵波波速，σc为无侧限抗压强度，σt为劈裂抗拉强度，其相关系数R2均大于0.90，说明纵波波速与强度之间存在良好的相关性，为利用超声波检测仪辅助推算水泥土强度的研究提供了一定的参考。

表2 纵波波速与强度的拟合关系

4 冻融循环下水泥粉质黏土力学性能机理分析

综合上述试验分析，冻融循环条件下，水泥粉质黏土强度和纵波波速呈递减的趋势。其内在原因为冻融循环作用破坏了试样内部原有的结构，具体表现为试样内部水分在负温下凝结成冰，体积膨胀，进而在试样内部产生不可逆的裂纹损伤；待融化时更多水分进入试样内部，反复的冻融循环使其内部微裂纹持续扩展，内部孔隙逐渐变大，土颗粒间的接触变的松散，使得声波衰减严重，纵波波速减小。所以，随着冻融循环次数的增加，水泥粉质黏土的强度越低，其纵波波速越小。

5 结论

（1）冻融循环在0～120次周期依次递增时，水泥粉质黏土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均逐渐降低，在近10次冻融循环中衰减较快，后期冻融循环中衰减较慢，且试样的脆性破坏特征愈加明显。

（2）冻融循环在0～120次周期依次递增时，水泥粉质黏土的纵波波速呈现逐步减小的趋势，在近10次冻融循环中衰减较快，后期冻融循环中衰减较慢。

（3）冻融循环在0～120次周期内，水泥粉质黏土的纵波波速与其强度呈现较好的线性关系，且强度越低，其纵波波速越小。

（4）冻融循环使的水泥粉质黏土内部水分凝结成冰，体积膨胀，产生裂纹损伤，融化后裂纹扩展，宏观表现为强度和纵波波速降低。