《Engineering Geology》：Progressive modification of quartz sand under freeze-thaw weathering: Identification of critical particle size
编辑推荐：
石英砂在1000次冻融循环下呈现先粗化后细化的颗粒级配演变规律，临界粒径位于粗粉砂范围（0.01-0.05 mm），其动态平衡机制源于颗粒破碎与磨蚀的协同作用。微观形态分析显示角状颗粒通过选择性边缘磨蚀逐步趋向规则几何形态。研究揭示了冻融循环中石英砂的破碎供给行为，为寒区工程灾害预测提供微观结构依据。
刘琪|张泽|徐春风|严庆凯|王志远|张亚琪|张安德里|托尔戈夫金·尼古拉
东北林业大学土木工程与交通学院/寒区科学与工程研究所/永久冻土研究所/中俄寒区工程与环境联合实验室，哈尔滨，中国
摘要
冻融循环（FTCs）对寒冷地区砂土的力学稳定性有着深远影响，但控制其颗粒大小和形态演变的微观机制仍不甚明了。本研究探讨了经过1000次冻融循环后石英砂的破碎过程和形态变化。结果表明，冻融作用促使颗粒大小分布从粗化向细化转变。这一转变通过连续的颗粒破碎和磨损达到特定阶段的动态平衡。从形态上看，角状颗粒经历了选择性的边缘磨损，逐渐从角状转变为结构规则的几何形状。我们发现石英砂在冻融风化过程中的一个临界颗粒大小位于粗粉砂范围内（0.01–0.05毫米）。细化过程反映了晶格缺陷的逐渐减少，直到颗粒达到具有更强抗破碎能力的稳定尺寸。这些发现系统地阐明了石英砂在冻融风化下的颗粒破碎行为，并为改进寒冷地区冻融相关地质灾害的预测模型提供了微观结构基础。
引言
中国东北和西伯利亚的季节性永久冻土区域下蕴藏着大量的冰川河流和风成石英砂沉积物，这些沉积物是寒冷地区基础设施的重要岩土工程基础材料（Liu等人，2016；Liu等人，2023a；Liu等人，2023b；Quinteros等人，2025）。实地调查显示，这些地区经历了强烈的冻融循环（FTCs），每年包括30–50次日冻融循环和一次季节性深度冻融事件，导致石英砂持续风化（Ban等人，2017；Li等人，2015；Zhao等人，2023；Wang等人，2019；Wang等人，2024）。这种微观结构演变是严重岩土工程灾害的根本驱动因素，包括路基冻胀和浅层边坡失稳（例如，哈尔滨-大连高铁某段每年沉降5–8厘米）以及浅层边坡失稳（Altuhafi等人，2016；Bai等人，2024；Peng等人，2017；Wang等人，2022；Xiao等人，2019；Zhang等人，2021b）。现有研究中往往忽视了冻融循环对石英砂颗粒微观结构的影响。理解其演变行为不仅是土壤力学的研究内容，也是解决永久冻土地区特定工程问题的前提。
先前的研究部分阐明了石英砂在冻融循环下的关键演变特征。宏观上，循环风化使粗砂（0.5–2.0毫米）细化为中等/细砂（0.1–0.5毫米）甚至粉砂颗粒（0.002–0.05毫米），同时孔隙网络从“相互连接的宏观孔隙”转变为“分散的微孔隙”（Deprez等人，2020；Feng等人，2022；Park，2024；Zhang等人，2021a）。这些变化直接影响了基础设施稳定性的关键工程性质，包括水力传导性和冻胀敏感性（Shi等人，2024；Li等人，2023）（图1）。微观上，冻结过程中的水迁移（Rowe等人，2008）、冰晶生长（Lu等人，2023）以及颗粒重排（Zhang等人，2019）被认为是颗粒大小分布（GSD）变化和颗粒形态重塑（通过磨损和破碎）的核心驱动力（Ishikawa和Miura，2011；Liu等人，2023a）——最终影响土壤的力学行为（Lei等人，2022；Yu等人，2022）。技术上，X射线微计算机断层扫描（μCT）、动态图像分析和离散元建模（DEM）的进步使得能够定量描述颗粒形态（Jiang等人，2025；Naveed等人，2016；Yu等人，2021），并揭示了形态如何调节力学响应（Fang等人，2023；Flores-Johnson等人，2016；Gong等人，2019；Williams等人，2014）。此外，3D X射线成像还定性地观察到了冻融循环引起的颗粒边缘磨损和表面粗糙度降低（Górska等人，2023；Starkloff等人，2017；Fan等人，2023）。
当前研究中仍存在三个未解决的关键问题和限制，阻碍了对石英砂演变及其工程应用的全面理解（图2）：
- (a)
长期冻融循环的演变尚未得到充分量化：大多数研究集中在短期循环（≤500次FTCs）上，而长期循环（例如1000次FTCs）下石英砂的微观结构演变尚未量化。这一差距导致对石英砂长期稳定机制的理解不足。
- (b)
形态演变的系统量化不足：虽然存在对形态变化（如边缘磨损）的定性观察，但缺乏跨冻融循环的关键形态参数（如圆度、凸度、椭圆度）的阶段特定定量分析。传统的岩土工程分析将颗粒理想化为球形或规则几何形状（Cho等人，2006；Qi等人，2023a；Qi等人，2023b；Zhou等人，2024），忽略了真实砂粒形态的复杂性和动态演变。
- (c)
临界颗粒大小的定义和机制不明确：尽管先前的研究承认颗粒会分解为粉砂级组分（Chang等人，2019；Ma等人，2024），但“临界颗粒大小”——这一识别抗冻融稳定层及其长期循环演变模式的关键指标——尚未得到确认，且这一临界大小与石英内部结构（如晶格缺陷）之间的微观力学联系也尚未阐明。
尽管对冻融引起的土壤退化进行了大量研究，但长期冻融循环下石英颗粒的微观结构演变仍不清楚。本研究假设石英砂存在一个临界颗粒大小，低于该大小时颗粒破碎受到抑制。因此，我们设计了一个1000次循环的实验室测试，在受控冻融条件下量化颗粒大小演变和形态变化。旨在定量解决三个核心问题：（1）不同初始颗粒大小组分的GSD演变速率差异；（2）关键形态参数的阶段演变模式；（3）石英砂的临界颗粒大小。
实验部分
样品制备
石英砂样品的制备遵循中国标准GB/T17671–2021和GB/T50123–2019。首先对砂进行筛分，并根据不同的颗粒大小范围分为三组（A、B和C）：细砂（0.075–0.25毫米）、中砂（0.25–0.50毫米）和粗砂（0.50–2.00毫米）。每组中留出一批作为未经处理的对照组（D组）。A组、B组和C组的初始GSD统计信息总结在表1中。
颗粒大小组成的演变
经过多次冻融循环后进行了颗粒大小分析。A组的平均颗粒大小主要在0.16至0.18毫米之间，B组在0.35至0.40毫米之间，C组在0.9至1.5毫米之间。这一总体细化趋势证实了冻融循环导致颗粒向更小尺寸的破碎。
相应的峰度变化详见表5。A组从接近对称变为正偏度。B组始终表现出正偏度或强正偏度。C组则波动较大。
讨论
本研究观察到的石英砂冻融过程中的“先粗化后细化”和动态平衡特征与Deprez等人（2020）提出的岩石冻融渐进破碎机制既有相似之处也有显著差异。Deprez等人关注的是完整岩石，强调破碎直接导致颗粒大小细化。而本研究中松散石英砂的初始粗化现象是由于大颗粒的作用。
结论
本研究探讨了石英砂在最多1000次冻融循环下的颗粒大小和形态演变。主要结论如下：
- (1)
冻融循环导致石英砂颗粒大小从粗化向细化转变。
- (2)
形态演变遵循从角状到结构规则化的选择性磨损路径。
- (3)
冻融风化的临界颗粒大小位于粗粉砂范围内（0.01–0.05毫米）。
- (4)
临界颗粒大小反映了动态平衡
作者贡献声明
刘琪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据管理，概念构思。张泽：监督，资金获取，正式分析，数据管理。徐春风：可视化，研究，数据管理。严庆凯：可视化，资源提供。王志远：验证，软件应用。张亚琪：监督，资金获取。张安德里：监督，资金获取。托尔戈夫金·尼古拉：资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者非常感谢以下研究项目的支持：(a) 国家自然科学基金（编号41771078）。(b) 国家自然科学基金（编号42011530083）。(c) 科学技术基础资源调查计划（编号2022FY100702）。(d) 黑龙江博士后基金（编号LBH-24033）。
