同济大学/中科院西北院冻土国重室论文“阴离子聚丙烯酰胺对粉质黏土抗冻融性能的影响”丨GDS非饱和土三轴仪UNSAT应用实例

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

*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

冻融交替会显著改变细粒土的性质，常常导致寒区渠堤、道路等回填基础工程失效。为此，本研究采用水溶性阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）对细粒土——尤其是粉质黏土——进行改良。论文系统分析了APAM聚合物对粉质黏土在未冻及多次冻融循环下的物理-力学与微观结构特性的影响。通过设定不同掺量和冻融循环次数，开展Zeta电位、导热系数、渗透、三轴压缩及扫描电镜（SEM）等系列试验；并构建单向冻结试验，揭示APAM改良土的热-水-力耦合过程。

结果表明：APAM的引入显著提升了粉质黏土的宏观工程性能与微观结构特征，主要归因于聚合物带来的电荷中和、吸附架桥及疏水相互作用。然而，所有土样在冻融循环中均出现性能劣化，尤以第3次循环后最为明显；相较未处理样，APAM改良样表现出更优的抗冻融稳定性。单向冻结过程中，孔隙水因温度梯度自未冻区向冻结锋迁移，而改良样的迁移量显著低于未处理样，当APAM掺量为0.30%时总冻胀量降低55.25%。研究成果可为寒区回填基础工程的冻害防控提供技术依据，并加深对生态友好型APAM聚合物固化机制的理解。

图 1 粉质黏土颗粒级配曲线

图 2 粉质黏土矿物成分 X 射线衍射图谱（主要矿物包括石英、钠长石、方解石、绿泥石、伊利石和白云石）

图 3 土壤改良剂 APAM 聚合物（外观为白色颗粒或粉末，溶于水后呈半透明黏稠状）

图 4 冻融循环试验设备与流程示意图（包含冻融箱、土样制备、冻融循环试验，以及后续的导热系数测试、SEM 观测、三轴压缩试验、渗透性测试），其中冻融循环参数为：冻结温度 - 15℃/8h、融化温度 20℃/8h，循环次数设为 0、1、3、6、9 次

图 5 单向冻结试验系统示意图（包含位移传感器、保温棉、温度传感器、冷浴、冻结土样、数据采集系统、供水系统）

图 6 不同 APAM 添加比例下浆液的 zeta 电位变化曲线

图 7 各土样在不同冻融循环次数下的导热系数变化曲线

图 8 各土样在不同冻融循环次数下的渗透系数变化曲线

图 9 不同 APAM 添加比例下土样的偏应力 - 应变曲线与破坏强度：(a) 不同 APAM 添加量和围压下的偏应力 - 应变曲线，(b) 不同 APAM 添加比例下土样的破坏强度变化

图 11 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的抗剪强度参数（黏聚力和内摩擦角）变化曲线（黏聚力随冻融循环次数呈指数下降，内摩擦角呈线性下降）

图 12 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）微观结构特征（SEM 图像，放大 500 倍）：(a) T1（未改良）：存在大量大直径支架孔隙，颗粒以点 - 点、点 - 面接触为主，结构松散；(b) T4（改良）：支架孔隙显著减少，形成大量团聚体，颗粒以面 - 面接触和镶嵌接触为主，呈致密堆积结构

图 13 未改良土样（T1）在不同冻融循环次数下的微观结构变化（SEM 图像，放大 500 倍）：(a) 冻融循环 1 次（N=1），(b) 冻融循环 3 次（N=3），(c) 冻融循环 6 次（N=6），(d) 冻融循环 9 次（N=9）（冻融循环导致土样出现大量裂纹，孔隙增多，结构愈发破碎）

图 14 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的微观结构变化（SEM 图像，放大 500 倍）（相较于 T1，T4 在相同冻融循环次数下的结构破损程度更轻）

图 15 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的表面孔隙率变化曲线（改良土样表面孔隙率低于未改良土样，且冻融循环导致的孔隙率增幅更小）

图 16 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在单向冻结过程中不同深度处的温度随时间变化曲线（温度变化分为冷却阶段和稳定阶段，T4 冷却速率更快）

图 18 不同 APAM 添加比例下土样在单向冻结过程中的冻胀变形变化：(a) 冻胀变形随时间变化曲线（分为原位冻胀和迁移冻胀），(b) 不同 APAM 添加比例下的原位冻胀量与迁移冻胀量对比

寒区渠堤与路基回填体在冻融循环中易生剧烈冻胀融沉，提升填料抵御冻害的能力成为工程安全的关键。本工作引入环境友好型 APAM 聚合物对粉质黏土进行改性，借助多轮冻融试验与单向冻结试验，评价其抗冻融与抗冻胀表现，依据测试数据及分析获得如下认识：

（1）掺入 APAM 后粉质黏土工程性状显著优化：土粒与聚合物链间的静电作用使浆体 zeta 电位先降后升；APAM 经氢键覆盖于黏粒表面并桥接邻近颗粒，生成团聚体，削减微孔隙占比，从而同步提高导热率、渗透系数及力学指标。试验表明，现场应用时 APAM 的最佳掺量宜取 0.30%。

（2）冻融循环导致改性及原状粉质黏土微观密实度均降低，工程性能随之大幅衰退：三轴结果显示，随循环次数增多，各土样黏聚力呈指数衰减，内摩擦角线性减小；强度与结构的弱化在第三次循环后最突出，此后衰减幅度趋缓。同时，APAM 的引入通过增强粒间咬合提升了粉质黏土的冻融耐久性。

（3）单向冻结阶段，土体温度历时曲线可划分为降温段与恒温段；在温度梯度驱动下，孔隙水自未冻区向冻结锋面运移，并于锋面处聚集成冰透镜，诱发冻胀；冻胀量显著受供水状况与 APAM 掺量控制，改性样水分迁移量低于原状样，因而有效抑制了冻胀变形。

备注：论文及摘要等为论文原文的中文译文，仅供快速参考；若遇语义或技术细节歧义，请以英文原文为准。完整研究内容、参数取值及验证数据请查阅原文。

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