水泥-粉煤灰稳定有机土壤在冻融循环作用下的宏观与微观损伤机制

《Cold Regions Science and Technology》：Macro- and micro-damage mechanism of cement-fly ash stabilized organic soil under freeze-thaw cycles

本研究采用三轴与CT扫描结合的方法，分析水泥-粉煤灰稳定有机土壤（CFSOS）在冻融循环下的力学性能与微观结构演变。结果表明，20%水泥和5%粉煤灰配比时静态强度最高；冻融循环后，静弹性模量和动弹性模量显著下降，但阻尼比小幅上升；CT显示冻融循环导致边缘区域颗粒剥落和孔隙率对数增长。建立的退化模型为寒区基础设施耐久性评估提供依据。

　　

Jiling Zhao|Ping Yang|Dahu Rui|Jun Zhang|Xianwen Huang

河南工业大学能源科学与工程学院，中国河南省焦作市454000

摘要

本研究采用了一种综合实验方法，结合三轴试验和计算机断层扫描（CT）技术，研究了水泥和粉煤灰稳定有机土（CFSOS）在冻融循环（F-T-Cs）作用下的宏观和微观损伤机制，以直接关联宏观力学性能退化与微观结构演变。对于所测试的配方，当水泥含量为20%（C）和粉煤灰含量为5%（FA）时，CFSOS表现出最高的静态强度。静态弹性模量（S-E-M）和最大动态弹性模量（M-D-E-M）在第一次冻融循环后显著下降，随后随着循环次数的增加逐渐稳定，而阻尼比略有上升。CT分析表明，冻融循环主要导致试样边缘的微观结构损伤，表现为颗粒剥落和孔隙率的对数增长。我们建立了经验模型，用于预测在测试的冻融循环范围内最佳配比（20%C，5%FA）下S-E-M和M-D-E-M的退化情况。宏观和微观损伤变量均显示出随冻融循环次数增加而一致的变化趋势。这项工作为理解CFSOS在冻融循环中的损伤机制提供了全面的认识，对于季节性冻土地区此类材料的设计和耐久性评估具有重要的参考价值。

引言

有机土约占全球表面的5%至8%（Mesri和Ajlouni，2007），主要分布在中国东北部和青藏高原地区。由于其高含水量和高压缩性，有机土不适合作为直接的基础材料使用。然而，在寒冷地区，为了建设铁路、道路和路堤等基础设施，往往不可避免地需要在有机土上进行施工（例如，Picoux等人，2003；Wehling等人，2003；Santagata等人，2008；Shang等人，2016；Cao等人，2023；He等人，2023）。有多种方法可以处理有机土，包括稳定处理和轻质填充（Tastan等人，2011；Kalantari和Prasad，2014）。研究表明，使用水泥和粉煤灰进行稳定处理可以有效改善有机土的力学性能（Wong等人，2013；Oliveira等人，2014；Kang等人，2017；Badv和Hoseinpour，2018），因为水泥能够增强强度，而粉煤灰则促进二次火山灰反应（Mohamad等人，2014）。

然而，大多数现有研究仅关注在正常或短期条件下的力学性能改善，对于这种稳定土在季节性冻土地区反复经历冻融循环（F-T-Cs）这种关键环境载荷下的表现了解不足。特别是在季节性冻土地区，能够承受交通或地震载荷的基础设施至关重要。静态弹性模量（S-E-M）和动态弹性模量（D-E-M）是评估土壤稳定性的关键参数，它们受到冻融循环的显著影响（Qi等人，2008；Peppin和Style，2013）。以往的研究已经探讨了冻融循环对天然土和水泥处理土的影响（例如，Xu和Wang，2022；Wei等人，2015；Liu等人，2016；Liu等人，2018；Hazirbaba等人，2011；Li等人，2013；Lu等人，2019；Abbaspour等人，2020；Lin等人，2017；Lei等人，2019；Yang等人，2022；Wang等人，2020a）。

土壤性质变化的关键机制是由季节性冻土中的反复冻融循环引起的微观结构变化。因此，深入了解土壤的微观特性有助于理解其宏观力学特性。先前的研究者已经对冻融循环对土壤微观结构的影响进行了大量实验（Yao等人，2017；Zhang等人，2019）。例如，Starkloff等人（2017）使用X射线扫描仪研究了0次、1次、2次、4次和6次冻融循环后粉砂土和砂土的宏观孔隙结构，结果表明冻融循环对微孔隙率的减少有负面影响。

尽管冻融循环对天然土或水泥处理土的单独影响已有详细记录（例如，Qi等人，2008；Liu等人，2021），但冻融循环对CFSOS的宏观力学行为和微观结构完整性的影响仍不明确。此外，现有研究很少将宏观力学测试（如三轴试验）与微观结构可视化（如CT）相结合，以建立冻融循环下力学退化与微观损伤演变之间的直接联系。这一知识空白限制了我们对寒冷地区稳定土在冻融循环下损伤机制的基本理解和预测能力。因此，迫切需要一种综合的宏观-微观实验方法，能够定量关联循环冻融条件下的力学退化与微观结构演变。

本研究的主要创新之处在于采用了综合的宏观-微观方法来填补这一知识空白，具体包括：1）专注于研究CFSOS在冻融循环下的静态/动态（动态弹性模量和阻尼比）性能；2）将三轴试验数据与实时CT微观结构成像直接关联。这一框架为理解稳定土的冻融损伤机制提供了基础性的见解。为了解决上述研究空白，本研究旨在实现以下具体目标：1）评估CFSOS在冻融循环下的静态力学性能，并确定最佳稳定剂配比；2）研究CFSOS在冻融循环下的动态力学行为，并建立预测模型；3）利用CT成像技术表征CFSOS在冻融循环过程中的微观结构演变；4）建立宏观力学损伤与冻融循环引起的微观损伤之间的定量关联。这些目标通过结合三轴试验和CT成像的综合实验计划来实现，最终目的是全面理解CFSOS的宏观和微观损伤机制，并为季节性冻土地区稳定有机土的耐久性评估和配比设计提供实用的见解和预测工具，这是交通运输和岩土工程中的关键问题。

材料与试样制备

未扰动有机土的有机质和含水量存在显著不均匀性。例如，Leng（2011）发现中国东北部莫河和大庆地区的有机质含量在3%至60%之间，含水量在3%至356%之间。Liu（2006）在长白山地区的 Dashitou 镇、江源镇的 Hanconggou 和 Huangsongdian 镇等地对基础土进行了钻孔采样。

水泥和粉煤灰含量对应力-应变曲线及体积变化的影响

在恒定围压条件下，未经历冻融循环（对照试样）的情况下，测量了不同水泥和粉煤灰含量下CFSOS的应力-应变行为，以确定最佳混合比例，如图5(a)所示。峰值偏应力被视为静态强度。强度随添加到试样中的水泥和粉煤灰含量的不同而变化。

对于含5%粉煤灰的试样，强度与水泥含量成正比，表明

结论

本研究全面探讨了CFSOS在冻融循环下的损伤机制。其主要方法论优势在于采用了综合的宏观-微观实验框架，结合了静态三轴试验、动态循环三轴试验和CT测试。主要目标是确定最佳稳定剂配比，表征静态和动态力学性能的演变，以及量化微观结构损伤。本研究的主要贡献在于

作者贡献声明

Jiling Zhao：撰写初稿、可视化处理、验证、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析。 Ping Yang：撰写与编辑、监督、资源协调、方法论设计、资金获取、数据管理、概念构思。 Dahu Rui：撰写与编辑、验证、资金获取。 Jun Zhang：数据管理。 Xianwen Huang：资金获取、数据分析。

未引用的参考文献

Bao, 2008 Sargin, 1971

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系；我们对任何产品、服务或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文的观点或手稿的评审。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（批准号：52178337、42471155、52308367）和河南工业大学基本研究经费（批准号：NSFRF2502079）的支持。