冻融作用下纤维加筋固化盐渍土的抗压性能与微观结构

柴寿喜，张 琳，魏 丽，田萌萌

（天津城建大学地质与测绘学院, 天津 300384）

受北方滨海地区的自然与地质环境影响，盐渍土易发生冻胀与融沉、盐胀与溶陷工程危害，产生地基塌陷、路面起伏、开裂等一系列工程问题[1]，针对此问题已有众多学者开展了研究工作。魏丽等[2]、姜宇波等[3]以石灰固化盐渍土的无侧限抗压试验与三轴压缩试验，证实增加石灰掺量可提高盐渍土的强度和水稳定性，且石灰固化土的强度可满足高速公路和一级公路底基层的强度要求。齐吉琳等[4]试验分析冻融土的物理性质、力学性质及变化机理，认为冻融改变了土的结构，其内部应力导致土骨架的膨胀与缩小。朱敏等[5]、吕前辉等[6]通过测试聚丙烯纤维加筋土的抗压强度、抗剪强度与变形性能，认为在最优含水率附近，纤维加筋土的抗压性能和抗剪性能最优。唐朝生等[7]、徐敏普等[8]分析纤维加筋的增强机理，发现纤维加筋显著提高了土的峰值强度，并提升了土的残余强度。陈诚等[9]以扫描电镜试验观察木质素纤维改良土，发现纤维在土中搭建了三维网架结构，使土的孔隙减小，增强了土颗粒间的联结力，降低了冻融对土的损伤。袁志辉等[10]通过核磁试验发现随干湿循环次数增加，土颗粒分散，颗粒间距增加，颗粒间连接方式由面/面转变为面/边、面/角接触，孔隙增多。安爱军等[11]、吕擎峰等[12]通过联合运用核磁共振与扫描电镜技术，分析固化前后土的孔隙变化及分布规律，固化后土呈蜂窝状、骨架状、海绵状等混合结构，颗粒间的胶结程度增强，孔隙连通性下降，有效抑制了土的胀缩。丁建文等[13]、张英等[14]采用压汞法研究固化土的孔隙变化，对比了固化土的孔隙结构、体积及分布特征。

目前，固化土的力学性能与微观结构研究成果较多，但针对冻融后纤维加筋固化盐渍土的抗压强度与孔隙特征之间的相关性、抗冻融性能及其变化规律还需要系统探索。据此，开展了冻融作用下的石灰固化盐渍土、纤维与石灰加筋固化盐渍土的无侧限抗压试验，以研究不同压实度条件下土的抗压性能和抗冻融性能；借助扫描电镜、核磁共振、压汞试验，研究冻融前后2 种土的孔隙特征及变化规律；建立宏观力学指标与微观结构指标间的相关关系，以探寻纤维加筋对提高固化土的抗压性能和抗冻融性能的积极作用。研究成果可为北方盐渍土地区的工程建设提供技术指导。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

实验用土取自天津滨海新区独流减河东风大桥处。盐渍土的物理性质指标为：风干含水率2.8%，含盐量2.9%，液限29.6%，塑限17.6%，塑性指数12，最优含水率16.8%，最大干密度1.73 g/cm3。

熟石灰的主要成分为Ca(OH)2，质量分数为90%。选择石灰掺加量为干土质量的6%、8%和10%。

聚丙烯纤维丝的物理力学指标为：密度0.91 g/cm3，直径20 μm，导热性极低，弹性模量3 500 MPa，抗拉强度500 MPa，断裂延伸率15%。

1.2 制样与养护

纤维加筋长度为试样直径的1/3[15]。将盐渍土风干、碾碎，过1 mm 筛。将土与聚丙烯纤维拌和均匀，额外掺加石灰质量分数为20%的水[16]，加水后再次均匀拌和，装入密闭塑料袋，浸润24 h。制样前，掺入石灰，再次将混合料拌和均匀。

制样筒内壁涂抹黏稠油脂，避免在脱模过程中破坏试样。采用双向静压法，分3 层装入混合料。每次压实后用刮土刀将其表面菱形刮毛，以免出现薄弱面。在制样筒内静置试样10 min，缓慢推出。将试样放入恒温恒湿养护箱养护28 d。

试样直径61.8 mm、高度125 mm；聚丙烯纤维长度19 mm、质量加筋率0.2%；以最优含水率和90%、93%和96%压实度制样。制备未冻融试样各1 组、冻融试样各15 组，每组6 个试样。

冻融试验前，将试样包裹2 层保鲜膜，以免冻融过程中水分流失。

1.3 试验条件与试验设备

天津市近50年气象资料显示，天津冬季最低气温-18℃，春季平均气温20 ℃。为此设定冻融试验的冻结温度-20 °C、融化温度20 °C；冻结12 h 并融化12 h 为1 次冻融；冻融次数为0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15。

使用冻融试验箱（型号DR-2A）进行冻融试验、无侧限抗压试验仪（型号CBR-2）进行抗压试验，量力环系数31.424 N/0.01 mm，试验速率1 mm/min；使用Leica QWin5000 图像处理软件分析土的微观结构图像；由核磁共振成像分析仪（型号MesoMR23-060H-I）完成核磁共振试验；使用全自动压汞仪（型号Auto Pore lv9500），获得土的孔径与孔隙数值。

2 2 种土的冻融试验结果

2.1 优选石灰掺量

课题组的前期试验结果证实[17]，6%是石灰掺量下限值，因此分别以石灰掺量6%、8%和10%固化盐渍土。图1 为石灰掺量6%、8%和10%固化土的应力-应变曲线。

图1 3 个石灰掺量固化盐渍土的应力-应变Fig.1 Stress-strain curves of lime-soil with three lime content

固化土的轴向应力均随石灰掺量增加而升高。应力达到峰值后，石灰掺量6%和8%的固化土抗压强度逐渐下降，且具有一定的残余强度；石灰掺量10%固化土的轴向应力达到峰值后急剧下降为零。石灰与土颗粒、水、CO2发生化学反应，在土中形成胶凝材料和较大团聚体，使得土的抗压强度与抗变形性能增强。适宜石灰掺量为8%。

2.2 抗压强度

以石灰掺量8%、聚丙烯纤维长度19 mm、质量加筋率0.2%为条件，制备石灰固化盐渍土和纤维与石灰加筋固化盐渍土。图2 为压实度90%、93%和96%的石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压强度随冻融次数变化曲线。纤维与石灰加筋固化土的抗压强度均大于石灰固化土，掺加纤维提高了土的抗压强度。冻融1～3 次，石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压强度降幅最大；冻融4～7 次，降幅减小；冻融8～10 次，降幅趋缓；冻融11～15 次，抗压强度逐渐稳定。

图2 2 种土在3 个压实度下抗压强度随冻融次数的变化Fig.2 Unconfined compressive strength of lime-soil and fiber-lime-soil in three compactness vs freezing-thawing cycle

3 个压实度石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压强度下降率（与未冻融土的抗压强度相比）如图3 所示。

图3 2 种固化土的抗压强度随冻融次数的下降率Fig.3 Decrease rate of the compressive strength of lime-soil and fiber-lime-soil with freezing-thawing cycle

随冻融次数增加，抗压强度的下降率增大，下降率的变化规律与抗压强度变化规律一致。纤维与石灰加筋固化土的下降率低于石灰固化土，其抗冻融性能优于石灰固化土。

在冻融作用下，孔隙水经历了水-冰-水的循环过程，土颗粒之间的粘结作用降低，试样内部孔隙增多并出现微裂隙，导致试样结构破坏，强度大幅下降[18]。纤维在土中随机分布与交织分布，纤维与土的摩擦作用和纤维对土的空间约束作用限制了土的冻胀变形破坏程度。

2.3 轴向应力-轴向应变

冻融0，1，2，5，7，10，12，15 次，压实度90%、93%和96%的石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的轴向应力-轴向应变曲线见图4。

对比图4，冻融作用下，压实度90%、93%和96%石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的轴向应力-轴向应变的变化规律基本一致。

图4 不同冻融次数时2 种土在3 种压实度下的轴向应力-轴向应变Fig.4 Axial stress-axial strain curves of lime-soil and fiber-lime-soil in three compactness of different freezing-thawing cycles

随应变增加，2 种土的应力增大，应力达峰值后，试样发生不同程度的破坏；应变继续增加，峰值应力下降，最后逐渐平缓。纤维与石灰加筋固化土的应力均大于石灰固化土，残余强度降幅较小。这表明，掺加纤维提高了冻融土的韧性。压实度96%纤维与石灰加筋固化土的抗变形性能最好，压实度90%石灰固化土的最差。

相同冻融次数，随压实度增大，2 种土的峰值强度增加，轴向应力-轴向应变曲线的斜率增大，纤维与石灰加筋固化土的峰值应力大于石灰固化土。压实度越大，土颗粒与纤维的摩擦力和联结力越大。纤维加筋有效约束了土颗粒位移，限制了土的变形，减弱了冻融对土的劣化作用。

相同压实度，随冻融次数增加，石灰固化土的峰值应力减小，冻融降低了土的强度，使得土逐渐趋于塑性破坏，水分不断迁移，土颗粒的排列方式被破坏，降低了土的抗变形性能。冻融前期，强度下降明显；冻融后期，土颗粒间的联结达到新的平衡状态，此时土的变形破坏程度减弱。

2.4 试样的破坏形态

冻融0，1，2，5，7，10，12，15 次2 种土试样的抗压破坏形态如图5 所示。随冻融次数增加，土的强度减弱，破坏程度增加。未冻融石灰固化土出现贯通裂隙，破坏程度较为严重；冻融1～3 次，试样裂隙增多，边角掉落碎渣，强度大幅下降；冻融4～7 次，裂隙变宽，试样有部分碎渣掉落，强度降幅减小；冻融8～10 次，试样掉落碎渣明显增多，强度缓慢下降；冻融11～15 次，试样多贯通裂隙，裂隙处片状剥落增多，完整性较差。

图5 不同冻融次数石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土试样的抗压破坏形态Fig.5 Failure patterns of the lime-soil and fiber-lime-soil under different freezing-thawing cycles

纤维与石灰加筋固化土裂隙较窄且数量较少，破裂面呈现“裂而不断”及表面“起皮”现象，边角完整性较好。这表明掺加纤维减少了裂隙数量，减小了裂隙宽度，改变了裂隙发展方向，降低了裂隙贯通率，弱化了土的冻融破坏作用，提升了土的强度与抗变形性能。

3 土的孔隙分布特征

3.1 扫描电镜试验

对比石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土试验结果，掺入纤维后，土的冻融损伤减弱，抗变形性能提高。石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的扫描电镜微观形貌如图6 所示。

图6 石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的扫描电镜影像Fig.6 SEM images of the lime-soiland the fiber-lime-soil

未冻融的土颗粒间的胶结与整体性较好，冻融1～3 次，孔隙开始发育，整体性变差；冻融4～7 次后，孔隙明显增大，贯通孔隙增加；冻融8～10 次，碎渣增多，破坏程度较大；冻融11～15 次，裂隙明显增多且增宽。说明随冻融次数增加，试样微观上破坏增强；宏观上表现为冻融对力学性质的劣化影响，即冻融次数增加，试样的抗压强度降低，裂缝逐渐增大。

纤维深埋于土中，表面粘附有石灰固化土团粒，周围被土颗粒包裹、挤压，可有效阻止土颗粒位移与变形，因此提高了石灰固化土的力学性能，增强了土的强度与稳定性。纤维在土中呈纤维交织和筋土摩擦2 种分布形式。加筋土受外力作用时，纤维的空间约束作用和筋土摩擦作用使土中的裂隙很难发育，且对裂隙的扩展起到抑制作用。

3.2 核磁共振试验

冻融0，1，2，5，7，10，12，15 次、3 个压实度石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土孔隙半径与孔隙体积占比之间的变化曲线如图7 所示。

图7 3 种压实度石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的孔隙半径与孔隙体积占比Fig.7 Pore radius vs pore volume of the lime-soil and the fiber-lime-soil with three compactness under some freezing-thawing cycles

2 种固化土的孔隙半径集中在 0.01～10 μm。可按孔隙半径划分4 类孔隙：微孔隙（0 μm＜d≤1 μm）、小孔隙（1 μm＜d≤3 μm）、中孔隙（3 μm＜d≤10 μm）、大孔隙（10 μm＜d≤100 μm）。

石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的孔隙半径与孔隙体积占比曲线呈3 峰分布：随冻融次数增加，波峰持续向右移动，主峰（波峰1）向下移动，次峰（波峰2 和波峰3）向上移动。说明微孔隙和小孔隙减少，中孔隙和大孔隙增加，大孔隙增加幅度小于中孔隙。孔隙体积占比（百分比）见表1。

表1 不同冻融次数3 个压实度2 种土的孔隙体积占比Table 1 Volume proportion of the lime-soil and fiber-lime-soil in three compactness under some freezing-thawing cycles /%

试样以微孔隙为主，存在部分中孔隙和较少大孔隙。冻融1～3 次，微孔隙和小孔隙较快减少，中孔隙和大孔隙较快增加；冻融4～7 次，微孔隙和小孔隙缓慢减少，中孔隙和大孔隙缓慢增加；冻融8～10 次，微孔隙和小孔隙较慢增加，中孔隙和大孔隙较快减少；冻融11～15 次，孔隙变幅平缓。

压实度增大，微孔隙体积占比增加，大孔隙体积占比减小，孔隙体积占比整体变幅减慢。压实度相同，随冻融次数增加，强度逐渐减小，微孔隙和小孔隙体积逐渐减小，中孔隙和大孔隙体积均增大，且大孔隙体积占比增幅最小。不同冻融次数，压实度增大孔隙体积减少；相同冻融次数，纤维与石灰加筋固化土的孔隙体积占比均小于石灰固化土，表明掺加纤维有助于减少孔隙体积，孔隙变化规律与力学特征变化规律相吻合。

原因是，冻融破坏了土颗粒的排列形式，使试样裂隙扩张或贯通。小孔隙不断扩展，逐渐转化为中孔隙和大孔隙。压实度较大，土颗粒联结紧密，阻碍土中水的迁移，有效抑制了冻胀[19]。

3.3 压汞试验

冻融0，1，2，5，7，10，15 次石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的孔隙分布特征如图8 和图9 所示。试样的孔隙直径为0.005～100 μm。图8（a）和图9（a）中，d≤0.1 μm 的孔隙体积累计曲线较陡，该区间孔隙较多；0.1 μm＜d≤10 μm 的孔隙体积累积曲线较平缓，该部分孔隙较少；10 μm＜d≤100 μm 的孔隙体积累计曲线最平缓，>10 μm 的孔隙更少。冻融15 次石灰固化土孔隙总体积达0.17 mL/g，为最大值。

图8 不同冻融次数石灰固化土孔隙分布特征Fig.8 Pore distribution characteristics of the lime-soil under different freezing-thawing cycles

图9 不同冻融次数纤维与石灰加筋固化土孔隙分布特征Fig.9 Pore distribution characteristics of the fiber-lime-soil under different freezing-thawing cycles

鉴于某孔径孔隙体积曲线有4 个明显区间，据此将孔隙划分4 类：微孔隙（0.005 μm＜d≤0.04 μm）、小孔隙（0.04 μm＜d≤0.5 μm）、中孔隙（0.5 μm＜d≤10 μm）、大孔隙（10 μm＜d≤100 μm）。

随冻融次数增加，石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的孔径均增大，峰值和峰宽总体呈下降趋势。微孔隙曲线形状和位置变化较小，小孔隙、中孔隙和大孔隙曲线的峰值和峰宽变化较大，表明冻融对微孔隙影响较小，对大孔隙影响较大，对小孔隙和中孔隙影响最大。

随冻融次数增加，固化土的孔隙直径增大，孔隙总体积增加。冻融前后纤维与石灰加筋固化土进汞曲线的间隔距离小于石灰固化土，表明纤维加筋有效抑制了孔径增大和孔隙增加，改变了土的孔隙分布特征。随冻融次数增加，孔隙数量增多，经过反复冻融，小孔隙和中孔隙连通形成大孔隙，宏观上表现为土的强度下降，抗变形性能降低，这一结论与抗压试验得出的结果相吻合。

冻融0，1，2，5，7，10，15 次石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的孔隙指标见表2。

表2 冻融前后石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的孔隙指标Table 2 Pore indices of the lime-soil and fiber-lime-soil before and after freezing-thawing cycles

随冻融次数增加，土的孔隙率增加，孔隙率的增长率增大。冻融作用下纤维与石灰加筋固化土的孔隙面积、平均直径、孔隙率及孔隙率的增长率均小于石灰固化土。

冻融1～3 次，孔隙率快速增大；冻融4～7 次，孔隙率较慢增加；冻融8～10 次，孔隙率缓慢增大；冻融11～15 次，孔隙率快速增加。

随冻融次数增加，孔径和孔隙体积逐渐增大，孔隙更容易连通，土的结构损伤越来越严重[20]。宏观上表现为明显的变形破坏，裂隙逐渐增大，贯穿整个试样。冻融作用下，小孔隙逐渐扩展为大孔隙，且有新孔隙形成，孔隙率增大，土的抗变形性能降低。纤维与石灰加筋固化土孔隙率的增长率小于石灰固化土，表明纤维约束了大孔隙和裂隙的产生，减弱了冻融对土的结构破坏。

4 结论

（1）随冻融次数增加，石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压强度、孔隙体积、孔隙率均呈4 个阶段变化：冻融1～3 次，强度降幅最大，微孔隙和小孔隙较快减少，中孔隙和大孔隙较快增加，孔隙率快速增大；冻融4～7 次，强度降幅减小，微孔隙和小孔隙缓慢减少，中孔隙和大孔隙较慢增加，孔隙率较慢增加；冻融8～10 次，强度降幅趋缓，微孔隙和小孔隙缓慢增加，中孔隙和大孔隙较快减少，孔隙率缓慢增大；冻融11～15 次，强度和孔隙变化逐渐稳定，孔隙率快速增加。

（2）在任意冻融次数下，纤维与石灰加筋固化土的抗压强度均大于石灰固化土。随机分布与交织分布的纤维发挥着筋土摩擦与空间约束作用，增强了土的抗压强度和抗冻融性能，并提高了土的残余强度。

（3）随冻融次数增加，各孔隙组的占比发生变化。微孔隙和小孔隙体积占比减小，中孔隙和大孔隙体积占比增加。随压实度增大，微孔隙和小孔隙体积占比增加，大孔隙体积占比减小，其中大孔隙增加幅度小于中孔隙。

（4）纤维加筋抑制了土的孔径和孔隙体积的增加。纤维加筋使得土的孔隙面积、平均直径、孔隙率及孔隙率的增长率减小，减弱了冻融对土结构的破坏，并减小了土中裂隙的数量与宽度。