低液限粉土填料摻鹽抑制凍脹效果研究

沈宇鵬， 湯天笑， 劉建坤， 田亞護， 蔡小培

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 北京市軌道交通線路安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心， 北京 100044)

隨著基礎(chǔ)建設(shè)尤其是交通運輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，季節(jié)性凍土地區(qū)出現(xiàn)的一系列工程病害得到越來越廣泛的關(guān)注，其中最常見病害為土體的凍脹和融沉[1]。冬季凍脹會導(dǎo)致地基隆起，房屋建筑上表現(xiàn)為建筑物開裂、變形甚至倒塌；而在鐵路上，路基凍脹會造成線路的不平順，導(dǎo)致行車困難[2-3]；而春季土層上部積聚的冰晶體的融化，導(dǎo)致土中含水量大大增加，加之細粒土排水能力差，土體容易達到飽和狀態(tài)，強度大大降低，在車輛反復(fù)碾壓下，路基本體出現(xiàn)翻漿冒泥，線路不均勻沉陷，嚴重制約著行車速度，影響行車安全[4-6]。凍脹一般分為原位凍脹和分凝凍脹，大部分凍脹都屬于分凝凍脹[7]。分凝凍脹的產(chǎn)生都伴隨著水分的遷移，在溫度梯度的作用下，土中水分由暖端向冷端遷移，在凍結(jié)緣凝結(jié)成冰；凍結(jié)后土體積增大，產(chǎn)生一系列凍脹問題[8-9]。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)，降低土體凍結(jié)溫度是抑制凍脹的重要措施之一。

在季節(jié)性凍土區(qū)處理凍脹常用的辦法有隔水、換填、提高壓實質(zhì)量、設(shè)置隔離層等措施[10-12]。許健[13]等采用A、B組填料換填處理沈哈線路基凍脹，結(jié)果表明此處理方法可明顯減小路基的凍脹力和凍脹變形。田士軍[14]采用級配碎石摻水泥的方法，填筑哈大高速鐵路路基，使路基細粒土的凍脹敏感性得到了顯著降低。在季節(jié)性凍土區(qū)高速公路改進方面，翟強[15]采用了土工格柵+塑料排水板與提高路堤高度相結(jié)合的方案進行處理，抑制了地基明顯隆起和融沉現(xiàn)象的產(chǎn)生。李明霞[16]將EPS保溫板鋪設(shè)在秦沈客運專線涵洞路基中，使得路基中凍結(jié)深度減小，凍脹緩解。目前，減少凍脹措施研究主要集中在改變土體顆粒成分、降低土體含水率、提高壓實度或采用隔溫板阻擋土體內(nèi)部溫度降低等方面，而有關(guān)降低土體起始凍結(jié)溫度的研究成果較少。本文通過摻鹽降低土體內(nèi)部起始凍結(jié)溫度，達到減小凍脹的效果。

神(木)朔(州)鐵路位于我國西北地區(qū)，入冬后氣溫較低，且低溫持續(xù)時間長，季節(jié)性凍土分布廣泛。對該鐵路沿線路基凍害的統(tǒng)計分析表明，路基凍融病害主要表現(xiàn)為不均勻的凍脹和融沉。神朔鐵路神池段(K223+300)路基為深路塹，填料為細顆粒粉土，凍害現(xiàn)象十分嚴重；由于該處路基臨近隧道口，采用提高路堤高度以及鋪設(shè)隔溫板抑制凍脹均受限制。考慮鹽對土壤凍結(jié)溫度的影響，擬采用摻鹽法抑制土體凍脹。通過對摻入不同鹽分和鹽含量下填料凍脹的敏感性分析，得到一種摻鹽抑制凍脹的可行性措施。

1 加鹽抑制凍脹的機理分析

1.1 鹽分降低冰點的機理

土體溫度降至冰點后，內(nèi)部水分結(jié)晶，體積增大，從而出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，因此抑制凍脹的本質(zhì)是抑制土體中水分凍結(jié)。土體中水分由于受土顆粒表面能和水中雜質(zhì)的影響，其冰點即凍結(jié)溫度會略低于純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的凍結(jié)溫度(0 ℃)[17]。

水發(fā)生相變，變?yōu)楸倪^程中，需經(jīng)歷不同階段的變化，使得結(jié)冰溫度比土中孔隙水的起始凍結(jié)溫度略低，因此可以考慮降低土中孔隙水的冰點，抑制土體凍脹[18]。溶液化學(xué)勢隨溫度的增加而減小，當(dāng)減小到一定值時，溶液達到冰點。在水中摻入一定量的鹽后，溶劑濃度降低，溶液化學(xué)勢也隨之降低[19]，因此摻鹽可降低溶液冰點，見圖1。

1.2 含鹽量對降低冰點的影響

當(dāng)鹽溶液濃度較低時，溶液濃度是影響冰點降低值的主要因素[19]。當(dāng)鹽溶液濃度增大時，溶劑與溶質(zhì)的相互作用增大，冰點降低值取決于溶質(zhì)的性質(zhì)[19]。當(dāng)溶液濃度很低時，冰點降低值與溶液濃度和冰點降低常數(shù)呈線性關(guān)系，表達式為

ΔTF=KF·b·i

( 1 )

式中：ΔTF為冰點降低溫度(純?nèi)軇┍c與溶液冰點的差值)，℃；KF為冰點降低常數(shù)，K·kg/mol；b為溶質(zhì)質(zhì)量摩爾濃度，mol/kg；i為溶質(zhì)的離子數(shù)。

由式( 1 )可知，溶液的冰點隨溶液濃度的增加而下降。式( 1 )沒有體現(xiàn)溶質(zhì)的性質(zhì)，只適用于低濃度溶液中冰點降低的計算。當(dāng)溶液溶度較高時，需要更準(zhǔn)確的計算公式，Ge和Wang[20]提出的公式為

ΔTF=

( 2 )

2 試驗方法

根據(jù)分析可知，在土中摻入一定比例的鹽，可降低土中孔隙水的起始凍結(jié)溫度，抑制土體凍脹。

2.1 試驗材料

為研究神朔重載鐵路路基填料摻鹽抑制凍脹效果，試驗土體采用凍害段(K223+300)路基填料，表1為試驗土體的物理力學(xué)指標(biāo)，圖2為試驗土體的顆粒級配曲線。

表1 試驗土體基本物理指標(biāo)

篩分結(jié)果為：砂粒56.4%，粉粒29.54%，黏粒14.06%，細粒含量為43.6%，填料屬于細粒土質(zhì)，根據(jù)其液塑限，參照鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[21]，填料屬低液限粉土。

選取NaCl和Na2SO4為試驗用鹽，兩者均符合試驗用鹽的規(guī)定。根據(jù)規(guī)范定義[22]，土體中易溶鹽質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值稱為土的含鹽量。結(jié)合鹽漬土的定義和路基填料的基本性質(zhì)，在試驗土中加入不同摻入量的NaCl和Na2SO4，分別代表強、中、弱鹽漬土，見表2。

表2 不同鹽分的摻入量(質(zhì)量分數(shù)) %

2.2 試驗方法

(1) 試驗設(shè)備

為測定不同鹽成分及含鹽量對土體凍脹的影響，在封閉條件下進行單向凍結(jié)試驗，試驗過程中保持土樣的初始含水率相同。試驗裝置為高15 cm、直徑15 cm的單軸凍結(jié)桶，桶側(cè)面從上到下每隔2 cm設(shè)置小孔，用于插入溫度傳感器。凍結(jié)桶頂部和底部連接冷浴，冷浴精度為0.1 ℃，見圖3。

(2) 試驗過程

在試樣制備前，對填料進行易溶鹽清洗(洗鹽)，過濾可溶性鹽。在試樣制備的過程中，按照表2中的摻入量將NaCl或Na2SO4摻入5 kg的土中，充分拌合，并加入900 g水?dāng)嚢?，使試驗開始前土樣的初始含水率達到18%。待水、鹽、土混合均勻后，裝入保鮮袋中，確保保鮮袋密封良好，在冷凍室靜置72 h后將土樣盛放至試樣桶中，壓實度控制為0.97，分層壓實。試驗過程中冷端溫度取-8 ℃，暖端溫度取1 ℃。在凍脹開始前將冷端和暖端均調(diào)至1 ℃，待土樣溫度均降至1 ℃后，將冷端溫度調(diào)整至-8 ℃，凍脹開始。在試樣桶頂部放置電子位移計，試驗開始后記錄土樣的凍脹量變化，連續(xù)凍脹48 h后，結(jié)束試驗，在低溫室拆樣，并將土樣按每3 cm為一層進行切片，測定土樣各位置的含水率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 起始凍結(jié)溫度

圖4為摻入NaCl土體和摻入Na2SO4土體在含鹽量不同時的凍結(jié)溫度。根據(jù)圖4可知，土體凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而降低。當(dāng)土體NaCl含量為0%、0.4%、1.5%、2.0%時，土體凍結(jié)溫度分別為-0.26、-1.6、-6.2、-11 ℃，當(dāng)土體摻入NaCl后，隨著NaCl含量的增加，土體凍結(jié)溫度急劇下降。當(dāng)土體Na2SO4含量為0.4%、1.5%、3.5%時，土體凍結(jié)溫度分別為-0.6、-1.6、-2.7 ℃，土體凍結(jié)溫度隨Na2SO4含量的增加也有下降趨勢，但和摻NaCl土體的凍結(jié)溫度下降量相比，其下降量很小，且下降趨勢逐漸變緩。這是由于在土中摻入Na2SO4后，會與土中水結(jié)合，生成Na2SO4·10H2O，導(dǎo)致土中初始含水率降低，而土體凍結(jié)溫度會隨著含水率的降低而降低。NaCl不會改變土體含水率，凍結(jié)溫度下降主要是由于NaCl性質(zhì)對溶液冰點的影響。

3.2 凍結(jié)后土體溫度

圖5為摻入NaCl土體在凍結(jié)過程中其內(nèi)部溫度的變化，其中NaCl摻入量為0.4%。由圖5可知，土柱不同位置處的溫度隨時間的增長而逐漸降低，同時在一些時間節(jié)點上會出現(xiàn)溫度回升，這是因為此時土體中的水分發(fā)生相變，釋放熱量，土體內(nèi)部溫度出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象。土體溫度在凍結(jié)7 h后趨于穩(wěn)定。

圖6為試驗土柱在溫度穩(wěn)定后不同位置處的溫度，對試驗溫度結(jié)果進行擬合，得出溫度與土柱高度的關(guān)系為

T=1.12-0.595H

( 3 )

式中：T為土柱不同位置處的溫度，℃；H為土柱的高度，cm，暖端即土柱底部H取0 cm。

式( 3 )可以計算出土體不同位置在凍結(jié)穩(wěn)定后的溫度，根據(jù)測得的摻入不同類型鹽的土體起始凍結(jié)溫度，可以得出土體在不同含鹽量條件下的凍結(jié)深度。

3.3 水分遷移

圖7～圖9為在溫度梯度作用下土體內(nèi)部的水分遷移，由圖7、圖8可知，在土中摻入NaCl或Na2SO4后，土體內(nèi)部的水分遷移量減小。當(dāng)NaCl含量為0%和0.4%時，不同位置處含水率最大值分別為24%和21%，土體內(nèi)部水分在2%NaCl含量時不發(fā)生遷移，隨著NaCl摻入量的增加，水分遷移量減小。當(dāng)Na2SO4含量為0.4%和2.2%時，土體內(nèi)部最大含水率分別為22.8%和21%，水分遷移量隨Na2SO4摻入量的增加而減小。土體中最大含水率出現(xiàn)在凍結(jié)緣附近，由冷端至凍結(jié)緣，土體內(nèi)部含水率逐漸增加，由凍結(jié)緣至暖端土體含水率逐漸減小。

由圖9可知，當(dāng)土體中NaCl和Na2SO4的摻入量均為1.5%時，相比于Na2SO4，摻入NaCl的土體最大含水率出現(xiàn)位置上升，土體凍結(jié)深度減小。由圖4和圖6可知，摻入NaCl可降低土體的起始凍結(jié)溫度，使土體的凍結(jié)深度減小，凍結(jié)緣位置上升。土體最大含水率在摻入Na2SO4后位置無明顯變化，凍結(jié)深度變化不明顯，水分遷移量隨著Na2SO4摻入量的增加而減小，主要因為Na2SO4與土中水結(jié)合生成Na2SO4·10H2O，導(dǎo)致土中自由水減少，水分遷移量減小。

3.4 土體凍脹變形

圖10和圖11為不同含鹽量條件下土體在凍脹試驗結(jié)束后的凍脹變化量。

由圖10、圖11可知，土體凍脹量隨含鹽量的增加而減小。凍脹前期(0～7 h內(nèi))，土體凍脹量較小，凍脹速率緩慢，土體內(nèi)部凍脹類型主要為原位凍脹和部分分凝凍脹；凍脹量增長值在凍脹中期(7～16 h左右)時最大，約占整體凍脹量的50%，土體內(nèi)部凍脹類型主要為分凝凍脹；凍脹后期(16 h以后)，凍脹速率減緩，且凍脹穩(wěn)定時間隨含鹽量的增加而縮短。

圖12為NaCl、Na2SO4摻入量不同條件下土體的最大凍脹量，當(dāng)土體NaCl摻入量為0%、0.4%、1.5%、2.0%時，土體凍脹量分別為1.97、0.71、0.28、0 mm，凍脹率分別為1.79%、0.70%、0.62%、0%，在土體中摻入NaCl可有效抑制土體凍脹。當(dāng)Na2SO4摻入量為0%、0.4%、2.2%、3.5%時，土體凍脹量分別為1.97、1.76、0.79、0.33 mm，凍脹率分別為1.79%、1.60%、0.74%、0.31%，NaCl抑制土體凍脹效果明顯好于Na2SO4，且在試驗過程中，加入Na2SO4的土體會產(chǎn)生一定的鹽脹現(xiàn)象。

3.5 凍脹速率

單位時間的凍脹量定義為凍脹速率，具體計算為

V=(S1-S2)/2

( 4 )

式中：V為凍脹速率，mm/h；S1、S2為每隔兩小時后的凍脹量，mm。

圖13、圖14為凍脹速率的變化曲線。

由圖13、圖14可知，在土體中摻入NaCl和Na2SO4后，凍脹速率減小，摻入NaCl后土體的凍脹速率減小量大于摻入相同質(zhì)量Na2SO4的土體。0～7 h內(nèi)凍脹速率隨時間的增加先增大后減小，這是因為凍脹剛開始時，土中部分水分來不及遷移，發(fā)生原位凍脹；隨后凍脹速率繼續(xù)增大，并在12～16 h左右達到最大值，之后凍脹速率減小并趨近于0，這是因為水分不斷從暖端遷移至冷端，土體上部水分趨于飽和，下部水分含量減小，水分遷移減少，凍脹速率降低，凍脹在24 h后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1) 土體起始凍結(jié)溫度隨著土中含鹽量的增加而降低，摻入NaCl土體的起始凍結(jié)溫度下降程度大于相同摻入量條件下?lián)饺隢a2SO4的土體。

(2) 隨著NaCl的摻入，土體內(nèi)部的水分遷移量減小，最大含水率出現(xiàn)位置向冷端靠近，且凍結(jié)深度減小；隨著Na2SO4的摻入，水分遷移量減小，最大含水率大致出現(xiàn)在同一位置，凍結(jié)深度無明顯變化。

(3) 摻入NaCl和Na2SO4均能抑制土體凍脹的產(chǎn)生，且土體凍脹量隨含鹽量的增加而減小。當(dāng)NaCl含量增至2.0%時，土體不產(chǎn)生凍脹，當(dāng)Na2SO4含量增至3.5%時，凍脹量為0.33 mm。NaCl抑制土體凍脹效果強于Na2SO4，且摻入Na2SO4后土體出現(xiàn)鹽脹現(xiàn)象，因此優(yōu)先選取NaCl抑制土體凍脹。

(4) 土體凍脹速率隨含鹽量的增加而減小。0～7 h內(nèi)凍脹速率隨時間的增加先增大后減小，隨后繼續(xù)增大，并在12～16 h左右達到最大值，之后凍脹速率減小并趨近于0；這是因為水分不斷從暖端遷移至冷端，土體上部水分趨于飽和，下部水分含量減小，水分遷移減少，凍脹速率降低，凍脹在24 h后趨于穩(wěn)定。

通過封閉條件下的室內(nèi)凍脹試驗可知，摻入NaCl能有效抑制神朔鐵路低液限粉土填料的凍脹；工程應(yīng)用中，摻入過量的NaCl會造成鹽分流失和環(huán)境污染；因此通過研究給出不發(fā)生凍脹的NaCl摻入界限值，將摻入量控制在1.5%～2%之間，不僅能有效抑制凍脹，而且經(jīng)濟環(huán)保。