https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.104111

*論文版權(quán)歸原作者和出版方所有，本文僅為學(xué)習交流。

凍融交替會顯著改變細粒土的性質(zhì)，常常導(dǎo)致寒區(qū)渠堤、道路等回填基礎(chǔ)工程失效。為此，本研究采用水溶性陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）對細粒土——尤其是粉質(zhì)黏土——進行改良。論文系統(tǒng)分析了APAM聚合物對粉質(zhì)黏土在未凍及多次凍融循環(huán)下的物理-力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)特性的影響。通過設(shè)定不同摻量和凍融循環(huán)次數(shù)，開展Zeta電位、導(dǎo)熱系數(shù)、滲透、三軸壓縮及掃描電鏡（SEM）等系列試驗；并構(gòu)建單向凍結(jié)試驗，揭示APAM改良土的熱-水-力耦合過程。

結(jié)果表明：APAM的引入顯著提升了粉質(zhì)黏土的宏觀工程性能與微觀結(jié)構(gòu)特征，主要歸因于聚合物帶來的電荷中和、吸附架橋及疏水相互作用。然而，所有土樣在凍融循環(huán)中均出現(xiàn)性能劣化，尤以第3次循環(huán)后最為明顯；相較未處理樣，APAM改良樣表現(xiàn)出更優(yōu)的抗凍融穩(wěn)定性。單向凍結(jié)過程中，孔隙水因溫度梯度自未凍區(qū)向凍結(jié)鋒遷移，而改良樣的遷移量顯著低于未處理樣，當APAM摻量為0.30%時總凍脹量降低55.25%。研究成果可為寒區(qū)回填基礎(chǔ)工程的凍害防控提供技術(shù)依據(jù)，并加深對生態(tài)友好型APAM聚合物固化機制的理解。

圖 1 粉質(zhì)黏土顆粒級配曲線

圖 2 粉質(zhì)黏土礦物成分 X 射線衍射圖譜（主要礦物包括石英、鈉長石、方解石、綠泥石、伊利石和白云石）

圖 3 土壤改良劑 APAM 聚合物（外觀為白色顆?；蚍勰苡谒蟪拾胪该黟こ頎睿?/span>

圖 4 凍融循環(huán)試驗設(shè)備與流程示意圖（包含凍融箱、土樣制備、凍融循環(huán)試驗，以及后續(xù)的導(dǎo)熱系數(shù)測試、SEM 觀測、三軸壓縮試驗、滲透性測試），其中凍融循環(huán)參數(shù)為：凍結(jié)溫度 - 15℃/8h、融化溫度 20℃/8h，循環(huán)次數(shù)設(shè)為 0、1、3、6、9 次

圖 5 單向凍結(jié)試驗系統(tǒng)示意圖（包含位移傳感器、保溫棉、溫度傳感器、冷浴、凍結(jié)土樣、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、供水系統(tǒng)）

圖 6 不同 APAM 添加比例下漿液的 zeta 電位變化曲線

圖 7 各土樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線

圖 8 各土樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的滲透系數(shù)變化曲線

圖 9 不同 APAM 添加比例下土樣的偏應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線與破壞強度：(a) 不同 APAM 添加量和圍壓下的偏應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，(b) 不同 APAM 添加比例下土樣的破壞強度變化

圖 11 未改良土樣（T1）與 APAM 添加量 0.30% 的改良土樣（T4）在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗剪強度參數(shù)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）變化曲線（黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)下降，內(nèi)摩擦角呈線性下降）

圖 12 未改良土樣（T1）與 APAM 添加量 0.30% 的改良土樣（T4）微觀結(jié)構(gòu)特征（SEM 圖像，放大 500 倍）：(a) T1（未改良）：存在大量大直徑支架孔隙，顆粒以點 - 點、點 - 面接觸為主，結(jié)構(gòu)松散；(b) T4（改良）：支架孔隙顯著減少，形成大量團聚體，顆粒以面 - 面接觸和鑲嵌接觸為主，呈致密堆積結(jié)構(gòu)

圖 13 未改良土樣（T1）在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)變化（SEM 圖像，放大 500 倍）：(a) 凍融循環(huán) 1 次（N=1），(b) 凍融循環(huán) 3 次（N=3），(c) 凍融循環(huán) 6 次（N=6），(d) 凍融循環(huán) 9 次（N=9）（凍融循環(huán)導(dǎo)致土樣出現(xiàn)大量裂紋，孔隙增多，結(jié)構(gòu)愈發(fā)破碎）

圖 14 APAM 添加量 0.30% 的改良土樣（T4）在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)變化（SEM 圖像，放大 500 倍）（相較于 T1，T4 在相同凍融循環(huán)次數(shù)下的結(jié)構(gòu)破損程度更輕）

圖 15 未改良土樣（T1）與 APAM 添加量 0.30% 的改良土樣（T4）在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的表面孔隙率變化曲線（改良土樣表面孔隙率低于未改良土樣，且凍融循環(huán)導(dǎo)致的孔隙率增幅更?。?/span>

圖 16 未改良土樣（T1）與 APAM 添加量 0.30% 的改良土樣（T4）在單向凍結(jié)過程中不同深度處的溫度隨時間變化曲線（溫度變化分為冷卻階段和穩(wěn)定階段，T4 冷卻速率更快）

圖 18 不同 APAM 添加比例下土樣在單向凍結(jié)過程中的凍脹變形變化：(a) 凍脹變形隨時間變化曲線（分為原位凍脹和遷移凍脹），(b) 不同 APAM 添加比例下的原位凍脹量與遷移凍脹量對比

寒區(qū)渠堤與路基回填體在凍融循環(huán)中易生劇烈凍脹融沉，提升填料抵御凍害的能力成為工程安全的關(guān)鍵。本工作引入環(huán)境友好型 APAM 聚合物對粉質(zhì)黏土進行改性，借助多輪凍融試驗與單向凍結(jié)試驗，評價其抗凍融與抗凍脹表現(xiàn)，依據(jù)測試數(shù)據(jù)及分析獲得如下認識：

（1）摻入 APAM 后粉質(zhì)黏土工程性狀顯著優(yōu)化：土粒與聚合物鏈間的靜電作用使?jié){體 zeta 電位先降后升；APAM 經(jīng)氫鍵覆蓋于黏粒表面并橋接鄰近顆粒，生成團聚體，削減微孔隙占比，從而同步提高導(dǎo)熱率、滲透系數(shù)及力學(xué)指標。試驗表明，現(xiàn)場應(yīng)用時 APAM 的最佳摻量宜取 0.30%。

（2）凍融循環(huán)導(dǎo)致改性及原狀粉質(zhì)黏土微觀密實度均降低，工程性能隨之大幅衰退：三軸結(jié)果顯示，隨循環(huán)次數(shù)增多，各土樣黏聚力呈指數(shù)衰減，內(nèi)摩擦角線性減??；強度與結(jié)構(gòu)的弱化在第三次循環(huán)后最突出，此后衰減幅度趨緩。同時，APAM 的引入通過增強粒間咬合提升了粉質(zhì)黏土的凍融耐久性。

（3）單向凍結(jié)階段，土體溫度歷時曲線可劃分為降溫段與恒溫段；在溫度梯度驅(qū)動下，孔隙水自未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面運移，并于鋒面處聚集成冰透鏡，誘發(fā)凍脹；凍脹量顯著受供水狀況與 APAM 摻量控制，改性樣水分遷移量低于原狀樣，因而有效抑制了凍脹變形。

備注：論文及摘要等為論文原文的中文譯文，僅供快速參考；若遇語義或技術(shù)細節(jié)歧義，請以英文原文為準。完整研究內(nèi)容、參數(shù)取值及驗證數(shù)據(jù)請查閱原文。

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