改性黄土的冻融特性

冻融循环作用下改良路基填料损伤特性研究作者：***来源：《西部交通科技》2024年第01期摘要：为了使分散性土可直接作为路基填料，文章提出采用木质素磺酸钙改良分散性土并测定其物理力学性质，判定其工程适用性。

主要结论如下：（1）随着木钙掺量的增加，土体的液限、塑限以及最优含水率均出现下降，土样的破坏模式逐渐过渡至塑性破坏；土体抗压强度先增大后减小，压缩系数先减小后增大；（2）随着土样养护龄期的延长，改性土的无侧限抗压强度也逐渐增大，压缩系数不断减小；（3）当木钙掺量为1%、养护时长为28 d时，改性土的土体结构稳定性较好，各项指标基本满足路基填料的要求。

关键词：分散性土；木质素磺酸钙；物理力学性质；养护龄期；塑性破坏中图分类号：U416.1A1203750 引言分散性土广泛分布于全球各地，如中国、澳大利亚、孟加拉国、巴西、以色列以及越南等国家［1-2］。

分散性土具有抗水蚀能力弱、抗剪强度低、抗渗性能差等特点，容易造成路基失稳而影响结构物的稳定，危害性极大。

因此，本文利用新型材料对分散性土进行改良，使其性能满足路基填料的基本要求。

近些年来，国内外研究学者针对改良分散性土体开展了大量的研究。

目前学者主要通过物理、化学改良措施以及综合治理措施对分散土进行处理。

Turkoz M等［3］通过利用沸石与水泥改良土体的膨胀性以及分散性，结果表明沸石与水泥的掺和可有效提高土体的强度，经过改良后的土体强度提高了26.7%。

Vakili A H等［4］利用木质素磺酸盐改良分散性土体后对其进行电渗处理，结果表明经过处理后的分散土的分散性大幅降低，降至非分散性指标，同时发现联合处理的效果明显优于单一处理。

Moravej S等［5］通过采用微生物诱导碳酸钙沉淀技术改性分散土。

汪恩良等［6］基于扫描电镜和核磁共振技术，探究了不同木质素掺量下改良分散土的细观结构变化。

魏世杰等［7］利用黄原胶对黏性土进行加固，结果表明黄原胶的掺入可有效提高黏土的无侧限抗压强度。

冻融作用对原状黄土抗剪强度的影响规律冻融作用是指地下水或雨水在岩石、土壤中的冻结和融化过程。

在寒冷地区，冻融作用是土壤力学特性变化的重要原因之一。

原状黄土是寒冷地区广泛分布的一种土壤类型，其力学性质受冻融作用影响较为显著。

1. 循环变形特性：冻融循环会引起原状黄土的体积膨胀和收缩，导致土体的循环变形。

当土体经历多次循环后，土壤颗粒间的摩擦力会逐渐增加，使得土体的抗剪强度增加。

原状黄土的抗剪强度会随冻融循环次数的增加而增加。

2. 孔隙结构变化：冻结过程中水分的膨胀和融化过程中的渗流会改变土体的孔隙结构，导致土壤颗粒的重新排列和重新分布。

这种孔隙结构的变化会影响土体的排水性能和持水性能，进而影响土体的抗剪强度。

通常情况下，冻结过程中水分的膨胀会增大土体内部的孔隙度，使得原状黄土的抗剪强度降低；融化过程中的渗流会排除孔隙中的水分，使得土体的孔隙度减小，土体的抗剪强度会增加。

3. 冻融破坏特性：原状黄土在冻融过程中易发生破坏，特别是在迎水坡面和土体表面易出现冻胀破坏。

冻融破坏会使土体的结构疏松，导致土体的抗剪强度降低。

冻融破坏还会导致土体内部结构的破坏和颗粒间的重新排列，使得土体的抗剪强度下降。

4. 水分对冻融影响：水分对冻融作用有着重要影响。

在冻结过程中，土壤中的水分会形成冰晶，产生体积膨胀；在融化过程中，冰晶会融化为水，体积收缩。

不同含水率的原状黄土在冻融过程中表现出不同的力学性质。

当含水率较高时，土壤中的水分充分渗透，冻结后水分的膨胀会造成土体的体积膨胀和破坏，导致抗剪强度降低；当含水率较低时，土壤中的水分含量较少，冻结导致的体积膨胀影响较小，土体的抗剪强度相对较高。

冻融作用对原状黄土的抗剪强度有着复杂的影响规律。

冻融循环次数的增加、孔隙结构的变化、冻融破坏特性以及水分含量等因素都会对原状黄土的抗剪强度产生影响。

为了准确评估和预测冻融作用对原状黄土抗剪强度的影响，还需深入研究土壤的微结构和宏观性质之间的关系，并开展大量的室内和野外试验研究。

《冻融循环作用下相变材料改良黄土路基物理力学特性研究》篇一一、引言黄土是我国广泛分布的一种特殊土质，其路基在冻融循环作用下易发生变形、开裂等问题，严重影响道路的稳定性和使用寿命。

近年来，相变材料因其良好的调温性能引起了研究者的广泛关注，其在改良黄土路基方面展现出良好的应用前景。

本研究以相变材料改良黄土路基为研究对象，重点探究其在冻融循环作用下的物理力学特性变化规律。

二、相变材料及其改良黄土的制备相变材料是一种能在一定温度范围内吸收和释放热能的智能材料。

本研究所选用的相变材料具有良好的相变潜热和稳定的物理化学性质，能够有效地调节黄土的温度。

改良黄土的制备过程包括将相变材料与黄土按一定比例混合，并通过搅拌、养护等工艺使两者充分融合。

三、冻融循环试验方法冻融循环试验是模拟黄土在自然环境中的温度变化过程，通过反复冻结和融化来考察黄土的物理力学性质变化。

本试验采用标准化的冻融循环条件，对改良前后的黄土路基进行多次冻融循环，并记录其物理力学特性的变化。

四、物理力学特性分析1. 密度变化：在冻融循环过程中，改良黄土的密度呈现出先降低后趋于稳定的趋势。

相变材料的加入有助于提高黄土的密实度，增强其抗变形能力。

2. 强度变化：随着冻融循环次数的增加，改良黄土的抗剪强度逐渐提高。

相变材料的加入显著提高了黄土的抗剪强度，使其在冻融循环过程中表现出更好的稳定性。

3. 变形特性：改良黄土在冻融循环作用下的变形模量有所提高，表明其抵抗变形的能力增强。

此外，相变材料的加入有效减小了黄土的塑性变形，降低了路基的沉降量。

五、结论通过对相变材料改良黄土路基在冻融循环作用下的物理力学特性进行研究，得出以下结论：1. 相变材料的加入有助于提高黄土的密实度和抗剪强度，降低塑性变形，提高路基的稳定性。

2. 改良黄土在冻融循环过程中表现出较好的耐久性和抗变形能力，有效延长了路基的使用寿命。

3. 相变材料通过调节黄土的温度，减小了冻融循环对黄土路基的不利影响，为黄土地区道路工程提供了新的改良方法。

纤维复合固化黄土的力学性质及在边坡工程中的应用纤维复合固化黄土的力学性质及在边坡工程中的应用引言：在边坡工程中，黄土的力学性质一直是一个关键问题。

黄土是一种典型的无结构土，具有较高的液性指标和可塑性，容易变形和流动。

因此，研究如何改善黄土的力学性质并提高其抗剪强度是非常必要的。

近年来，纤维复合固化黄土材料作为一种新型的改良黄土的方法，受到了广泛关注。

本文将详细介绍纤维复合固化黄土的力学性质以及其在边坡工程中的应用。

一、纤维复合固化黄土的力学性质分析1. 抗剪强度提高纤维复合固化黄土能够显著提高抗剪强度。

纤维的加入可以改变黄土内部的颗粒排列结构，形成纤维与颗粒之间的互锁效应。

同时，纤维还能够吸收和分散局部应力，从而抑制剪胀变形的发生。

实验表明，加入一定比例的纤维后，黄土的抗剪强度可提高20%以上。

2. 抗渗透性改善黄土具有较高的液性指标，容易受水分渗透的影响。

而纤维复合固化黄土能够在一定程度上改善其抗渗透性。

纤维通过填充黄土内部的微缝隙，形成一种网络结构，从而减少了水分的渗透速度和渗透量。

研究结果表明，纤维复合固化黄土的抗渗透性能可提高30%以上。

3. 抗冻融性提高黄土在冻融环境下易受到破坏，导致边坡工程的安全性下降。

而纤维复合固化黄土能够提高其抗冻融性能。

纤维可以细化黄土的孔隙结构，减少孔径和孔隙率，降低水分渗透和胀缩变形的发生。

同时，纤维还能够吸收冻融循环过程中产生的冻融压力，有效减少冻融损伤。

研究结果表明，纤维复合固化黄土的抗冻融性能可提高40%以上。

二、纤维复合固化黄土在边坡工程中的应用1. 边坡加固与稳定纤维复合固化黄土可以用于边坡工程中的加固与稳定。

通过在黄土中加入纤维，可以提高黄土的抗剪强度和抗渗透性能，减少黄土的变形和流动，从而增强边坡的整体稳定性和安全性。

同时，纤维还能够吸收和分散边坡上的应力，降低边坡的自然坡度和岩土接触面的剪应力。

因此，纤维复合固化黄土在边坡工程中具有很好的应用前景。

冻融循环对黄土强度影响研究综述作者：仇楠马楠雷荣凯来源：《中国住宅设施》 2019年第1期摘要:针对黄土在经历冻融循环后土体强度的问题,归纳总结了冻融循环对黄土微结构以及力学性质和参数产生的影响、通过改性黄土提高土体强度的研究进展,并对未来该领域研究做出展望。

关键词:冻融循环;含水率;强度引言我国黄土分布广泛,且主要分布在西北、华北与东北地区,尤其集中分布在被称为黄土高原的陕西、甘肃以及宁夏等地区。

且宁夏处于季节性冻土地区, 从工程角度来讲, 季节性冻土对工程危害最大, 稍有不慎就会造成地面塌陷, 建筑物倾斜、倒塌, 冻融循环是季节性冻土区产生病害的关键因素[ 1 ]。

黄土经历冻融后土体结构容易发生改变进而影响黄土的工程性质, 比如黄土的抗剪强度、单轴抗压强度等。

进而会造成有些工程事故的发生, 因此研究冻融条件下黄土工程性质的变化规律就显得迫在眉睫。

目前国内已有部分学者针对黄土冻融后土体强度的问题进行了研究,本文主要对国内部分学者的相关研究成果进行梳理和总结。

1 研究进展1.1 冻融循环对黄土微结构的影响黄土是一种特殊土,具有水敏性、大孔性、结构性,其中结构性影响黄土的强度特性最为显著。

宏观上讲,结构性主要是指黄土抗压、抗剪等能力; 微观上讲, 主要是指黄土颗粒之间排列连接形式; 水、温度、外部荷载等因素可以改变土颗粒之间的连接和排列方式从而改变黄土的结构性[ 2 ]。

有研究发现,黄土体经过冻融循环后,土体颗粒之间连接形式改变,使土整体结构发生变化,对土体的强度特性产生很大的影响[ 3 ]。

并且,冻融作用对黄土微观结构影响显著,表现在黄土大骨架颗粒数量明显减少,颗粒变的较为松散,小孔隙也随之增多[ 4 ]。

具体表现为颗粒尺寸大部分变得一致,土粒结构发生明显改变,土颗粒由于土中孔隙水的冻结,连接不断减弱, 土中大孔隙不断增加, 破坏了黄土体结构的完整性, 使得土体强度减弱。

大孔隙相互连接形成孔隙水的迁移通道,使黄土表面冻害加剧且析冰量增加。

《冻融循环作用下相变材料改良黄土路基物理力学特性研究》篇一一、引言随着气候变化的影响，我国黄土地区季节性冻融现象愈发显著，对道路工程特别是黄土路基的稳定性构成了严重威胁。

黄土因其特殊的物理力学性质，在冻融循环作用下易产生变形、开裂等问题，从而影响道路的使用性能和安全性。

近年来，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其独特的热物理性能在土木工程领域受到了广泛关注。

本篇论文将重点研究在冻融循环作用下，相变材料对改良黄土路基物理力学特性的影响。

二、研究背景及意义黄土地区因其特有的地理环境，路基在经历多次冻融循环后，其结构强度和稳定性会显著降低。

传统的加固方法如加筋、排水等虽有一定效果，但难以从根本上解决黄土的冻融问题。

相变材料因其能够在一定温度范围内吸收和释放热量，被认为是一种有效的改良材料。

通过将相变材料与黄土混合，可以改善黄土的物理力学性质，提高其抗冻融性能。

因此，研究相变材料在冻融循环下对黄土路基的改良效果具有重要的理论和实践意义。

三、研究内容与方法本研究首先选取典型的黄土样品，通过添加不同比例的相变材料进行混合。

然后，在模拟的冻融循环环境下，对改良后的黄土样品进行物理力学性能测试。

具体研究内容包括：1. 样品制备：选择合适的黄土和相变材料，按照不同比例进行混合，制备出改良黄土样品。

2. 冻融循环：在实验室条件下，模拟自然环境中的冻融循环过程。

3. 物理性能测试：对改良前后的黄土样品进行密度、含水量、孔隙率等物理性能测试。

4. 力学性能测试：通过三轴压缩试验、直接剪切试验等手段，测定改良黄土的力学性能。

5. 数据分析：对实验数据进行统计分析，探究相变材料对黄土物理力学性质的影响规律。

四、实验结果与分析通过实验，我们得到了相变材料改良黄土在不同冻融循环下的物理力学性能数据。

分析结果表明：1. 物理性能：添加相变材料的黄土样品密度有所提高，含水量和孔隙率有所降低，表明相变材料有效地改善了黄土的密实性和水分保持能力。

冻融循环对黄土强度影响研究综述冻融循环是指材料在低温下冻结，然后再在高温下融化的一个过程。

黄土由于其独特的物理和力学性质，常常受到冻融循环的影响。

本文对冻融循环对黄土强度的影响进行了综述。

冻融循环对黄土强度的影响是复杂的。

冻融循环会导致黄土中的水分冻结膨胀和融化收缩，从而引起颗粒的断裂和重排。

冻融循环还会导致黄土中的孔隙变化，从而影响其力学性质。

在冻结过程中，水分的冻结会导致孔隙的收缩，使得黄土的密实度增加，强度也会相应增加。

而在融化过程中，水分的融化会导致孔隙的扩大，使得黄土的密实度减小，强度也会相应减小。

冻融循环对黄土强度的影响与黄土的物理和化学特性有关。

黄土中的粘土矿物对冻融循环的影响较大。

黏土矿物受到冻结和融化的影响，容易发生水化和膨胀，从而导致黄土的强度减小。

黄土中的颗粒大小和形状也会影响其对冻融循环的响应。

颗粒较小且形状较规则的黄土，对冻融循环的响应较大。

冻融循环对黄土强度的影响是随着循环次数增加而增加的。

随着循环次数的增加，黄土中的孔隙变化和颗粒断裂会进一步加剧，黄土的强度也会相应减小。

研究表明，循环次数越多，黄土的强度降低越明显。

在工程实践中，需要考虑到黄土可能会经历多次冻融循环，从而采取相应的措施来提高工程的稳定性。

冻融循环对黄土强度的影响可以通过改善黄土工程性质来减小。

可以通过加入适量的外加剂来改善黄土的抗冻性能。

外加剂可以改变黄土中的颗粒排列和孔隙结构，从而提高其强度和稳定性。

还可以通过改变黄土的物理结构和化学成分来提高其抗冻性能。

对黄土进行筛分和矿化处理可以改善其抗冻性能。

第43卷第4期2024年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.4April,2024赤泥-矿渣基地聚物固化黄土冻融后力学特性研究郭㊀强1,张晓雷2,史晨曦2,门㊀杰3(1.山西省高速公路集团有限责任公司,太原㊀030031;2.太原理工大学土木工程学院,太原㊀030024;3.山西交通控股集团有限公司大同高速公路分公司,大同㊀037000)摘要:本文通过击实试验获得了不同赤泥掺量㊁水玻璃模数㊁水玻璃掺量条件下地聚物固化黄土的最大干密度和最佳含水率;基于最佳含水率结果制作试块并开展地聚物固化黄土冻融循环试验,测试了固化黄土试块的质量损失和无侧限抗压强度,分析了地聚物组成对固化黄土试块抗冻性能的影响㊂结果表明:地聚物固化黄土试块的最大干密度均小于素黄土;掺入适量地聚物能够有效提升黄土的抗冻性能,且固化黄土的无侧限抗压强度均大于素黄土,最高可达0.7MPa;随着赤泥掺量增大,固化黄土试块的无侧限抗压强度降低;随着冻融次数增加,固化黄土试块的无侧限抗压强度先减小后增加,最终趋于稳定㊂关键词:地聚物固化黄土;水玻璃;含水率;冻融循环;无侧限抗压强度中图分类号:TU444㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)04-1482-08Mechanical Properties of Red Mud-Slag Based Geopolymer Solidified Loess after Freeze-Thaw CycleGUO Qiang 1,ZHANG Xiaolei 2,SHI Chenxi 2,MEN Jie 3(1.Shanxi Province Expressway Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030031,China;2.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;3.Datong Expressway Branch of Shanxi Communications Holding Group Co.,Ltd.,Datong 037000,China)Abstract :In this paper,the maximum dry density and optimum content of geopolymer solidified loess under different red mud content,water glass modulus and water glass content were obtained by compaction test.Based on the optimum moisture content results,the test blocks were made and the freeze-thaw cycle test of geopolymer solidified loess was carried out.The mass loss and unconfined compressive strength of solidified loess test block were tested,and the influence of geopolymer composition on frost resistance of solidified loess test block was analyzed.The results show that the maximum dry density of geopolymer solidified loess test block is smaller than that of plain loess.Adding an appropriate amount of geopolymer can effectively improve the frost resistance of loess,and the unconfined compressive strength of solidified loess is greater than that of plain loess,up to 0.7MPa.With the increase of red mud content,the unconfined compressive strength of solidified loess test block decreases.With the increase of freeze-thaw cycles,the unconfined compressive strength of solidified loess test block decreases first and then increases,and finally tends to be stable.Key words :geopolymer solidified loess;sodium silicate;moisture content;freeze-thaw cycle;unconfined compressive strength㊀收稿日期:2023-08-29;修订日期:2023-12-31基金项目:山西交通控股集团项目(20-JKKJ-17)作者简介:郭㊀强(1970 ),男,高级工程师㊂主要从事公路工程方面的研究㊂E-mail:609770816@通信作者:张晓雷,硕士研究生㊂E-mail:1023032436@ 0㊀引㊀言我国的湿陷性黄土面积约占国土面积的6%[1],大多数黄土分布于北方季节性冻土地区㊂冻融作用是引起该区域黄土路基病害的常见因素[1-2],会显著影响土体密度㊁孔隙比和胶结性能等,进而导致路基冻胀及沉陷等病害的发生[1,3]㊂另外,我国是世界第四大氧化铝生产国,每年的赤泥产量保守估计在1.2亿吨以㊀第4期郭㊀强等:赤泥-矿渣基地聚物固化黄土冻融后力学特性研究1483上[4],赤泥的堆存不仅占用大量土地,同时也会对周围环境造成巨大污染,因此,高效合理地利用赤泥是全面落实 双碳 目标的重点㊂现有研究发现,将赤泥与矿渣充分混合后,加入碱激发剂能够激发赤泥中矿物成分的活性,从而使制备的地聚物材料具有早强快凝等优势[5],该类型地聚物被广泛应用于黄土路基的注浆加固中[6]㊂目前各国学者对黄土性能改善等方面开展了大量研究[7],在添加材料加固黄土方面:在黄土中加入新型高分子固化剂(SH)或硅酸钠能够有效提升黄土的抗压强度[8];将石灰[9]㊁二灰土[10]以及相变材料[11]与黄土混合也可以有效提高黄土的抗冻性能㊂在地聚物固化黄土强度研究方面:地聚物是硅铝酸盐材料和碱活化剂溶液的混合物,是一种绿色建筑材料[12],复合水玻璃和石膏产生的新物质是固化黄土力学性能提升的关键[13-14];其他学者相继探讨了碱激发剂在粉煤灰基地聚物中的应用以及激发剂浓度[15]㊁模数[16]等对地聚物固化黄土的影响,但目前对地聚物固化黄土抗冻性能的研究仍较为欠缺,因此开展赤泥-矿渣基地聚物固化黄土抗冻性能研究对于黄土路基冻融病害防治以及推动国家 双碳 目标的实现具有重要意义㊂针对上述不足,本文开展了不同赤泥掺量㊁水玻璃模数㊁水玻璃掺量条件下赤泥-矿渣基地聚物固化黄土(geopolymer solidified loess,GSL)的冻融循环试验,通过击实试验㊁无侧限抗压强度试验等对固化黄土在不同冻融循环次数下的工程特性进行了研究,得到了一种具有良好抗冻性能的赤泥-矿渣基地聚物配比㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料试验原材料包括黄土㊁赤泥㊁矿渣㊁硅酸钠和氢氧化钠等㊂其中,黄土采集于太原西山某垂直边坡,杂质含量较少,放入105ħ烘箱中烘干磨碎后过2mm方孔筛备用㊂采用‘土工试验方法标准“(GB/T50123 2019)[17]中相关方法测试得到的黄土试样粒径主要集中在0.075~5mm,约占试样总质量的75%,初始含水率为17.74%,最优含水率为15.18%,最大干密度为1.80g/cm3,不均匀系数C u为26,级配良好,便于压实[11]㊂赤泥采用山西某氧化铝厂生产的拜耳法赤泥,放入105ħ烘箱中烘干磨碎后过2mm方孔筛备用㊂矿渣为河南巩义的S95级矿渣,赤泥和矿渣的有效矿物成分见表1㊂市售硅酸钠溶液模数为2.85,SiO2质量分数为40%,Na2O质量分数为13.75~14.00%[6]㊂氢氧化钠为片状固体物质,95%(质量分数)分析纯㊂将固体氢氧化钠加入硅酸钠溶液得到合适模数和掺量的改性水玻璃溶液[6]㊂表1㊀原材料的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of raw materialsComposition Mass fraction/%Al2O3SiO2CaO MgO Fe2O3Loss on ignition Slag16.3236.1035.5811.3200.68Red mud27.3821.0514.910.530.428.781.2㊀击实试验击实试验的目的在于获得不同地聚物固化黄土试块的最大干密度和最佳含水率[18],然后基于最佳含水率配比结果制作固化黄土冻融试块[19]㊂本次试验参数为赤泥掺量㊁水玻璃模数和水玻璃掺量,共9种配比,每种配比5个试块,共45个试块,见表2㊂地聚物固化黄土击实试块采用102mmˑ116mm的圆柱体㊂试验仪器为电动击实仪和液压脱模机[11]㊂每种配比预设5个目标含水率,围绕最佳含水率15%[14],试验的设计含水率在13%~20%㊂按表2将一定量的烘干黄土㊁赤泥和矿渣混合后搅拌均匀,加入一定量的附加水和改性水玻璃溶液,采用砂浆搅拌锅再次搅拌,放置12h后让水分充分渗透到黄土中㊂采用电动击实仪分三层击实,并将试块表面磨平,脱模后根据文献[17]计算不同试块的密度㊁含水率,并绘制含水率和干密度曲线(图1),得到黄土最大干密度和最佳含水率㊂1484㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷表2㊀击实试验配比Table2㊀Mix ratio of compaction testNo.Raw material content/%Sodium silicateRed mud Slag Modulus Content/%Design moisture content/%Test resultρdmax/(g㊃cm-3)w max/%R5_M4_W65050 1.446.813.3,15.0,16.7,18.1,20.8 1.6216.06 R6_M4_W66040 1.446.813.3,15.0,16.7,18.1,19.5 1.6215.54 R7_M4_W67030 1.446.813.3,15.0,16.7,18.1,19.5 1.6415.43 R5_M4_W05050 1.440.013.9,15.6,17.4,18.8,20.1 1.6615.70 R5_M4_W35050 1.443.013.6,15.4,17.1,18.5,19.8 1.6415.28 R6_M4_W06040 1.440.013.9,15.6,17.4,18.8,20.1 1.6415.39 R6_M4_W36040 1.443.013.6,15.4,17.1,18.5,19.8 1.6614.57 R5_M2_W65050 1.246.813.6,15.1,16.7,18.1,19.4 1.6715.08 R5_M6_W65050 1.646.813.3,15.0,16.7,18.1,19.5 1.6415.28㊀㊀注:ρdmax表示最大干密度,w max表示最佳含水率,%均表示质量分数㊂1.3㊀冻融试验地聚物固化黄土冻融试块为50mmˑ50mm圆柱体[11]㊂与击实试验相同,制作了9组不同配比的试块,每组18个试块,共162个,见表3㊂试块的最佳含水率由1.2节击实试验确定,其余参数与表2相同㊂另外,由于黄土烘干后吸水量较高,仅靠地聚物浆液中的自由水不能满足地聚物水化反应和黄土吸水需求,需加入附加水,但附加水不参与浆液水胶比的计算,仅用于计算固化黄土的含水率㊂表3㊀冻融试块配比Table3㊀Mix ratio of freeze-thaw test blockNo.Mass/gRed mud Slag Sodium silicate Slurry added water Dry loess Loess added water Moisture content of loess/%R5_M4_W6868681643179418316.06R6_M4_W61036981643177401815.54R7_M4_W61215281643175398315.43R5_M4_W0868669683093388915.70R5_M4_W3868674673127383615.28R6_M4_W01036969683090379215.39R6_M4_W31036974673124273714.57R5_M2_W6868681663183387215.08R5_M6_W6868681633153393415.28根据表3的配比,采用液压脱模机制备得到地聚物固化黄土试块㊂然后用保鲜膜密封,放入标准养护环境中养护28d后,进入冻融循环㊂本试验设定冻融温度为-20~-18ħ,冻融循环次数设定为2㊁4㊁6㊁8㊁10,冰冻时间为4h,融化时间4h㊂达到循环次数将试块取出,观察是否存在表面破损㊁裂缝或掉边掉角情况,并记录质量变化;参照组试件(0次冻融)在标准养护条件下养护至其他试件完成10次冻融,与冻融试件一起测试强度㊁质量变化㊂冻融完成的试块使用微型电子万能试验机开展无侧限抗压强度测试[11],加载速率为1mm/min㊂2㊀结果与讨论2.1㊀击实试验图1给出了地聚物固化黄土的击实试验结果㊂由图1可知,不同配比的地聚物固化黄土最大干密度主要集中在1.62~1.67g/cm3,均小于素黄土密度1.80g/cm3,最佳含水率主要集中在14.57%~16.06%,除R6_M4_W3㊁R5_M2_W6试块外,其余配比的最佳含水率均大于素黄土的15.18%[11]㊂由图1(a)可知,随着赤泥掺量增大,固化黄土最大干密度增大(1.62g/cm3增加到1.64g/cm3),最佳含水率降低(16.06%降低到15.43%),主要原因是地聚物中的赤泥颗粒粒径介于矿渣和黄土之间,赤泥掺量增大能提高结构密实度,且赤泥吸水性能较强,赤泥掺量增大引起最佳含水率降低;由图1(b)可知,水玻璃㊀第4期郭㊀强等:赤泥-矿渣基地聚物固化黄土冻融后力学特性研究1485模数越小,固化黄土的最大干密度越大,当赤泥掺量为50%㊁水玻璃质量分数为46.8%㊁水玻璃模数为1.2时,固化黄土的最大干密度最大;由图1(c)可知,固化黄土的最大干密度随着水玻璃掺量的增加(40%增加到46.8%)而减小(1.66g/cm3减小到1.62g/cm3),最佳含水率先降低后升高,固化黄土的最大干密度达到最大时水玻璃掺量为40%(质量分数),模数为1.4㊂对比图1(c)㊁(d)可知,虽然水玻璃模数和掺量不同,但60%赤泥掺量的固化黄土最佳含水率小于50%赤泥掺量的固化黄土,但最大干密度差别不大㊂这说明赤泥是影响固化黄土最佳含水率的主要原因,赤泥与黄土颗粒分布不同,且赤泥的吸水性相较矿渣更强㊂图1㊀不同配比地聚物固化黄土的含水率和干密度Fig.1㊀Moisture content and dry density of GSL with different ratios2.2㊀冻融试验2.2.1㊀破坏模式图2(a)㊁(b)给出了冻融前㊁后试块的表观形貌㊂由图2可知:冻融前固化黄土试样表面光滑平整,结构密实;经历10次冻融循环后,试样表面出现了凹凸不平的虫孔结构,部分构件发育裂隙,冻融循环次数能显著影响试件表面形态[20],与文献[3]结果类似㊂图2(c)㊁(d)给出了试块的破坏状态㊂试块的破坏形态分为两类:1)塑性破坏,发生在强度较低的试块,原因是地聚物本身的强度较低,对黄土的固化效果较差,破坏形态趋于素黄土;2)脆性破坏,发生在强度较高试块,整体破坏形态为侧面黄土楔形断裂,原因在于地聚物本身强度较高,固化黄土的性能较好,能将黄土颗粒固结到一起㊂2.2.2㊀质量损失图3给出了试块质量损失率随冻融次数的变化㊂由图3可知,固化黄土质量损失率随冻融循环次数的增加而增大,前2次质量损失较快,2~6次质量损失较慢,不同配比的质量损失率变化不同,但整体质量损失率差异非常小㊂冻融循环10次以内试块质量损失率均低于1%,与素黄土冻融循环质量损失率基本相同,但明显小于纯硅酸钠固化黄土,说明赤泥等胶凝材料有利于提升固化黄土的抗冻性能㊂1486㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图2㊀破坏状态对比Fig.2㊀Comparison of destructive states㊀㊀由图3(a)可知,当冻融次数小于6时,不同赤泥掺量的固化黄土试块冻融质量损失率基本一致㊂由图3(b)可知:R5_M4_W0试块质量损失较低,冻融10次后的质量损失率小于0.5%;水玻璃掺量为43%的试块质量损失较高,且在8次后突然增加到1.00%㊂但总体来看,当赤泥掺量为50%时,水玻璃掺量对固化黄土试块质量损失率的影响不明显㊂由图3(c)可知,R6_M4_W3试块质量损失率最小,与另外两种水玻璃掺量固化黄土的质量损失率相差不大,说明水玻璃掺量过多或过少均不利于抗冻性能的提升㊂总体来看,当赤泥掺量为60%(质量分数)时,水玻璃掺量对固化黄土试块质量损失率的影响不明显㊂由图3(d)可知,当赤泥和水玻璃的掺量分别为50%和46.8%时,模数为1.6的试块质量损失率最小,模数为1.4的质量损失率最大,模数也会影响多次冻融循环后试块的质量损失率㊂图3㊀质量损失结果对比Fig.3㊀Comparison of mass loss results2.3㊀无侧限抗压强度图4给出了固化黄土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化㊂图4中,除R6_M4_W6㊁R7_M4_W6㊁㊀第4期郭㊀强等:赤泥-矿渣基地聚物固化黄土冻融后力学特性研究1487 R5_M4_W3试块在10次冻融循环后损坏,数据缺失外,其余试块均达10次㊂由图4可知,无论是何种配比试块,地聚物固化黄土试块的无侧限抗压强度均大于素土试块,强度可达0.7MPa;随着冻融次数增加,土样颗粒均逐渐变松散,孔隙率增加,强度减小[21]㊂大部分试块在冻融4次前,强度降低迅速,最多降低了55%,冻融4~10次时,强度出现升高趋势,但仅能达到冻融前强度的68%㊂本次试验结果与掺入相变材料加固黄土的效果相差不大[11]㊂另外,文献[21]也指出冻融循环次数增加时抗压强度逐渐降低,但8次循环以后强度趋于稳定,本文结果与之类似㊂图4㊀不同冻融循环次数后地聚物固化黄土的无侧限抗压强度Fig.4㊀Unconfined compressive strength of GSL under different freeze-thaw cycles 由图4(a)可知,不同赤泥掺量的固化黄土试块无侧限抗压强度存在较大差异,且固化黄土试块抗压强度随赤泥掺量增多而降低,强度最少降低39%,最多降低75%㊂未冻融时,当试块赤泥掺量由50%增大到60%时,其抗压强度由0.374MPa降低至0.214MPa,高于素黄土试块的抗压强度,当赤泥掺量增至70%时,固化黄土试块基本与素黄土试块抗压强度相同[11]㊂当赤泥掺量为50%时,经过10次冻融循环,强度降低约50%,从整体趋势来看,赤泥掺量的增大会显著降低固化黄土试块的抗压强度,最佳掺量建议不超过50%㊂由图4(b)可知,冻融4次时固化黄土试块的强度降低最明显,R5_M4_W6和R5_M4_W3试块的抗压强度分别降低68%和57%,但冻融4次后,抗压强度有所提高,冻融8次以上时,抗压强度趋于稳定,说明固化黄土在冻融循环前期的强度变化显著,后期变化较小㊂在前期冻融循环作用下,试块孔隙率增大,裂隙发育,导致固化黄土颗粒之间的黏结力大幅度下降,强度降低;但冻融4次后,固化黄土内部小颗粒数量增多并填充空隙,使得固化黄土结构紧密,强度升高,冻融8次以后,强度趋于稳定[21]㊂由图4(b)㊁(c)对比分析可知,尽管赤泥掺量的改变(50%增加到60%)导致固化黄土试块无侧限抗压强度降低,但最高碱掺量的固化黄土试块抗压强度始终是最低的,说明过高的碱掺量不利于激发黄土活性㊂由图4(d)可知:在冻融初期,固化黄土试块抗压强度随水玻璃模数增加而降低,与文献[15]结果一致;在整个冻融循环过程中,水玻璃模数为1.2的固化黄土无侧限抗压强度始终高于另外两个较大水玻璃模数固化黄土的无侧限抗压强度㊂主要原因是模数越小,越有利于形成更多的地聚物凝胶,能够更好地改善黄土的孔1488㊀资源综合利用硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷径分布和孔隙结构,提高固化的黄土抗压强度㊂因此,从本试验来看,固化黄土的水玻璃模数一般应为1.2㊂3㊀结㊀论1)采用地聚物固化黄土后,其最大干密度相较素黄土最少降低7.2%,最佳含水率大部分大于素黄土㊂随赤泥掺量增加,固化黄土最大干密度增加,最佳含水率减小;当水玻璃模数大于1.2时,随水玻璃模数增加,固化黄土的最大干密度减小㊂2)地聚物固化黄土试块质量损失率随冻融次数的增加而增大,与素黄土相差不大,但抗冻性能明显优于素黄土;地聚物固化黄土试块的无侧限抗压强度均大于素土试块,强度可达0.7MPa;3)固化黄土试块的无侧限抗压强度均随赤泥掺量的增加而降低;无侧限抗压强度均随冻融循环次数增加而降低,强度降幅达39%~75%;前4次冻融循环试块抗压强度降低迅速,达到最低;相较冻融前,强度最多可降低55%;冻融4次~10次,无侧限抗压强度先增大之后趋于稳定,但此时的固化黄土强度最大仅能达到冻融前强度的68%左右㊂当水玻璃模数大于1.2时,随水玻璃模数增加,无侧限抗压强度存在不同程度的降低㊂4)当赤泥掺量为50%㊁水玻璃模数为1.2㊁水玻璃掺量46.8%时,赤泥矿渣基地聚物固化黄土的最具有较高的抗冻性能㊂参考文献[1]㊀LIU Z,CAI C S,LIU F Y,et al.Feasibility study of loess stabilization with fly ash-based geopolymer[J].Journal of Materials in CivilEngineering,2016,28(5):04016003.[2]㊀WANG F Y,PANG W C,QIN X Y,et al.Durability-aimed design criteria of cement-stabilized loess subgrade for railway[J].AppliedSciences,2021,11(11):5061.[3]㊀侯㊀鑫,马㊀巍,李国玉,等.冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响[J].冰川冻土,2018,40(1):86-93.HOU X,MA W,LI G Y,et al.Effects of freezing-thawing cycles on mechanical properties of loess solidified by sodium silicate[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2018,40(1):86-93(in Chinese).[4]㊀SINGH S,ASWATH M U,RANGANATH R V.Effect of mechanical activation of red mud on the strength of geopolymer binder[J].Construction and Building Materials,2018,177:91-101.[5]㊀王永宝,原㊀元,赵人达,等.赤泥地聚物混凝土力学性能研究现状及发展趋势[J].材料导报,2020,34(15):15102-15109.WANG Y B,YUAN Y,ZHAO R D,et al.Research status and development trend of mechanical properties of red mud geopolymer concrete[J].Materials Reports,2020,34(15):15102-15109(in 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mechanical properties of lime modified loess under freeze-thaw cycle[J].China Civil Engineering Journal,2019,52(supplement1):211-217(in Chinese).[10]㊀武㊀昕.冻融循环下二灰改良黄土强度特性研究[D].西安:西安工业大学,2020.WU X.Study on strength characteristics of lime-fly ash improved loess under freeze-thaw cycle[D].Xi an:Xi an Technological University, 2020(in Chinese).[11]㊀郑永杰,张㊀翛,雒志利,等.冻融循环下相变材料改良黄土路基物理力学特性研究[J].公路,2022,67(8):36-43.ZHENG Y J,ZHANG X,LUO Z L,et al.Physical and mechanical properties of loess subgrade improved by phase change materials under freeze-thaw cycles[J].Highway,2022,67(8):36-43(in Chinese).㊀第4期郭㊀强等:赤泥-矿渣基地聚物固化黄土冻融后力学特性研究1489 [12]㊀YANG W,LIU H,ZHU P H,et al.Effect of recycled coarse aggregate quality on the interfacial property and sulfuric acid resistance ofgeopolymer concrete at different acidity levels[J].Construction and Building Materials,2023,375:130919.[13]㊀吕擎峰,刘鹏飞,吴朱敏,等.复合改性水玻璃固化黄土冻融特性试验研究[J].科学技术与工程,2014,14(31):95-99.LYU Q F,LIU P F,WU Z M,et al.Study on the peculiarity of loess 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Urban-Rural Development of the People s Republic of China.Standard for geotechnical test methods:GB/T50123 2019[S].Beijing:China Plan Publishing House,2019(in Chinese).[18]㊀夏揆华.承载比试验中最佳含水率试件制作研讨[J].低碳世界,2022,12(4):193-195.XIA K H.Discussion on making the best water content specimen in bearing ratio test[J].Low Carbon World,2022,12(4):193-195(in Chinese).[19]㊀胡永亮.压实度和含水率对红黏土无侧限抗压强度的影响研究[J].北方交通,2023(7):41-43+48.HU Y L.Research on the influence of compaction degree and moisture content on the unconfined compressive strength of red clay[J].Northern Communications,2023(7):41-43+48(in Chinese).[20]㊀李宝平,平高权,张㊀玉,等.平面应变条件下冻融循环对黄土力学性质的影响[J].土木与环境工程学报,2021,43(2):41-48.LI B P,PING G Q,ZHANG Y,et al.Effects of freeze-thaw cycles on mechanical properties of loess under plane strain[J].Journal of Civil and Environmental Engineering,2021,43(2):41-48(in Chinese).[21]㊀刘乐青,张吾渝,张丙印,等.冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究[J].水文地质工程地质,2021,48(4):109-115.LIU L Q,ZHANG W Y,ZHANG B Y,et al.Effect of freezing-thawing 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冻融作用下黄土的压缩特性研究摘要黄土重要的力学特性之一就是压缩性，压缩特性是季节性冻土区黄土工程设计的重要依据。

现有研究表明，冻融循环会导致黄土压缩性增大，本文主要研究不同含水率、冻结温度、冻融循环次数下，冻融循环对黄土压缩特性的影响。

通过整理与总结大量研究，笔者发现黄土的压缩性随着冻结温度的降低而增大，含水量和冻融循环次数与压缩系数正相关，可利用上述关系的相关模型，对季冻区黄土工程冻害防治提供理论依据。

关键词冻融循环；含水率；黄土；压缩特性引言黄土在我国具有广泛的分布，其主要集中在西北、华北地区，该地区大部分均处于季节性冻土区。

当在季冻区进行黄土工程活动时，必须考虑冻融循环对黄土压缩性的影响。

有研究表明，冻融作用会破坏黄土颗粒间的胶结作用，使土颗粒间发生相对位移。

从宏观上看，土体就发生了压缩变形。

目前，对于季冻区黄土压缩特性的研究方面也取得了一些进展。

周志军等通过试验可得，冻融循环后黄土压缩性较未冻结土样强，且随着冻结速度的增大，土样的压缩模量增大。

冻结温度越低，冻融后压缩性越大，融化温度对压缩性基本无影响[1]。

郑林春对黄土的地质时代、成因、微结构、成分及其他影响因素进行剖析，得出了不同黄土具有不同压缩变形特性的结论[2]。

本文主要针对季冻区黄土施工建设中遇到的黄土工程问题，通过研究冻融过程中冻结温度、土样含水率、冻融循环次数等因素对黄土压缩性的影响，为冻融导致的季冻区黄土岸坡工程的冻害问题提出可行性的建议。

1 冻融黄土压缩特性主要影响因素及其研究进展1.1 冻结温度为了研究冻融作用下黄土的压缩变形参数，现有研究均主要考虑压缩系数与冻结温度的关系。

例如王瀚[3]对不同温度下原状黄土的固结压缩实验，实验控制土样含水率为25%，冻结温度分别控制为-5℃、-10℃、-10℃，不同冻结温度下的压缩系数分别0.35MPa-1、0.39MPa-1、0.42MPa-1，通过实验数据我们不难看出，不同含水率的试件其压缩系数随着冻融温度降低均存在增大的趋势。

冻融作用对黄土物理性质影响研究综述
占世源;闫垒;仇楠;胡月
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2018(037)025
【摘要】我国黄土总面积达63.1万平方公里,该数据远超其他国家,由此也带来许多问题,特别是冻融作用对黄土工程性质产生的不良影响,该作用会对工程产生巨大影响,是黄土工程产生冻害的主要原因.冻融作用会影响黄土中水分的分布,改变黄土的饱和度,给土体带来沉降和变形.从本质上说,冻融作用会在一定程度上破坏黄土结构,从而引发黄土物理性质发生改变.本文通过分析和整理冻融作用对黄土影响的相关文献,针对目前研究现状、存在的问题和发展趋势,归纳其中共同点,总结其中存在规律,从而对冻融领域未来做出展望.
【总页数】2页(P259-260)
【作者】占世源;闫垒;仇楠;胡月
【作者单位】宁夏大学土木与水利工程学院,银川750021;宁夏大学土木与水利工程学院,银川750021;宁夏大学土木与水利工程学院,银川750021;宁夏大学土木与水利工程学院,银川750021
【正文语种】中文
【中图分类】U416.1+11
【相关文献】
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5.冻融作用对原状黄土抗剪强度的影响规律 [J], 李双好; 李元勋; 高欣亚; 石冬梅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

冻融循环对黄土强度影响研究综述黄土是一种在寒冷地区常见的地质材料，其性质及强度受冻融循环的影响较大。

冻融循环对黄土强度的影响是一个复杂的过程，本文将对相关研究进行综述。

冻融循环对黄土的强度影响主要体现在以下几个方面。

首先是黄土的抗剪强度，冻融循环会导致黄土内部的冰结构破坏，从而减小其抗剪强度。

其次是黄土的抗压强度，冻融循环会引起黄土中的微裂纹扩展，使其抗压强度下降。

冻融循环还会对黄土的渗透性和吸力等性能产生影响。

关于冻融循环对黄土强度影响的研究主要分为室内试验和现场观测两方面。

在室内试验方面，研究者通常通过模拟黄土在不同温度下的冻融循环过程，测定黄土的物理力学性质变化。

研究发现，冻融循环会导致黄土的抗剪强度和抗压强度下降，且随着冻融次数的增加，强度下降的趋势更加明显。

冻融循环还会使黄土的渗透性增加，吸力减小。

在现场观测方面，研究者通常选择一些寒冷地区的工程项目，对黄土进行长时间的冻融循环观测。

观测结果显示，黄土在冻融循环作用下，其抗剪强度和抗压强度呈现下降的趋势。

值得注意的是，现场观测往往受到多种因素的影响，比如温度变化、湿度变化、加重荷载等，因此研究者通常会对数据进行分析和处理，以排除其他因素的影响。

一些研究还探讨了冻融循环对黄土强度的恢复性影响。

研究发现，经过冻融循环后，黄土的强度并不会完全恢复，其恢复程度与冻融循环次数、循环温度等因素有关。

研究还发现，在一定范围内，恢复周期对黄土的强度恢复有重要影响，即循环时间更长，则黄土的强度恢复越好。

冻融循环对黄土的强度影响是一个复杂的过程，受多种因素的共同作用。

研究发现，冻融循环会导致黄土的抗剪强度和抗压强度下降，同时使其渗透性增加、吸力减小。

而黄土的强度恢复性较差，冻融循环后其强度并不会完全恢复。

现有的研究中还存在一些问题，比如样品选择不一致、试验参数设置不准确等，因此还需进一步的研究来完善和深入理解冻融循环对黄土强度的影响。

冻融循环作用下黄土物理性质变化规律黄土作为特殊土之一,在我国的中西部季节性冻土区广泛分布,是该地区常用的建筑材料。

如土坝、堤防、路基、边坡等都是黄土构筑物。

但季节性冻土地区的黄土构筑物在其运行期内,都不可避免的要经受冻融循环作用。

强风化的冻融循环过程强烈的改变着土的结构性,是导致寒区黄土物理力学性质劣化的重要原因之一。

我国经济的飞速发展与西部大开发战略的提出,势必带来大量的寒区黄土工程建设。

深入研究冻融循环对黄土物理力学性质影响的规律势在必行。

目前,冻融对黄土物理性质影响规律的研究已比较深入。

但长期冻融循环对土物理性质影响的研究较少,有待进一步系统研究。

本论文依托国家自然科学基金项目《黄土工程性质劣化机理与构筑物寿命预测研究》(N0. 50779058)与中科院冻土工程国家重点实验室开放基金项目《反复冻融循环对黄土工程性质影响规律与定量化描述研究》(SKLFSE200803),对杨陵Q3黄土在反复冻融循环后的物理性质变化规律进行了较为深入的研究。

主要研究成果为:(1)对黄土进行了封闭系统下的冻融循环试验,结果表明,黄土在冻融过程中并不单一的冻胀融沉。

在冻结过程中,土体普遍表现为在“先胀后缩”。

融化过程中,土体体变曲线线形随试样的初始状态与冻融循环次数变化而改变;初始含水率越高,冻融破坏作用越剧烈;密实的土样始终存在“先胀后缩”,较松散土样体变在冻融循环后期的融化过程中则由冻融循环初期的“先胀后缩”转变为“单调融胀”。

(2)对封闭系统下土体的冻胀变形与融沉变形进行了研究分析,试验表明:密实的土样冻融循环过程中冻胀变形与融沉稳定变形随冻融循环次数增加累积增加,且土体初始含水率越高,土体变形量也越大;最优含水率下,冻融循环后试样冻胀与融沉变形量随干密度增加有先升高后降低的趋势;冻融循环对松散的土样有固结作用。

在10个循环周期内冻融破坏作用最强,土体变形最为剧烈;30次循环后,土体逐渐趋于动态平衡。

对冻胀、融沉稳定变形与冻融循环次数之间线性关系进行拟合,并建立了经验数学公式。