冻融循环下砒砂岩填料的动态回弹模量劣化机制：实验与微观结构解析

针对季节性冻土区砒砂岩(PS)填料在重载与冻融(FT)耦合作用下的长期力学稳定性问题，研究人员通过循环加载试验和微观测试，揭示了动态回弹模量(MR)的劣化三阶段规律，建立考虑σ3、σd和f的多因素预测模型，首次发现首轮FT循环导致孔隙率激增47.73%的微观损伤机制，为寒区路基优化提供理论支撑。

　　

在广袤的鄂尔多斯高原，一种名为砒砂岩(PS)的特殊岩土材料正面临工程应用的困境。这种形成于中生代的碎屑岩，虽储量丰富且开采成本低廉，却因"遇水即溃"的脆弱特性闻名——其胶结程度低、结构稳定性差，尤其在季节性冻土区经历反复冻融(FT)循环时，力学性能急剧衰减。更严峻的是，随着晋陕蒙交界处煤炭运输需求的激增，采用PS填料的路基不仅要承受-20℃~15℃的剧烈温度波动，还需抵抗重载卡车带来的循环动应力(σ_d)。这种"冻融+重载"的双重夹击，使得PS路基的长期服役性能成为制约区域交通发展的关键瓶颈。

长安大学的研究团队通过系统的动态三轴试验和微观表征，首次揭示了PS填料动态回弹模量(M_R)的FT损伤规律。研究发现：当围压(σ₃)从30 kPa升至90 kPa时，M_R可提升2.13倍，证实了约束压力对材料刚度的增强作用；而随着σ_d从40 kPa增至80 kPa，M_R先增后降，呈现明显的应力阈值效应。最具颠覆性的发现来自微观尺度——扫描电镜(SEM)显示，首轮FT循环就使孔隙率暴增47.73%，导致胶结颗粒断裂、骨架结构坍塌，这与宏观上M_R首轮衰减率达63.2%的现象高度吻合。

研究团队创新性地引入灰色关联分析法，量化得出各因素对M_R影响的优先级：σ₃(0.812) > FT次数(0.761) > σ_d(0.703) > 荷载频率f(0.685)。基于此构建的预测模型，其决定系数R²高达0.941，能精准反映"快速衰减-缓慢衰减-稳定"的三阶段劣化规律。更值得关注的是，当FT循环达7次后，孔隙率增幅骤降至17.31%，与M_R进入稳定期的宏观现象形成微观印证，揭示了材料自适应的"损伤阈值"特性。

这项发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》的研究，不仅为寒区特殊岩土路基设计提供了量化工具，其提出的"胶结破坏-孔隙扩展-结构重组"损伤链机制，更深化了对土体FT损伤本质的认知。研究团队特别指出，在PS路基施工中，通过提高压实度至93%以上并控制含水率低于12%，可有效延缓FT损伤进程。这些发现对推动"砒砂岩变废为宝"的绿色工程实践具有重要指导价值，也为"一带一路"沿线寒区交通建设提供了新材料应用范式。