0.   研究背景

随着中国的资源开发和利用正在逐步向高海拔、资源丰富的西部地区转移，西部地区铁路、公路、大型水利枢纽、能源等重大基础设施的建设正面临着极端严寒天气的严峻挑战——压实土料在反复冻融后水分反复相变和迁移，土体内部结构将会产生弱化^[1-2]，从而导致强度和防渗性能劣化^[3-4]。土体中水分在冻结环境下会逐渐向冻结锋面方向迁移，在水分迁移和水分冻胀的综合作用下冷生构造不断形成和发育^[5-6]，引起土体冻胀，进而导致压实过程中达不到填筑压实度，影响土料的填筑质量及工程项目的长期稳定性^[7]。因此，探索改良土体冻胀特性的新措施具有重要的理论意义及工程实践价值。

相变材料（phase-change material, PCM）是一类在物态改变过程中可提供一定热量的物质。有机相变材料在相变温度、相变潜热和理化性能等方面具有明显的优势。其中石蜡^[8]因其高潜热储存能力而广泛应用于建筑工程^[9]、桥梁工程^[10]、路面工程^[11]等领域，并在大坝心墙冬季施工防冻控温方面得到了初步论证^[12-13]。液态石蜡基PCM具有冻缩性，理论上能够改善土体的冻胀特性，可降低由冻胀引起的挠曲变形、裂缝^[14]、边坡失稳^[15]、结构破坏^{[7, 16]}等风险。Chen等^[17]，黄英豪等^[18]发现相变材料可以显著降低膨胀土的胀缩变形，在一定程度上抑制土体强度的衰减，并提高土体的热稳定性；Mahedi等^[19]发现相变材料的掺入能够降低黏土的干密度及对应的最优含水率，并减少土体所经历的冻结时间及冻融期间的体积变化率。

虽然目前有关相变黏土冻胀特性的研究较少，但对常规土料的研究可为本文研究提供参考。Zhang等^[20]通过试验发现水分迁移主要由气态水迁移和液态水迁移共同组成。薛珂等^[21]分析了青藏红黏土在冻结过程中的物理参数变化，发现在冻结过程中冰透镜体出现在试样含水率较高的区域。Wang等^[22]利用高分辨率显微镜对黏土的冻结过程进行了拍摄，认为在样品的垂直和水平部分中形成的冷热收缩裂缝为水分迁移提供了通道。上述研究给出了冻融循环对土料冻胀特性的影响，并从不同角度揭示了其影响机理，但其相关研究结论对于相变黏土适用性还有待进一步验证。

考虑到高寒地区负温环境的极端性、连续性以及相变黏土防冻控温的适用范畴，相变黏土在负温条件下可能发生的冻胀问题不容忽视。虽然相变材料的材料特性理论上可以减轻土体的冻胀程度，但冻融循环作用对相变黏土冻胀特性的影响尚不明确。因此，有必要研究反复冻融作用下相变黏土中的温度变化、冷生构造、液体分布和冻胀发育规律，为后续的相关研究奠定基础。

1.   试验材料

1.1   黏土与PCM

本文试验土样取自两河口大坝心墙黏土，该土样属于低液限粉质黏土，最大干密度为1.84 g/cm³，其基本物理特性指标：沙砾含量为31.23%，粉粒含量为37.82%，黏粒含量为30.46%，液限为29.76%，塑限为17.46%，塑性指数为12.3，压缩模量为13.79 MPa（单向固结100~200 kPa）。

试验所选用的相变材料为典型相变温度为5℃的液态石蜡基PCM，主要成分为正十四烷（成分超过95%，相变温度为5℃^[23-24]）。其部分物理参数和热学参数：液态密度为760 kg/m³，固态密度为850 kg/m³，熔化温度为-0.4~8.47℃，凝固温度为-4.55~2.02℃，导热系数为0.2 W/(m∙℃)，比热为2.0 kJ/(kg∙℃)，潜热为193.3 J/g。

1.2   相变黏土

相变黏土的制备方式如图 1所示。

图  1  素土与相变黏土

Figure  1.  Pure clay and PCM-clay

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（1）根据试验设计配比将所需PCM均匀掺拌入风干黏土料中，随后装入玻璃罐中密封5 d以保证PCM与黏土混合均匀。

（2）向土料中加水配至特定含水率，再度放入密封玻璃罐中进行焖料，得到特定含水/蜡条件下的相变黏土。

通过试验，得到不同PCM掺量条件下相变黏土的部分材料特性如表 1所示。

表  1  不同PCM掺量相变黏土（25℃）材料特性

Table  1.  Material properties of samples with different PCM contents(25℃)

PCM/%	最优含水率/%	最大干密度/(g·cm-3)	压缩模量/MPa	渗透系数/(10-7 cm·s-1)	无侧限抗压强度/kPa
0	15.15	1.84	13.79	27.4	229.4
4	12.70	1.82	10.00	2.18	265.4
8	9.67	1.74	5.41	2.94	227.7
12	4.44	1.69	4.42	3.94	152.8

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2.   试验方案

2.1   冻胀试验装置

冻胀试验装置分为3个部分，如图 2所示，包括承土系统、控温系统、数据采集系统，此装置为封闭系统。承土系统由亚克力承载装置和XPS保温挤塑板组成；控温系统由试样上、下端独立的半导体控温装置组成。控温装置包括控温模块（控温分辨率及稳定度为0.01°）、高速水泵、供电模块和制冷片（制冷量84 W）；数据采集系统包括温度采集系统、位移采集系统、图像采集系统和采集处理系统。温度采集系统包括温度采集仪（采集精度为0.01℃）和所配套的热电偶；位移采集系统包括数显百分表（测量精度为0.01 mm）和配套的集线器；图像采集系统为6400万超高像素的摄影模组；采集处理系统为上位机及配套的数据采集软件。

图  2  冻胀试验系统

Figure  2.  Frost heave test system

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2.2   试验方法

经过多次预试验后发现，土料在经历4次冻融循环后，其冻胀量和融沉量趋近相同，因此将冻融循环次数设置为4次。选取两河口心墙坝冬季施工现场实测温度曲线的最低温-5℃作为单向冻结的顶板温度^[13]。前期试验结果表明，8%掺量下的PCM基本满足一般负温条件下的控温需求^[25]，因此选取初始含蜡率分别为0%，8%，含水率为试样所对应的最优含水率。

取用所需土料分层装入承土筒中，控制每层试样的高度（20 mm，共8层）及质量，试样的压实度为98%，以保证试样内干密度一致，制备直径为100 mm、高度为160 mm的试样。为了保证试样内部水蜡分布均匀及初始温度基本一致，使用保鲜袋包裹承土装置后静置24 h。

进行试验前，需要将顶部和底部的半导体制冷片温度调整为10℃，待不同高度处试样的温度基本稳定在10℃后，在顶板和土体之间铺设厚度为0.01 mm的聚四氟乙烯膜，用以防止外界水汽进入装置及水分蒸发散失对试验结果产生影响^[26]。

在试验过程中，保持底板为恒定温度，通过改变顶板的温度以实现单向冻融的工况。在首次冻融循环中，将冻结时长设置为24 h，用以研究冻结时长对于相变黏土冻胀量的影响；在后续的冻融循环试验中，为了排除初期快速冻结过程对冻胀量产生干扰，研究冻结对表层土体的影响，采用分段控温的方式。先将顶板温度调整至1℃，待2 cm深度土体降温至5℃后，再将顶板温度调整至-5℃，设置冻结时长为12 h。通过数据采集系统采集不同高度处试样的温度、顶板的位移以及冷生构造发育图像。

待试验结束后，沿试样高度方向间隔2 cm均匀切样，每个高度处均取2份试样，在鼓风干燥箱中进行高温烘干48 h，测定其含液率（指含水率和含蜡率之和），取两份试样含液率的平均值作为该层土样的含液率。

3.   试验结果与分析

3.1   试样冻结过程中的温度变化

图 3~6代表在不同冻融循环次数下素土（不掺混PCM）和相变黏土在冻结过程中的纵剖面温度分布及冻结锋面变化情况。参照文献[27]进行试验测定得到素土冻结温度为-0.31℃，相变黏土冻结温度为-1.34℃，从而确定冻结锋面位置。考虑5℃为本研究所用PCM典型相变温度，图 3~5中红色曲线为5℃等温线，视该线以上大部分PCM已经完成相变，该线以下大部分PCM未发生相变。从图中可以看出：

图  3  第1次冻结过程中素土和相变黏土温度分布情况

Figure  3.  Temperature distribution of pure clay and PCM-clay during 1st freezing

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图  4  第2次冻结过程中素土和相变黏土温度分布情况

Figure  4.  Temperature distribution of pure clay and PCM-clay during 2nd freezing

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图  5  第4次冻结过程中素土和相变黏土温度分布情况

Figure  5.  Temperature distribution of pure clay and PCM-clay during 4th freezing

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图  6  冻结后素土与相变黏土冻结锋面与5℃等温线分布情况

Figure  6.  Distribution of freezing front and 5℃ isotherm of pure clay and PCM-clay after freezing

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（1）经历多次冻融循环后，素土与相变黏土的冻结锋面及5℃等温线稳定位置均出现一定程度波动（图 6），但相变黏土冻结锋面始终高于素土。

（2）相变黏土内部降温速率及冻结锋面下移速率要缓于素土。从第1次冻结情况中可以看出，素土在冻结初期，土体内部温度随着顶板温度的突然变化迅速降低，之后降温速率逐渐减小，约在4 h冻结锋面便不再迁移，而相变黏土的冻结锋面位置约在6 h保持稳定。

第2次—第4次冻结试验中先将顶板温度调整至1℃，统计不同试样2 cm深度处的土体由10℃降温至5℃所需时间。其统计结果（表 2）表明素土平均需0.81 h降低至指定温度，而相变黏土耗费了1.39 h，且相变黏土与素土在降温至相变温度前的温度表现相似^[12]，故说明相变黏土具有良好的蓄放热特性，能够有效延长土体降低至负温的时间。

表  2  2 cm深度土体降温至5℃耗时

Table  2.  Time consumption to cool down soil to 5℃ at depth of 2 cm (单位: h)

项目	相变黏土	素土
第2次降温	1.43	0.75
第3次降温	1.26	0.85
第4次降温	1.48	0.82
平均耗时	1.39	0.81

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3.2   反复冻融后冷生构造分析

土样的冷生构造是指冰晶或冰层与矿物颗粒在空间上的排列和组合形态^[28]。冷生构造的产生可能会对大坝、铁路、公路路基稳定性构成严重威胁。试验土料为低液限黏土，属于冻胀非敏感性土且压实度较高，相比与冻胀敏感性土，其冷生构造发育的显著性可能有所下降。素土在不同冻融循环次数下的冷生构造发育如图 7所示。试样冷生构造可以分为原位冻结区、冰分凝区、冻结缘区和未冻结区。

图  7  素土经历冻融循环后的冷生构造发育

Figure  7.  Cryostructure development of pure clay after freeze-thaw cycles

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在经历1次冻融循环后，素土的冷生构造开始形成。在浅层原位冻结区，顶板与土体较大的温度梯度使得该区域内的水分快速冻结膨胀，形成微薄层状冷生构造。在冰分凝区，液态水冻结产生冻胀力破坏土颗粒间的连结，形成层状裂隙，多次冻融循环后层状裂隙在长度和宽度都有所拓展，且数量增多，在4次冻融后，暖端的冷生构造裂隙贯通试样。在冰分凝区暖端至冻结锋面之间，是一段冻土与未冻土的过渡带，称为冻结缘区，可观察到在4次冻融后出现了竖向构造，与上方冰分凝区的少量竖向构造裂隙相连通，形成了更为明显的水分迁移通道^[29]。

相变黏土在不同冻融循环次数下的冷生构造发育如图 8所示。为直观分析，取两种试样冷生构造发育最为明显的区域进行二值化处理，如图 9所示。对比来看，相变黏土在单向冻融循环下冷生构造的形成和发育不明显，其经历1次冻融循环后，在冰分凝区中出现了水平薄层状冷生构造，长度和厚度都要远小于素土冰分凝区中的冷生构造，并且在其他区域未观察到明显的构造发育。

图  8  相变黏土经历冻融循环的冷生构造发育

Figure  8.  Cryostructure development of PCM-clay after freeze-thaw cycles

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图  9  素土与相变黏土冻融循环后冷生构造发育比较

Figure  9.  Comparison of cryostructure development of pure clay and PCM-clay after freeze-thaw cycles

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综上所述，相变黏土在单向冻融循环条件下大部分土体未达到冻胀所需的临界饱和度（含水率），仅出现了极少量的水平层状冷生构造，且发育速度和发育程度较为缓慢。在经历4次冻融循环后，其宽度仅仅出现了轻微扩展，并未表现出向下延伸拓展的趋势。从而表明，相变材料的掺入能够有效减缓土样中冷生构造的产生及发育程度，提高土体的抗冻性能。

3.3   冻融后液体迁移特性分析

相变黏土和素土试样经过冻融循环后，内部水分发生了迁移和重新分布的现象，试样内不同高度含液率分布情况如图 10所示。

图  10  土体经历冻融前后的液体分布情况

Figure  10.  Liquid distribution before and after clay experiencing freezing and thawing

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素土的含水量分布总体上发生了由暖端至冷端的水分迁移。这主要是因为是在冻结过程中，由于土体内部能量的不平衡，水分会逐渐向冻结锋面后方进行迁移^[21]。其中，原位冻结区含水率从初始状态的15.15%增加至了17.30%；冰分凝区含水率也有大幅上升，冷生构造发育明显，这主要是由于水分持续迁移到冻结锋面附近形成冰透镜体，冰晶和冰透镜体析出积聚、发育将会导致含水率出现上升^[30]。未冻结区冷端具有较高的含水率，是由于暖端水分的迁移同时冷端分凝冰对水分迁移的进一步阻碍而有较多的水分积聚；暖端则由于水分迁移且系统封闭无外界水分补给，故而含水率降低。

相变黏土经历4次冻融循环后，冻结锋面以上的含液量也有一定增加。从初始状态的17.67%增加至了18.47%。未冻结区和初始含液率相比略有下降。对比素土，干密度较小，水力导率变化较小^[31]，液体迁移程度较小，这可能是由于PCM具有疏水性，在颗粒孔隙通道中阻碍液态水的迁移，导致未冻结土体在冻结过程中水分迁移较少。

3.4   冻融过程中冻胀规律分析

由于在不同冻融次数下土体的冻胀量发育规律较为相似，为了更好地分析在冻融循环过程中土体的冻胀融沉变化规律，选取第1次冻融循环过程中的素土、相变黏土分别进行温度和冻胀量的耦合分析。第1次冻融循环过程中素土和相变黏土的冻胀融沉量时程曲线分别如图 11，12所示。

图  11  素土第1次冻融循环冻胀量变化

Figure  11.  Variation of frost heave of pure clay after 1st freeze-thaw cycle

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图  12  相变黏土第1次冻融循环冻胀量变化

Figure  12.  Variation of frost heave of PCM-clay after 1st freeze-thaw cycle

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在相变土冻胀量变化的阶段-Ⅰ，相变黏土土柱展现出快速冻缩的趋势，这主要是因为在试验初期，顶板温度迅速降低至PCM的相变温度以下，土体表层部分PCM相态由液态转变为固态而产生体积收缩。而素土由于初始含水率较高，水分原位冻结为冰，导致初期冻胀量快速增大。

为了验证冻结初期（阶段-Ⅰ）所产生的冻缩现象是由于相变材料相变所导致的。对相变黏土进行了多次顶板10~1℃的控温试验，结果如图 13所示。可见，随着顶板温度快速降低至PCM的典型相变点5℃以下，土体迅速产生了体积收缩，其体积收缩值约为0.05~0.06 mm。对比第1次冻融循环试验中，由于温度迅速降低至水的相变点0℃以下——水相变为冰产生了体积膨胀，抵消了一部分相变材料的体积收缩，因此土柱整体冻缩的数值较小（约为0.03 mm）且持续时间较短，从侧面验证了冻结初期的冻缩现象是由于相变材料相变所导致的。

图  13  相变黏土10~1℃位移变化

Figure  13.  Variation of displacement of PCM-clay during 10℃ and 1℃

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在阶段-Ⅱ，相变黏土土柱呈现出快速冻胀，这主要是由于此时土体表层温度已经降至水的冻结温度以下，试样表层的孔隙水发生了原位冻结膨胀。与此同时，相变黏土试样表层出现薄冰膜（图 14）。素土在此时薄冰膜正处于持续发育的阶段（图 11中阶段-Ⅰ）。

图  14  素土和相变黏土的表层冰膜

Figure  14.  Superficial ice film of pure clay and PCM-clay

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在阶段-Ⅲ，相变黏土的冻胀量保持相对稳定。可以看到此时表层2 cm深度处的温度已经降低至负温，土体内部已经逐渐发生水分迁移，但是由于相变黏土孔隙水含量较少（9.67%）与PCM的阻水作用，浅层区饱和度较低，不利于水分凝成冰，故而冻结过程中仍以液态水原位冻结为主。与此同时，冰膜的形成将进一步使土体内部的自由水减少，土体内部的孔隙水压力降低，有效应力提高，对应冰胶结及基质吸力增加，相当于对土体施加了固结应力^[32]，导致土体体积减小^[33]，相变材料冻缩，孔隙增大。原位冻胀作用有限，孔隙冰难以填充孔隙，故而顶板位移保持平衡。而素土在水分迁移的持续作用下，冻胀量逐渐缓慢发育（图 11中阶段-Ⅱ）。

在阶段-Ⅳ，相变黏土温度场基本保持稳定，由于掺入相变材料的因素，在降温阶段表现出较高的稳定温度，2 cm土体深度内降温稳定后的温度比素土高约1.5℃，这有利于抑制该区域水分的原位冻结。在此阶段，冻结锋面下方液态水不断向上迁移，冰分凝区冰透镜体经迁移水分凝作用，水平层状的冷生构造继续拓展（图 8），厚度一定程度增加，但受限于局部温度较高、初始含水率较低且迁移水分较少，表现为缓慢冻胀，冻胀量与冷生构造发展程度小于素土。

在阶段-Ⅴ，首先由于土体表层温度的快速上升，迅速达到冰晶的融化温度，表层冰膜快速消失，冻胀量瞬间下降。之后，0~2 cm深度土体内冰随着温度升高融化。孔隙水压力上升，相当于撤去了固结荷载，土体发生一定程度的回弹。同时，相变材料的相变也会提供部分的位移回弹，从而整体表现为融胀。而素土在升温阶段中位移并未出现反弹，而是呈现出持续融沉的趋势（图 11中阶段-Ⅲ）。

在阶段-Ⅵ中，由于土体内部的温度已经趋于稳定，整体结构已经达到了稳定态，相变黏土的位移几乎不再产生变化。素土的冻胀量此时也保持恒定（图 11中阶段-Ⅳ）。

为了验证在阶段-V相变黏土的“融胀”结论，选取相变黏土冻融循环中的典型的“融胀”曲线段（图 15）进行分析。

图  15  相变黏土的“融胀”曲线

Figure  15.  Thaw heave curves of PCM-clay

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可以看出，融胀的起始时间约是2 cm深处土体接近0℃温度时刻，因此可以推断在0~3 cm土体发生了PCM和水的相变。低饱和度的相变黏土土体刚度较小^[34]，升温阶段水分融化，随着冻胀力与固结荷载的撤回，土体产生较大的回弹量，从而引起较为显著的融胀现象，这与非饱和土融胀量随饱和度降低而增大的表现相同^[35]。后由于土体浅层温度回升，固态冰逐渐全部融化为液态水，体积缩小，土体孔隙比较大，结构处于不稳定状态，在自重作用下土体缓慢沉降，逐渐趋于稳定。

如图 16所示，相变黏土和素土在第1次冻融过程中位移较大。这是因为未经冻融时的土体结构为相对稳定的状态，在冻融的作用下，土体的原有的孔隙结构发生破坏、土颗粒之间的连结作用发生改变，位移变化幅度较大。在经历多次冻融后，重塑土新生的连结和内部结构更加不稳定^[36]，因此土体抵抗变形的能力逐渐变差，其冻胀量和融沉量相互抵消，干密度趋于某一恒定值^[37-38]，土体保持相对稳定的高度。素土和相变黏土的累计冻胀量都表现为持续增加，经历4次冻融循环后，素土的最终冻胀量约为1.52 mm，相变黏土则约为0.26 mm，相变黏土的冻胀量远小于素土。

图  16  相变黏土和素土经历冻融循环后的累计冻胀曲线

Figure  16.  Cumulative frost heave curves of pure clay and PCM-clay after freeze-thaw cycles

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3.5   相变黏土抗冻胀特性分析

对比素土和相变黏土的试验结果发现，PCM的加入能够有效减缓冻结锋面的下移速率，降低土样中冷生构造的产生及发育程度，减轻内部液体迁移程度，从而抑制土料冻胀量的发育，改善土体的冻胀特性。造成上述现象的主要有3个原因。

（1）由于掺入了PCM材料，相变黏土试样的最优含水率相应下降。含水率的下降会削弱水分冻胀对土体的影响，降低水分迁移的程度^[15]，图 10土体经历冻融前后的液体分布情况的试验结果印证了在经历多次冻融循环后，土体内部的液体仅产生了少量迁移。

（2）PCM具有高潜热蓄放热特性。课题组前期研究表明^[7]，PCM的掺入能够显著减少土料的受冻时间，改善土体内温度场，从而降低冻胀的持续作用影响，进而改善相变黏土的冻胀表现。

（3）PCM的阻水性和冻缩性。PCM会分散于土体中形成“PCM膜”，从而在土体中起到了阻水效果^[7]，降低了未冻土水分在土体中的迁移速率，削弱了冰透镜的分凝作用，抑制了冷生构造的拓展与发育；另一方面，PCM的冻缩性（PCM凝固放热过程中会产生约10%的体积缩小）也能够抵消一部分水分的冻胀影响。

4.   结论

本文对压实的素土与相变黏土进行封闭系统、分段控温、浅冻结条件下分段控温冻融循环试验，分析了其冷生构造、水分迁移、温度场分布及冻胀变化规律与机理，得到5点结论。

（1）在外部温度、掺量等相同的试验条件下，相变黏土的冻结锋面始终高于素土。由于相变材料具有高潜热蓄热特性，相变黏土的冻结锋面迁移速率及内部降温速率明显缓于素土，约在6 h左右达到冻结稳定状态。

（2）相变黏土的蓄放热特性使其在环境降温时具备一定控温能力，水分迁移作用和水蜡的相态变化将会对土体产生综合作用，但冻融过程中的位移变化以及最终的冻胀量都要远小于素土。随冻融次数的增加，相变黏土的冻胀量变化逐渐趋于零。

（3）相较于素土，相变黏土仅存在冷生构造主要发育区。经历多次冻融循环后，其冷生构造的形成数量及发育程度都远小于素土。

（4）经冻融循环后，相变黏土内部的液体分布规律为在已冻区内有所增加、未冻区内略有减小；土样含水率增加的位置为冷生构造主要出现的区域。

（5）相变黏土初始饱和度较低、孔隙比较大，以及PCM的高潜热储能、冻缩性、阻水性等是相变黏土冻胀特性得到改良的主要原因。

本文研究可为相变黏土作为潜在心墙、渠道、坝堤、道路的建设材料用于寒区冬季施工防冻提供理论依据。相变黏土控温性能随PCM的掺入而增加，但其强度与刚度在一定程度上也有所降低，因此，在确定PCM的掺量时，应综合考量其工程特性及防冻控温效果。