关于在冻融循环作用下，超吸水聚合物-玄武岩纤维改性黄土的工程性能及强化机理的研究

《Transportation Geotechnics》：Study on the engineering properties and reinforcement mechanisms of superabsorbent polymer-basalt fiber modified loess under freeze-thaw cycles

　　摘要：在季节性冻结地区，黄土路基经常受到冻融循环的破坏。在此过程中，冰水相变和水分重新分布可能会改变土壤结构，增加孔隙发育，并降低机械性能，从而影响路基系统的长期性能。本研究使用超吸水性聚合物（SAP）和玄武岩纤维（BF）共同改良黄土，并通过不固结不排水三轴试验、破坏模式观察、扫描电子显微镜（SEM）和定量图像分析来研究改良土壤的工程行为。试验结果表明，当BF含量为0.6%和SAP含量为0.75%时，改良效果最佳。随着冻融循环次数的增加，每种土壤类型的抗剪强度分两个阶段下降：在早期循环中强度迅速降低，随后下降速度放缓。经过12次循环后，未改良黄土、BF改良黄土和SAP-BF改良黄土的抗剪强度分别损失了19.90%、18.72%和12.62%。这表明SAP-BF改良黄土具有更好的抗冻融损伤能力。破坏模式观察显示，未改良黄土出现更多裂纹和结构松动，而SAP-BF改良的试样在循环过程中保持更完整的形状。微观结果进一步表明，BF和SAP共同形成了一个刚柔结合的加固结构：相对坚固的BF网络限制了裂纹扩展和颗粒位移，而SAP改性则与水分调节和孔隙结构调整有关。这两种效果的共同作用有助于维持土壤结构并提高用于季节性冻结地区路基的黄土的抗冻融能力。

引言：黄土在中国西北部广泛分布，尤其是在黄河中上游地区，常被用作交通基础设施的基础和路基材料[1]、[2]、[3]。这种土壤结构松散，孔隙较大，粘结力弱，具有明显的可压缩性，因此其结构对水分和温度变化反应强烈[4]、[5]、[6]。在季节性冻结地区，黄土路基在服役过程中会受到反复的冻融循环影响。当孔隙水冻结后又融化时，土壤可能会发生冻胀、冻胀沉降、水分重新分布、孔隙扩大以及颗粒间粘结力的减弱[7]。这些变化逐渐破坏了支撑黄土原始强度的稳定结构，降低了其抗剪强度、变形抗力及长期稳定性[8]、[9]、[10]、[11]。因此，对于在寒冷地区建设和使用的路基系统而言，提高黄土的抗冻融能力是必要的[12]、[13]。黄土在冻融循环下的劣化与孔隙水迁移和冰水相变密切相关[14]、[15]。在冻结过程中，部分孔隙水冻结成冰，体积膨胀会在土壤骨架内部产生局部应力并破坏颗粒间的接触；土壤融化时，融化的水通过孔隙网络流动，进一步削弱颗粒间的连接并改变局部水分状态[16]。经过多次循环后，原有的孔隙结构变得不稳定，大孔隙和裂纹更易形成[17]。这些颗粒和孔隙尺度的变化最终表现为抗剪强度、凝聚力、刚度和试样完整性的损失。近期研究还表明，冻融引起的劣化与机械荷载条件有关，并影响路基的长期性能[18]、[19]。这些发现强调了需要同时调节水分迁移和保持结构稳定的改良策略。传统的水泥基材料（如水泥、石灰和粉煤灰）已被广泛用于改良黄土等细粒土壤[20]、[21]、[22]，这些材料可以在土壤颗粒间形成硬化产物，提高土壤骨架的承载能力，但也会带来一些缺点：改良后的土壤可能变得更脆，变形能力降低，且固化过程通常需要时间；某些水泥基粘合剂还可能因碳排放和土壤化学变化带来环境问题[23]。对于暴露在冻融作用下的黄土，仅提高强度是不够的，因为水分迁移和孔隙损伤仍在继续[24]。因此，改良方法应结合结构加固和水分调节。纤维加固可以部分满足这些需求，因为纤维主要能提高土壤骨架的机械稳定性[25]、[26]、[27]；当纤维在土壤基质中随机分布时，可以通过裂纹桥接、互锁、拉伸约束和应力传递形成三维加固网络。纤维改良的土壤在达到峰值应力后通常表现出更好的延展性和更高的残余强度[28]、[29]。在各种纤维中，玄武岩纤维（BF）因其高抗拉强度、高刚度、化学稳定性和在恶劣环境条件下的耐久性而在岩土工程中受到越来越多的关注[30]；与其他常用纤维相比，BF在冻融条件下的加固效果更佳[31]。之前的研究表明，BF改良的材料在反复冻融循环中表现出更好的强度保持性和耐冻融性[32]。BF与黄土混合后，纤维与土壤颗粒相互作用形成空间加固骨架，该骨架可以分散外部应力，限制局部剪切带的形成，并在变形过程中保持试样的形状[33]。研究还发现BF能提高黄土等细粒土壤的抗剪强度、变形抗力和抗裂性[33]，但其控制冻融循环期间内部水分迁移的能力有限。单独使用BF可能不足以同时满足强度保持和抗冻融耐久性的要求。

复合加固方法（如BF和SAP的结合）越来越受到关注，因为单一改良剂难以同时改善强度、延展性、水分稳定性和抗冻融耐久性[44]、[45]、[46]。BF主要通过纤维桥接和拉伸约束提供机械加固，而SAP通过吸水作用调节水分和组织孔隙结构。因此，结合使用BF和SAP可能对提高黄土的抗冻融能力产生互补作用。然而，关于BF引起的结构加固和SAP引起的水分调节对冻融耐久性的联合效应尚未得到充分理解，尤其是在季节性冻结地区的黄土路基中。以往的研究主要集中在纤维加固或基于聚合物的水分调节上，对于冻融循环期间机械加固、水分调节和微观结构演变的耦合影响关注较少。因此，本研究通过三轴试验、冻融循环试验、破坏观察和SEM分析，研究了未改良黄土、BF改良黄土和SAP-BF改良黄土的改进机制。

土壤：本研究使用的黄土取自中国甘肃省兰州市城关区的一个建筑工地，深度约为3米。土壤呈黄褐色，结构松散，含有少量可见的孔隙。在制备试样之前，将采集的土壤风干、轻轻压实并通过2毫米筛网去除粗颗粒，以获得更均匀的材料。土壤的基本物理性质按照相关标准进行了测量。

应力-应变行为和最佳改良剂含量：第3.1节中的结果来自冻融循环前的试样。这些试验旨在确定优化混合物的最佳BF含量和SAP-BF混合比例，以便评估改良黄土的冻融耐久性。第3.2节讨论了冻融对这些混合物力学行为的影响。

宏观破坏特征：图15、图16和图17展示了不同冻融循环次数后未改良黄土、BF改良黄土和SAP-BF改良黄土的宏观破坏模式。三种土壤在剪切后的完整性不同程度。随着冻融循环次数的增加，未改良黄土出现了更多裂纹和变形。冻融循环前，试样主要表现出清晰的剪切破坏面；经过多次循环后，裂纹逐渐变宽。

结论：本研究考察了SAP-BF改良黄土在冻融循环中的力学响应和加固机制，主要结论如下：(1) BF在提高黄土抗剪强度方面起主要作用，单一纤维改良的最佳BF含量为0.6%；引入SAP后，加固效果得到增强，0.6% BF和0.75% SAP的组合效果最佳。(2) 反复冻融循环导致...

作者贡献声明：宁静伟负责撰写初稿和调查工作；郭忠群负责撰写、审稿和编辑以及概念构思；白瑞强负责撰写、审稿和编辑、监督以及资金获取；张明毅负责撰写、审稿和监督；钟满秋负责可视化处理。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了甘肃省科技计划（项目编号25JRRA486）、国家自然科学基金（项目编号42471164）和中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDB0950000）的支持。