冻融作用下复合相变材料改良黄土力学特性研究及机理分析

朱怀太; 欧尔峰; 姜琪; 赵永春; 赵建沅

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20221211003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

冻融作用下复合相变材料改良黄土力学特性研究及机理分析

论文 | 更新时间：2024-06-26

- 冻融作用下复合相变材料改良黄土力学特性研究及机理分析
- Study on the Mechanical Properties and Mechanism Analysis of Loess Improved by Composite Phase Change Materials under Freeze‑thaw Conditions
- 防灾减灾工程学报 2024年44卷第3期页码：715-724
- 作者机构：
  
  1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070
  2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000
  3.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  朱怀太（1997—），男，硕士研究生。主要从事寒区土体性能提升技术方面的研究。E-mail: zhu_at@163.com
  欧尔峰（1979—），男，副教授，博士。主要从事隧道抗震方面的研究。E-mail: ouerf@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(52168058);第八批甘肃省科技计划(21ZD8JA003)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20221211003
  中图分类号： TU444
- 收稿：2022-12-11，
  
  修回：2023-02-15，
  
  纸质出版：2024-06-25
- 稿件说明：
移动端阅览
朱怀太,欧尔峰,姜琪等.冻融作用下复合相变材料改良黄土力学特性研究及机理分析[J].防灾减灾工程学报,2024,44(03):715-724.

ZHU Huaitai,OU Erfeng,JIANG Qi,et al.Study on the Mechanical Properties and Mechanism Analysis of Loess Improved by Composite Phase Change Materials under Freeze‑thaw Conditions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(03):715-724.
朱怀太,欧尔峰,姜琪等.冻融作用下复合相变材料改良黄土力学特性研究及机理分析[J].防灾减灾工程学报,2024,44(03):715-724. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20221211003.

ZHU Huaitai,OU Erfeng,JIANG Qi,et al.Study on the Mechanical Properties and Mechanism Analysis of Loess Improved by Composite Phase Change Materials under Freeze‑thaw Conditions[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(03):715-724. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20221211003.

摘要

为降低冻融作用对黄土力学性能的劣化影响，基于相变材料的温度调控功能，提出了一种采用膨胀石墨‑正十四烷复合相变材料（EG‑C

）改良黄土的方法。以兰州黄土为研究对象，开展典型冻融循环后不同EG‑C

掺入比黄土试样的体积变形试验、力学性能试验和微观结构试验，探究冻融作用下不同EG‑C

掺量对黄土力学性能的影响规律及改良机理。试验结果表明：EG‑C

减缓了冻融循环过程中土体内部的温度变化，进而有效抑制了土体的胀缩变形；同时，EG‑C

降低了冻融循环对土体微观结构的损伤，与素黄土相比，多次冻融循环后改良土体内部的支架孔隙明显减少，颗粒骨架也更为密实，进而增强了土体的力学性能；此外，EG‑C

改良黄土的力学性能随EG‑C

掺量的增加先增大然后逐渐趋于稳定，且掺量为4%时改良效果最佳。

Abstract

To mitigate the detrimental impact of freeze-thaw cycles on loess mechanical properties

a method using expanded graphite-n-tetradecane composite phase change material (EG-C

) was proposed

leveraging the temperature modulation capability of phase change materials. Focusing on the Lanzhou loess

a series of tests were conducted after typical freeze-thaw cycles

including volumetric deformation tests

mechanical property tests

and microstructure tests on loess samples with varying EG-C

dosage levels. The study aimed to explore the influence of different EG-C

dosages on loess mechanical properties under freeze-thaw conditions and its enhancement mechanism. Results indicate that EG-C

effectively mitigated the temperature variations within the soil during freeze-thaw cycles

thereby suppressing soil expansion and contraction deformation. Additionally

EG-C

minimized soil microstructure damage during freeze-thaw cycles. Enhanced soil exhibited reduced scaffold porosity and denser particle skeleton compared to untreated loess after multiple cycles

thus improving its mechanical properties. Furthermore

EG-C

dosage positively correlated with enhanced mechanical properties

stabilizing notably at a 4% dosage. These findings offer valuable insights for deploying EG-C

enhanced

loess in practical applications.

关键词

Keywords

references

曹伯勋 . 地貌学及第四纪地质学［M］. 武汉：中国地质大学出版社， 2006 .

Cao B X . Geomorphology and quaternary geology ［M］. Wuhan ： China University of Geosciences Press ， 2006 . （in Chinese）

刘祖典 . 黄土力学与工程［M］. 陕西：科学技术出版社， 1997 .

Liu Z D . Loss mechanics and engineering ［M］. Shanxi ： Science and Technology Press ， 1997 . （in Chinese）

徐学祖，王家澄，张立新 . 冻土物理学［M］. 北京：科学出版社， 2001 .

Xu X Z ， Wang J C ， Zhang L X . Frozen soil physics ［M］. Beijing ： Science Press ， 2001 . （in Chinese）

穆彦虎，马巍，牛富俊，等 . 多年冻土区道路工程病害类型及特征研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2014 ， 34 （ 3 ）： 259 - 267 .

Mu Y H ， Ma W ， Niu F J ， et al . Study on geotechnical hazards to roadway engineering in permafrost regions ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2014 ， 34 （ 3 ）： 259 - 267 . （in Chinese）

李国玉，马巍，穆彦虎，等 . 季节冻土区压实黄土湿陷特性研究进展与展望［J］. 冰川冻土， 2014 ， 36 （ 4 ）： 934 ‑ 943 .

Li G Y ， Ma W ， Mu Y H ， et al . Progress and prospects of the research on collapsibility of compacted loess in seasonally frozen ground regions ［J］. Journal of Glaciology and Geocryology ， 2014 ， 36 （ 4 ）： 934 ‑ 943 . （in Chinese）

马巍，苏永奇 . 青藏工程走廊多年冻土场地地震安全性研究进展［J］. 防灾减灾工程学报， 2021 ， 41 （ 4 ）： 723 - 733 .

Ma W ， Su Y Q . Advances on seismic safety study of the permafrost sites along Qinghai⁃ Tibet project corridor ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2021 ， 41 （ 4 ）： 723 - 733 . （in Chinese）

Haeri S M ， Akbari G A ， Rooh P H R ， et al . Testing and constitutive modeling of lime-stabilized collapsible loess. I： experimental investigations ［J］. International Journal of Geomechanics ， 2019 ， 19 （ 4 ）： 04019006 .

Tremblay H ， Duchesne J . Influence of the nature of organic compounds on fine soil stabilization with cement ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 2002 ， 39 （ 3 ）： 535 - 546 ．

谭罗荣 . 膨胀土地基强夯处理效果的研究［J］. 岩土力学， 1990 ， 11 （ 3 ）： 39 - 46 .

Tan L R . Effect of powerful ramming to foundation of expansive soil ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 1990 ， 11 （ 3 ）： 3946 . （in Chinese）

郑颖人，陆新，李学志，等 . 强夯加固软粘土地基的理论与工艺研究［J］. 岩土工程学报， 2000 ， 22 （ 1 ）： 21 - 25 .

Zhen Y R ， Lu X ， Li X Z ， et al . Research on the theory and process of reinforcing soft clay soil foundation by strong ramming ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2000 ， 22 （ 1 ）： 21 - 25 . （in Chinese）

Ghazavi M ， Roustaei M . Freeze–thaw performance of clayey soil reinforced with geotextile layer ［J］. Cold Regions Science and Technology ， 2013 ， 2013（ 89 ）： 22 - 29 .

陈诚，郭伟，任宇晓 . 冻融循环条件下木质素纤维改良土性质研究及微观分析［J］. 岩土工程学报， 2020 ， 42 （增2 ）： 135 - 140 .

Chen C ， Guo W ， Ren Y X . Properties and microscopic analysis of lignin fiber-reinforced soils under freeze-thaw cycles ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2020 ， 42 （ Sup2 ）： 135 - 140 . （in Chinese）

Elif O M ， Liu J ， Niu F . Dynamic behavior offiber-reinforced soil under freeze-thaw cycles ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2017 ， 10 （ 1 ）： 269 - 284 .

Wang C ， Li S Y ， Chen Q ， et al . Statistical studies on the pore characteristic of Qinghai-Tibet Plateau silty clay modified by nano-silica ［J］. Microporous and Mesoporous Materials ， 2021 ， 10 ： 1 - 9 .

任晓川 . 基于纳米二氧化硅改良的冻（融）土力学特性的试验研究［D］. 兰州：兰州大学， 2016 .

Ren X C . Experimental study on the mechanical properties of frozen （thawed） soil based on nano-silica improvement ［D］. Lanzhou ： Lanzhou University ， 2016 . （in Chinese）

解邦龙，张吾渝，张丙印，等 . 不同龄期下粉煤灰水泥土的UU抗剪强度试验研究［J］. 工程地质学报， 2021 ， 29 （ 4 ）： 1216 - 1223 .

Xie B L ， Zhang E Y ， Zhang B Y ， et al . Experimental study on unconsolidated and untrained shear strength of fly ash cement soil at different ages ［J］. Journal of Engineering Geology ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 1216 - 1223 . （in Chinese）

Hozatlolu D T ， Ylmaz I . Shallow mixing and column performances of lime， fly ash and gypsum on the stabilization of swelling soils ［J］. Engineering Geology ， 2020 ， 10 ： 1 - 24 .

Zhou S Q ， Zhou D W ， Zhang Y F ， et al . Study on physical-mechanical properties and microstructure of expansive soil stabilized with fly ash and lime ［J］. Advances in Civil Engineering ， 2019 ， 19 （ 1 ）： 1 - 15 .

于本田，陈延飞，李双洋，等 . 正十四烷/石墨低温相变水泥基材料的制备及冻融损伤演化［J］. 复合材料学报， 2022 ， 39 （ 6 ）： 2864 - 2874 .

Yu B T ， Chen Y F ， Li S Y ， et al . Preparation and freeze-thaw damage evolution of n-tetradecane/graphite low-temperature phase change cement-based materials ［J］. Atca Materiae Compositae Sinica ， 2022 ， 39 （ 6 ）： 2864 - 2874 . （in Chinese）

孟多，刘爱华，王东旭 . 硅基载体复合相变蓄热材料的研究现状及进展［J］. 材料导报， 2015 ， 29 （ 3 ）： 55 - 58 .

Meng D ， Liu A H ， Wang D X . Research and progress on silicon based composite phase change materials for thermal storage ［J］. Materials Reports ， 2015 ， 29 （ 3 ）： 55 - 58 . （in Chinese）

饶有致，刘建坤，常丹 . 微胶囊相变材料改良粉质黏土的冻胀特性研究［J］. 冰川冻土， 2022 ， 44 （ 3 ）： 1 - 15 .

Rao Y Z ， Liu J K ， Chang D . Study on frost heave of microencapsulated phase change material incorporated silty clay ［J］. Journal of Glaciology and Geocryology ， 2022 ， 44 （ 3 ）： 1 - 15 . （in Chinese）

Li W T ， Ling C W ， Jiang Z W . Evaluation of the potential use of form-stable phase change materials to improve the freeze-thaw resistance of concrete ［J］. Construction and Building Materials ， 2019 ， 203 ： 621 - 632 .

Aaron R S ， Bentzdale P . Increasing the service life of bridge decks by incorporating phase-change materials to reduce freeze-thaw cycles ［J］. Journal of Materials in Civil Engineering ， 2012 ， 24 ： 1034 - 1042 .

Bentz D P ， Turpin R . Potential applications of phase change materials in concrete technology ［J］. Cement and Concrete Composites ， 2007 ， 29 （ 7 ）： 527 - 532 .

Romero R C ， Franca D M F F ， Chaves F S ， et al . Fundamental investigation on the frost resistance of mortar with microencapsulated phase change materials ［J］. Cement and Concrete Composites ， 2020 ， 113 ： 103705 .

黄英豪，陈永，朱洵，等 . 相变材料改良膨胀土冻融性能试验研究及微观机理分析［J］. 岩土工程学报， 2021 ， 43 （ 11 ）： 1994 - 2002 .

Huang Y H ， Chen Y ， Zhu X ， et al . Experimental study and micro-mechanism analysis of freezing-thawing performance of expansive soil improved by phase change materials ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2021 ， 43 （ 11 ）： 1994 - 2002 . （in Chinese）

梁书恩 . 纳米胶囊化相变材料的制备及应用研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2016 .

Liang S E . Preparation and application of nanoencapsulated phase change materials ［D］. Hefei ： University of Science and Technology of China ， 2016 . （in Chinese）

朱洪洲，陈瑞璞，苟珊，等 . 低温下水泥路面调温相变材料的制备及性能［J］. 材料导报， 2021 ， 35 （ 14 ）： 14198 - 14203 .

Zhu H Z ， Chen R P ， Gou S ， et al . Preparation and performance of cement pavements temperature-adjusting phase change materials under low temperatures ［J］. Materials Reports ， 2021 ， 35 （ 14 ）： 14198 - 14203 . （in Chinese）

中国天气网 . 兰州城市介绍［EB/OL］. http：//www.weather.com.cn/ http://www.weather.com.cn/ ， 2011 - 2022 .

土工试验方法标准： GB/T 50123—2019 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2019 .

穆彦虎，陈涛，陈国良，等 . 冻融循环对黏质粗粒土抗剪强度影响的试验研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2019 ， 39 （ 3 ）： 375 - 386 .

Mu Y H ， Chen T ， Chen G L ， et al . Experimental study on effect of cyclic freeze-thaw on shear behaviors of clayey coarse-grained soil ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2019 ， 39 （ 3 ）： 375 - 386 . （in Chinese）

穆彦虎，马巍，李国玉，等 . 冻融作用对压实黄土结构影响的微观定量研究［J］. 岩土工程学报， 2011 ， 33 （ 12 ）： 1919 - 1925 .

Mu Y H ， Ma W ， Li G Y ， et al . Quantitative analysis of impacts of freeze-thaw cycles upon microstructure of compacted loess ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2011 ， 33 （ 12 ）： 1919 - 1925 . （in Chinese）

齐吉琳，马巍 . 冻融作用对超固结土强度的影响［J］. 岩土工程学报， 2006 ， 28 （ 6 ）： 2082 - 2086 .

Qi J L ， Ma W . Influence of freezing-thawing on strength of overconsolidated soils ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2006 ， 28 （ 6 ）： 2082 - 2086 . （in Chinese）

宋春霞，齐吉琳，刘奉银 . 冻融作用对兰州黄土力学性质的影响［J］. 岩土力学， 2008 ， 29 （ 4 ）： 1077 - 1080，1086 .

Song C X ， Qi J L ， Liu F Y . Influence of freeze-thaw on mechanical properties of Lanzhou loess ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2008 ， 29 （ 4 ）： 1077 ‑ 1080，1086 . （in Chinese）

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

冻融循环作用对F1加固黄土强度与微观结构的影响研究

孔隙液体相态对饱和砂土力学特性影响试验

冻融循环作用下西宁地区黄土动力特性试验研究

微生物矿化作用（MICP）‑铺砂联合提高黄土抗侵蚀性试验研究

黄土钻孔剪切变形与强度特性研究