冻融循环作用下水泥-沥青粉复合稳定粉土的强度劣化及其微观机理

胡涛; 刘海峰; 翟顺; 李雪和; 瞿茹; 吴文娟

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503831

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10527-10537 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503831

建筑科学

冻融循环作用下水泥-沥青粉复合稳定粉土的强度劣化及其微观机理

胡涛 ¹^,² ,
刘海峰 ²^,³^,^* ,
翟顺 ⁴ ,
李雪和 ⁵ ,
瞿茹 ² ,
吴文娟 ⁶

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Strength Deterioration and Its Microscopic Mechanism of Stabilized Silt with Cement-asphalt Powder under Freeze-thaw Cycles

HU Tao ¹^,² ,
LIU Hai-feng ²^,³^,^* ,
ZHAI Shun ⁴ ,
LI Xue-he ⁵ ,
QU Ru ² ,
WU Wen-juan ⁶

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摘要

季节性冻土区的工程地基普遍遭受冻融环境灾害。针对黄泛区水泥-沥青粉复合稳定路基粉土,开展力学试验、核磁共振及扫描电镜测试,探究了水泥-沥青粉复合稳定粉土在冻融循环作用下的强度演化及其宏微观机理。结果表明:在冻融循环作用下,各沥青粉掺量稳定粉土的无侧限抗压强度均呈衰减趋势。但沥青粉掺量的增加可显著降低其强度折减率。当水泥、沥青粉的掺量分别为粉土干重的6%和4%时,稳定粉土的28 d龄期强度为2.11 MPa,冻融循环12次后的强度折减率仅为35.0%,综合经济效益与工程性能最佳。显微测试结果表明,稳定粉土在冻融循环作用后,其内部孔隙结构及粒间联结方式发生改变。随着冻融循环次数的增加,土体内部小孔隙向中孔隙及大孔隙转变;土颗粒间的凝胶物质脱落,粒间胶结强度降低,土体结构由密实变为疏松。在宏观上表现为试样表观土体脱落,强度劣化。

Abstract

Freeze-thaw action is a common geologic hazard factor for engineering foundations in mid and high latitudes. The strength evolution of silt soil subgrade modified by cement-asphalt powder under freeze-thaw cycles and its macro-micro mechanism were investigated using unconfined compressive strength test, nuclear magnetic resonance test and electron microscope scanning. The results show that the unconfined compressive strength of stabilized silt soil with different asphalt powder dosages tends to decrease with the increase in the number of freeze-thaw cycles. However, increasing the asphalt powder dosage can significantly reduce the rate of strength deterioration.When the dosage of cement and asphalt powder is 6% and 4% of the dry weight of the silt soilrespectively, the 28-day strength of the stabilized silt soil is 2.11 MPa, the rate of strength reduction after 12 freeze-thaw cycles is only 35.0%, the freeze-thaw resistance of the stabilized silt soil is optimal,resulting in the highest overall economic benefits and engineering performance.Under the action of the freeze-thaw cycle,the change in the internal pore structure and particle association mode of the stabilized silt soil are important reasons for the reduction in its strength.As the number of freeze-thaw cycles increases, the internal small pores of the soil body are transformed into medium and large pores. At the same time, freezing and thawing cause the gel material between the soil particles to fall off, reducing the strength of the intergranular bond and changing the soil structure from dense to loose. Macroscopically, the soil body on the surface of the sample is detached and the strength is reduced.

Graphical abstract

关键词

黄河冲积粉土 / 固化剂 / 冻融循环 / 强度劣化 / 微观机理

Key words

silt in the Yellow River flood area / curing agent / freeze-thaw cycles / deterioration of strength / microscopic mechanism

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胡涛, 刘海峰, 翟顺, 李雪和, 瞿茹, 吴文娟. 冻融循环作用下水泥-沥青粉复合稳定粉土的强度劣化及其微观机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10527-10537 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503831

HU Tao, LIU Hai-feng, ZHAI Shun, LI Xue-he, QU Ru, WU Wen-juan. Strength Deterioration and Its Microscopic Mechanism of Stabilized Silt with Cement-asphalt Powder under Freeze-thaw Cycles[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10527-10537 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503831

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黄河冲积粉土广泛分布于中国黄泛区。由于其具有颗粒磨圆度高、级配不良、黏土矿物含量低等特性,当直接作为路基填筑材料时,极易造成路面翻浆等工程病害^[1-3]。

为改善路基粉土的压实性、水稳性,以及复杂环境荷载下的耐久性能,中外学者针对天然粉土的固化改良,开展了大量的室内及现场研究工作。固化剂的种类囊括了无机类固化剂、有机类固化剂、无机-有机复合类固化剂,以及生物酶类固化剂^[4-9]。Sarsam等^[6]、路本升等^[7]、孙兆云等^[8]探究了沥青粉的掺入对固化粉土工程性能的影响机制。结果发现,由于沥青粉具有强憎水性和热延展性,掺拌沥青粉的稳定粉土表现出优良的抗渗性和特殊的损伤热修复性能,可实现路基粉土的柔性固化。

上述粉土改性技术的成熟应用,极大地提高了天然粉土在道路工程的应用价值。但中国黄泛区多为季节性冻土区,在该区域建造的公路路基普遍遭受冻融环境荷载。在冻融循环作用下,常规土体结构易发生严重破坏,造成路基翻浆,对道路行车安全构成巨大隐患。

鉴于此,研究人员在开发土体固化技术的同时,针对季节性冻融循环作用,从宏微观角度,探究了冻融循环对固化土体物理力学性能的影响机制。石兆丰等^[10]、王天亮等^[11]、谈云志等^[12]、蒋应军等^[13]、黄道军等^[14]、赵杰等^[15]研究发现,冻融循环作用改变土体的力学强度及变形破坏模式。随着冻融循环次数的增加,岩土体强度显著衰减。在此基础上,郑英杰等^[16]、叶万军等^[17]、寇璟媛等^[18]、赵晓晴等^[19]利用核磁共振、扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)等测试手段,从微观角度揭示了冻融对土体力学性能的作用机理。结果表明,土体孔隙结构的改变、水分迁移,以及固液两相的往复转化是造成土体微观结构破坏的主要原因。

综上可知,测试方法的进步推动了改性土在冻融作用下强度劣化机理的揭示。但现有研究成果鲜有涉及水泥-沥青粉复合稳定粉土。为此,在总结前人研究工作的基础上,充分考虑水泥-沥青粉复合稳定粉土的工程服役背景,开展冻融循环作用下路基改性粉土耐久性能的响应机制研究。基于冻融循环试验、无侧限抗压强度试验、核磁共振以及扫描电镜测试,揭示水泥-沥青粉复合稳定粉土的抗冻融循环特性及其强度劣化的宏微观机理。以期为相关工程的耐久性设计提供重要参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验粉土取自山东省某公路项目。粉土的矿物成分主要为石英、长石、云母和方解石。颗粒级配曲线如图1所示,粉粒质量占比为98.3%,不均匀系数(C_u)为2.1,曲率系数(C_c)为1.2^[7]。

粉土固化剂由水泥及沥青粉配制而成。水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。沥青粉为70号基质沥青粉末,颗粒级配曲线如图1所示。粉土中颗粒粒径在75 μm以下的质量占比为98.3%,而沥青粉中颗粒粒径大于75 μm的质量占比为28.0%。沥青粉中粒径大于75 μm的大颗粒的占比远超粉土。

粉土及沥青粉颗粒的微观形貌如图2所示。SEM图像显示沥青粉的颗粒磨圆度较低,且存在明显棱角,这与天然粉土颗粒所具有的高磨圆度特征完全相反。

将沥青粉作为改性材料,掺入天然粉土中,在物质组成上可有效改善集合体的颗粒级配。同时沥青粉可作为路基粉土良好的嵌固体。

1.2 试验方法

为兼顾工程性能及经济效益,参照前人研究成果^[10-15]及行业经验^[16-19],将固化剂的掺量总体控制在粉土干重的10%以内。同时为重点探究固化粉土龄期强度及抗冻融性能对沥青粉掺量的响应规律,固定水泥掺量为粉土干重的6%,改变沥青粉掺比,设计不同配比组合的路基粉土固化剂。以期获得水泥-沥青粉复合稳定粉土龄期强度及耐久性能最佳的固化剂配比。

为此,设计了4种不同沥青粉掺量的复合固化剂。水泥掺量固定为粉土干重的6%,沥青粉掺量依次设为粉土干重的0、2%、4%、6%。依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)^[20]相关规定,采用小筒重型击实法,确定不同成分组合固化剂稳定粉土的最大干密度及最优含水率。试验结果如表1所示。

在此基础上,参考路基施工验收标准和相关研究成果,按照96%压实度,借助电液伺服试样液压成型及脱模装置^[21],对应制备4种沥青粉掺量的稳定粉土试样。试样为直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱体试件(图3)。

制样完成后,将试样放入恒温恒湿养护箱中进行标准养护,养护温度为(20±2) ℃、养护湿度≥95%。在试样养护过程中,针对不同组合固化剂稳定粉土的平行试样,开展1、3、7、14和28 d龄期的无侧限抗压强度试验,获得不同沥青粉掺量固化粉土在28 d内的强度增长规律。

在此基础上,针对标准养护28 d的稳定粉土试样,开展冻融循环试验。试验综合考虑工程场地近20年的气象数据资料,并对环境温度荷载进行概化。确定稳定粉土室内冻融循环试验在不补水的封闭条件下进行。单次冻融条件如下:冻结温度为-16 ℃,持续时间为12 h;融化温度为20 ℃,持续时间为12 h。循环次数分别为1、3、5、7、9、12次。初次冻融前,将试样抽真空饱和。冻融试验过程中,试样被保鲜膜完全包裹,并密封在自封袋中,杜绝试样与外部环境的水汽交换。

冻融循环试验结束后,针对自然含水状态下的稳定粉土试样,开展无侧限抗压强度测试,测定不同沥青粉掺量稳定粉土的强度衰减规律。

固化粉土的龄期强度及冻融后的残余强度均借助力学试验测得。试验采用位移控制法开展,轴向加载速率依据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)^[20]规定,设定为1 mm/min。每组试验设置3个平行试样,取其峰值强度的平均值作为强度特征值。试样均为自然含水状态。

同期开展固化粉土在冻融循环后的核磁共振及扫描电镜测试,探究固化粉土在冻融循环作用下的孔隙结构及矿物形态的演化机制。

2 稳定粉土龄期强度及结果分析

2.1 稳定粉土龄期强度增长规律

4种沥青粉掺量的固化粉土在不同养护龄期的无侧限抗压强度试验结果如图4所示。可以看出,随着养护龄期的增加,各沥青粉掺量稳定粉土的无侧限抗压强度均呈增长趋势。由于稳定粉土早期水泥水化反应剧烈,无侧限抗压强度在14 d内迅速增长,而后放缓,并在28 d时达到最大。沥青粉掺量为粉土干重0、2%、4%、6%的稳定粉土,其28 d龄期强度分别为1.75、1.88、2.11、2.09 MPa。

同时,在相同养护龄期下,掺入沥青粉的稳定粉土试样的无侧限抗压强度均高于未掺入沥青粉的稳定粉土试样,且总体上强度随沥青粉掺量的增加呈增大趋势。但当沥青粉掺量为6%时,其各龄期强度与4%沥青粉掺量的试样相比,并无优势性增加,且28 d无侧限抗压强度略低于4%沥青粉掺量的稳定粉土试样。

2.2 稳定粉土无侧限压缩应力-应变曲线特征

稳定粉土试样的应力-应变特征曲线如图5所示,取每组3次平行试验中的1个代表性试验曲线绘制。由试验结果可知,不同沥青粉掺量、不同养护龄期固化粉土试样的应力-应变曲线形态较为一致,均表现为应变软化型,且有明显的屈服阶段。不同沥青粉掺量、不同养护龄期稳定粉土试样的破坏应变介于1.0%~2.0%。峰后阶段试样的应力跌落较为缓慢。

3 稳定粉土冻融劣化及结果分析

3.1 稳定粉土冻融损伤表观变化

稳定粉土历经多次冻融循环后的试样形态如图6所示,每组图片由左至右依次为0、2%、4%、6%沥青粉掺量的稳定粉土。试验结果显示,3次冻融循环后,各试样端部出现脱落现象。5次冻融循环后,各试样侧面均出现微小裂纹,且端部脱落明显。随着冻融循环次数的增加,稳定粉土试样表观劣化程度逐渐加大。12次冻融循环后,各试样表面出现不同程度的严重剥落,尤以0%及6%沥青粉掺量的稳定粉土试样最为严重,但各试样总体保持完整。

3.2 稳定粉土冻融损伤强度劣化

图7所示为稳定粉土在冻融循环后的无侧限压缩试验结果。由统计结果可知,随着冻融循环次数的增加,不同沥青粉掺量稳定粉土的无侧限抗压强度均呈衰减趋势。

稳定粉土在冻融循环后出现强度劣化的现象是由于试样在冻结过程中,土体中的液态水凝固,并以冰的形式填充到粒间孔隙。水的相态转化产生的体积膨胀,引发土颗粒之间的相对位移,破坏了团粒与团粒之间以及团粒与矿物之间的胶结作用,导致粒间孔隙增大。待温度上升后,土体内部的结冰水融化,冻胀力消失。但团粒间已产生不可逆的变形,粒间孔隙结构发生变化。宏观表现为土体结构疏松,表观土体剥落,试样强度降低。但沥青粉的掺入,可显著削弱冻融对稳定粉土宏微观力学性质的影响。对比可知,在相同冻融循环次数下,掺入沥青粉的稳定粉土试样,其冻融后的强度均高于未掺入沥青粉的稳定粉土试样。并在一定程度上,随着沥青粉掺量的增加该作用愈发显著。但当沥青粉的掺量由4%增加到6%时,抗冻融作用增长放缓。

为量化稳定粉土在冻融循环后相对于初始状态的强度损失,定义冻融循环强度折减率(γ)作为评估稳定粉土抗冻融性能的参量指标。冻融循环强度折减率(γ)的计算公式为

(1)γ=$\frac{{\sigma }_{\mathrm{f}}-{\sigma }_{\mathrm{d}}}{{\sigma }_{\mathrm{f}}}$×100%

式(1)中:γ为冻融循环强度折减率,%;σ_d为试样冻融循环若干次后,自然含水状态下的无侧限抗压强度,MPa;σ_f为试样标准养护28 d后,自然含水状态下的无侧限抗压强度,MPa。

稳定粉土在冻融循环后的无侧限抗压强度折减率如表2所示。

综合图7及表2可知,随着冻融循环次数的增加,各沥青粉掺量稳定粉土的强度折减率均增大,但沥青粉对冻融劣化的抑制作用明显。在相同冻融循环次数下,随着沥青粉掺量的增加,稳定粉土的冻融循环强度折减率呈减小趋势。冻融循环1次时,沥青粉掺量为0、2%、4%、6%稳定粉土的冻融循环强度折减率分别为4.5%、5.0%、4.1%、1.7%。冻融循环7次后,冻融循环强度折减率分别为34.5%、22.6%、23.0%、23.3%。

沥青粉可提高稳定粉土的抗冻融劣化性能,其主要原因是沥青粉填充土体中的孔隙,削弱低温条件下孔隙水结冰产生的冻胀力,降低冻融作用对孔隙结构的破坏程度,从而降低水泥-沥青粉稳定粉土的强度损失。

3.3 冻融稳定粉土无侧限压缩应力-应变特征

与前述稳定粉土龄期强度试验结果的分析方法类似,选取每组冻融强度试验中的1个代表性试验曲线,进行无侧限压缩应力-应变曲线特征分析,结果如图8所示。

由试验结果(图8)可知,相同沥青粉掺量的稳定粉土随着冻融循环次数的增加,其达到峰值应力时的破坏应变呈增大趋势。冻融循环12次后,沥青粉掺量为0、2%、4%、6%试样的破坏应变为冻融循环1次时的2~5倍。同时,各沥青粉掺量的稳定试样在冻融循环12次后,峰后应力软化迅速,应力-应变曲线近垂直跌落。

综合各沥青粉掺量稳定粉土试样的28 d龄期强度及多次冻融循环后的强度折减率可判断,沥青粉可显著改善稳定粉土试样的强度及抗冻融劣化性能。当沥青粉掺量为4%时,水泥-沥青粉复合稳定粉土的力学及抗冻融耐久性能最佳。掺拌粉土干重6%的水泥及粉土干重4%的沥青粉,可作为水泥-沥青粉复合稳定粉土的最优掺比。

4 稳定粉土冻融劣化微观机理

4.1 核磁共振测试及结果分析

为探究水泥-沥青粉复合稳定粉土在冻融循环作用下的强度劣化机制,定量分析稳定粉土的孔隙类型及孔径分布的演化规律,针对沥青粉及水泥掺量分别为粉土干重4%、6%的最优掺比试样开展核磁共振测试。试验依托岩土力学与工程安全全国重点实验室拥有的PQ-001 型Mini NMR 核磁共振分析仪开展。

试验中为保证数据结果的连续性及可对比性,稳定粉土的核磁共振测试针对不同冻融循环次数的同一件试样开展,并设置两个平行试样。同时对冻融循环次数进行简化,将冻融循环次数设定为3、6、9次,并将饱和试样的初始状态定义为冻融循环0次,作为空白对照。

待试样完成指定次数的冻融循环后,融化12 h,而后抽真空饱和12 h。最后拭去试样表面水分,开展横向弛豫时间T₂谱测试。测试结束后利用保鲜膜将试样完全包裹,并放入自封袋中进行下一次冻融循环。

不同冻融循环次数下稳定粉土试样的核磁共振测试结果如图9所示。稳定粉土试样在冻融循环作用下的T₂谱呈三峰分布特征。沿T₂坐标轴由左至右,信号峰依次为主峰、次峰1和次峰2。

由图9可知,随着冻融循环次数的增加,主峰和次峰1的峰值点均呈上升趋势,并在冻融循环6次时达到最大。次峰2的峰值点在冻融循环6次时出现,并随冻融循环次数的增加而增大。

根据现有研究成果^[7,22-28],土体中孔隙水的横向弛豫时间T₂值仅与土体内部孔隙结构直接相关,即

(2)$\frac{1}{{T}_{2}}$=ρ₂$\frac{S}{V}$=F_s

$\frac{{\rho }_{2}}{r}$

式(2)中:T₂为横向弛豫时间,ms;S为孔隙的表面积,cm²;V为孔隙的体积,cm³;ρ₂为表面弛豫系数,取325μm/s;r为孔隙半径,μm;F_s为孔隙形状因子。

参照文献[23 -28],将土体中孔隙形状定义为柱形,即F_s取值为2。式(2)可简化为

(3)r=2ρ₂T₂

依据式(4)、式(5)^[26-28]计算出某一孔径的孔隙体积V_i以及累计孔隙体积分布V₀,计算公式分别为

(4)

${V}_{i}=\frac{{A}_{i}}{\sum _{i}{A}_{i}}\frac{{m}_{\mathrm{w}}}{{\rho }_{\mathrm{w}}}$

式(4)中:A_i为某一T₂值对应的核磁信号强度;m_w为试样中孔隙水的质量,g;ρ_w为水的密度,取 1.0 g/cm³。

(5)

${V}_{0}=\sum _{i}{V}_{i}$

依据上式计算得出土体中孔隙的孔径分布及累计孔隙分布,结果分别如图10和图11所示。分析可知,试样的初始孔隙半径为0.01~30 μm。在冻融循环6次前,随着冻融次数的增加,试样中的小孔隙(0.01~1 μm)和中孔隙(1~10 μm)体积不断增大,且孔隙分布曲线逐渐向右偏移。这表明稳定粉土在冻融循环作用下,土体内部逐渐产生新的小孔隙,且小孔隙和中孔隙的半径不断增大,逐渐转化为大孔隙(10~1 100 μm)。随着冻融循环次数增加,大孔隙的体积逐渐增大。

此外,累计孔隙分布曲线表明,在冻融循环6次前,土体中的累计孔隙体积增长迅速。冻融循环由6次增加至9次时,累计孔隙分布曲线变化较小。在9次冻融循环后,最优掺比稳定粉土中的孔隙总体积为38~39 cm³。

4.2 扫描电镜测试及结果分析

最优掺比稳定粉土的微观结构分析借助GeminiSEM 300场发射扫描电子显微镜开展。试验前对各级冻融循环后的稳定粉土试样进行预处理:首先基于稳定粉土圆柱体试件,加工出尺寸为5 mm(长)×5 mm(宽)×10 mm(高)的长方体样本;随后将试样浸没在无水乙醇中,终止水化反应;而后恒温干燥24 h(温度为40 ℃);最后掰断长方体样本,利用扫描电镜观测断面形貌。

为简化数据结果的分析体量,着重关注最优掺比稳定粉土在初始状态及冻融循环12次后的微观结构。测试结果如图12、图13所示。

由测试结果可知,稳定粉土在标养28 d后,土体内部生成大量水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和水化硫铝酸钙晶体(AFt),其中C-S-H凝胶与AFt晶体相互搭接形成网状结构,填充土颗粒间孔隙,并将土包裹。沥青粉嵌固在粉土中,并通过AFt和C-S-H 凝胶与土颗粒连接,形成稳定致密结构。沥青粉的掺入使得团聚体数量增加。

冻融循环作用后,稳定粉土中孔隙水低温结冰膨胀,高温融化后冻胀力消失。随着循环次数的增加,土颗粒表面的凝胶矿物脱落,粒间连接方式和孔隙结构改变,团聚体发生破坏,孔隙体积增大,导致土体结构疏松。

5 结论

以黄泛区粉土路基的工程改性需求为牵引,借助室内物理力学试验及显微测试技术,探究了水泥-沥青粉复合稳定粉土的力学特性及抗冻融劣化机理,得到如下结论。

(1)沥青粉的掺入对稳定粉土力学强度及抗冻融劣化性能影响显著。沥青粉可有效填充粉土粒间孔隙,与粉土颗粒咬合嵌固,形成致密的集合体。同时,水泥水化产生的C-S-H凝胶及Aft晶体相互搭接,填充并覆盖粉土及沥青粉颗粒,形成稳定网状结构。

(2)基于本项目路基粉土开展的研究结果表明,掺拌粉土干重6%的水泥及粉土干重4%的沥青粉,是水泥-沥青粉复合稳定粉土的最优掺比。在该掺比条件下,稳定粉土的28 d龄期强度为2.11 MPa,12次冻融循环后的强度折减率仅为35.0%。

(3)冻融作用导致稳定粉土中的粒间连接方式及孔隙结构发生改变。随着循环次数的增加,土颗粒表面的凝胶矿物脱落,团聚体发生破坏,孔隙体积增大。宏观表现为土体结构疏松,表观土体剥落,试样强度降低。

(4)核磁共振测试结果表明,最优掺比稳定粉土试样的初始孔隙半径为0.01~30 μm。随着冻融次数的增加,土体内部产生新的小孔隙,且小孔隙和中孔隙的半径不断增大,并逐渐转化为大孔隙。在9次冻融循环后,稳定粉土中的孔隙总体积为 38~39 cm³。

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基金资助

湖北省科技创新人才计划(2025DJB007)

隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室开放基金(TESKL202503)

国家自然科学基金(42277185)

国家自然科学基金(42107202)

岩土力学与工程安全全国重点实验室课题(SKLGME02202)

岩土力学与工程安全全国重点实验室课题(SKLGME-JBGS2405)

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Received	Published	Revised
2025-05-22	2026-08-28	2026-05-09
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2026-09-04

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