冻融循环下水泥基泡沫轻质土刚度与强度劣化的本构模型研究及其在寒区路基中的应用

《Research in Cold and Arid Regions》：Constitutive Modeling of Cement-Based Foamed Lightweight Soil under Freeze-Thaw-Induced Stiffness and Strength Degradation

本研究针对寒区路基在冻融循环下易出现变形与结构损伤的工程难题，系统开展了水泥基泡沫轻质土（FLS）的力学性能与应力-应变行为研究。通过无侧限抗压强度（UCS）试验和Kondner双曲线模型分析，揭示了FLS强度与刚度随冻融次数和黏土含量增加的差异化劣化规律，并建立了考虑刚度衰减（ΔE）和强度衰减（Δq）的正比关系（R2=0.93）及损伤因子（D）的本构模型，为寒区路基工程提供了可靠的预测框架和耐久性提升策略。

　　

在我国华北北部等季节冻土区，严酷的冻融循环环境对道路路基的耐久性提出了严峻挑战。传统填筑材料在反复冻融作用下易产生变形和结构性损坏，缩短道路使用寿命。水泥基泡沫轻质土（Foamed Lightweight Soil, FLS）因其优异的保温隔热性、轻质高强及密度可调等特点，成为寒区路基工程中一种极具应用前景的材料。然而，FLS在冻融循环作用下的力学性能演化规律，特别是其刚度与强度的协同劣化机制，尚不明确，制约了其在高寒地区的精准设计与安全使用。此前的研究多集中于单一因素影响或简单的应力-应变曲线拟合，缺乏对冻融循环与材料组分（如黏土含量、湿密度）耦合作用下FLS本构关系的系统描述和预测模型。

为填补这一研究空白，由崔洪欢等人组成的研究团队在《Research in Cold and Arid Regions》上发表论文，聚焦于冻融循环诱发的水泥基FLS刚度与强度退化问题，开展了一系列精细的实验研究和理论建模工作。该研究旨在阐明FLS在冻融环境下的力学性能演变规律，并建立一个能够准确预测其应力-应变行为的本构模型，为FLS在寒区路基工程中的科学应用提供理论依据和实践指导。

研究人员主要采用了无侧限抗压强度（UCS）试验、应力-应变全曲线分析以及基于Kondner双曲线模型的归一化方法。研究选用了来自河北张家口某高速公路路基料场的黏性土作为主要土源，其塑性指数（Ip）为10。试验设计了16种不同的FLS配合比，系统考虑了四个湿密度水平（500, 600, 700, 800 kg/m3）和四个黏土掺量（0%, 20%, 30%, 40%），并固定粉煤灰掺量为10%。所有试件标准养护28天后，分别经受0、1、3、5、10、15次冻融循环，随后进行UCS测试和应力-应变关系测定。

3. 冻融循环下水泥基FLS的力学性能

3.1. 无侧限抗压强度

实验结果表明，FLS的UCS随冻融循环次数的增加而持续降低。湿密度是影响抗冻性的关键因素，湿密度为700 kg/m3的FLS经历15次冻融后，其UCS仍能保持在0.8 MPa（规范要求）以上，表现出良好的耐久性和经济性平衡。相比之下，湿密度为500 kg/m3的试件在15次循环后强度已低于此阈值。黏土含量则对FLS的抗冻性产生负面影响，黏土掺量越高，UCS下降越显著。当黏土掺量达到40%时，15次冻融后的UCS仅略高于0.8 MPa，耐久性堪忧。这归因于黏土部分替代水泥，减少了水化产物，增加了孔隙率，削弱了微观结构。

4. 寒区FLS路基在刚度-强度耦合退化下的力学行为

4.1. FLS对冻融循环的刚度响应

对应力-应变曲线的分析显示，所有FLS试件均表现出应变软化特性。随着冻融循环次数的增加，线性弹性阶段缩短，塑性变形提前出现，初始刚度（通过应力-应变曲线原点切线斜率确定的初始切线模量E₀）显著降低。刚度退化在冻融初期（1-5次循环）最为剧烈，之后趋于平缓。值得注意的是，强度退化（特别是残余强度）对黏土含量更为敏感，而刚度退化则与冻融循环引起的累积微结构损伤（孔隙扩大和微裂纹扩展）关系更密切，表明两者具有不同的劣化机制。

4.2. 冻融循环下FLS的应力-应变归一化

4.2.1. Kondner模型中的归一化因子选择

研究采用Kondner双曲线模型对FLS的应变硬化型强度衰减（Δq，定义为未冻融试件与经历冻融循环试件在同一应变水平下的强度差）行为进行归一化分析。发现强度衰减Δq与轴向应变ε之间呈现明显的双曲线关系。

4.2.2. FLS应力-应变行为的归一化及预测方程的建立

通过线性回归确定了双曲线参数，并计算出相应的弹性模量衰减ΔE和极限强度衰减Δq。分析发现，ΔE与Δq之间存在强烈的正比例关系（ΔE = 214.76Δq, R2 = 0.93）。基于此，研究引入了一个与黏土含量（c）和冻融循环次数（n）相关的损伤因子（D = ΔE / E?，其中E?为未冻融试件的初始切线模量）。通过数据拟合，最终建立了能够同时考虑黏土含量和冻融循环次数影响的FLS应力-应变预测方程。利用该方程对不同配合比试件的应力-应变关系进行预测，结果与实验测量值高度吻合，验证了模型的有效性。

5. 结论

本研究通过系统的试验和理论分析，得出以下主要结论：

1. 1.
   FLS的无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而持续降低，其抗冻性受湿密度和黏土含量的显著调控。较高的湿密度（如700 kg/m3）有利于保持冻融后的强度，而过高的黏土含量（如40%）会加剧强度劣化。
2. 2.
   FLS在冻融过程中的强度退化和刚度退化机制存在差异。强度退化对黏土含量更敏感，而刚度退化则与冻融循环引起的微结构累积损伤密切相关，且在冻融初期退化最为显著。
3. 3.
   基于Kondner双曲线模型和归一化方法，成功建立了考虑弹性模量衰减（ΔE）和强度衰减（Δq）正比关系的FLS本构模型。引入的损伤因子（D）能够有效表征黏土含量和冻融循环次数对材料性能的耦合损伤效应，所提出的预测方程精度高，实用性强。
4. 4.
   为提高FLS在寒区应用的耐久性，建议优化配合比（如控制湿密度在700 kg/m3左右，限制黏土掺量≤20%），考虑添加硅灰等活性掺合料以改善孔隙结构，并加强早期养护。

该研究不仅深化了对水泥基FLS在冻融环境下力学行为劣化规律的认识，而且提供了一个可靠的预测工具，对于指导FLS在季节冻土区路基工程中的设计与施工，提升路基工程的长期稳定性和耐久性具有重要的理论意义和工程应用价值。