凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土單軸強(qiáng)度影響的微觀機(jī)理研究★

李 威 齊 軍 王亞靜 劉樹閣 王丁丁 趙 凱

(河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

0 引言

鹽漬土是一種易溶鹽含量大于0.3%，并具有融陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土[1]，天然狀態(tài)下，鹽漬土是良好的地基土，由于四季氣溫周期性變化過程中土中的鹽分發(fā)生反復(fù)結(jié)晶與溶解，其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，引發(fā)建筑裂縫、公路翻漿、橋梁腐蝕等嚴(yán)重工程災(zāi)害。隨著西部大建設(shè)的不斷開展，鹽漬土對(duì)工程建設(shè)的影響已經(jīng)成為難以避開的課題。

為了解決上述問題，已有諸多學(xué)者對(duì)凍融循環(huán)作用后鹽漬土的工程性質(zhì)展開研究。包衛(wèi)星等[2]得出三種典型鹽漬土在凍融循環(huán)過程的水分，鹽分遷移規(guī)律以及鹽脹后各層土體的力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律；呂擎峰、孟惠芳等[3]研究了溫度對(duì)改性水玻璃固化鹽漬土的強(qiáng)度和凍融循環(huán)耐久性的作用機(jī)理；包衛(wèi)星等[4]選取典型天然鹽漬土，在開放系統(tǒng)中進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)條件下的試驗(yàn)研究，從鹽漬土的類別角度研究了天然鹽漬土的鹽脹規(guī)律；陳煒韜等[5]從結(jié)晶體位置變化，微觀結(jié)構(gòu)，鹽類性質(zhì)及凍結(jié)水含量三個(gè)方面測(cè)試了凍融循環(huán)對(duì)不同含鹽量和不同含鹽類別鹽漬土黏聚力的影響規(guī)律。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用天然風(fēng)干素土為研究對(duì)象，添加不同濃度的NaCl溶液對(duì)土樣進(jìn)行飽和固結(jié)以模擬不同含鹽量鹽漬土，在凍融循環(huán)作用后，借助德國(guó)蔡司體式顯微鏡記錄凍融前后試樣的微觀特征，并通過單軸抗壓試驗(yàn)獲取凍結(jié)鹽漬土基本宏觀力學(xué)特性，定性認(rèn)知凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)劣化機(jī)理及宏觀單軸抗壓強(qiáng)度變化本質(zhì)，以此探究鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)性與宏觀力學(xué)特性的關(guān)系。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)采用的土樣均為張家口橋東區(qū)本地重塑黃土，將風(fēng)干土樣碾碎篩分后，摻合NaCl，每次摻合量為0%,0.9%,3.25%,6.5%和10%。以擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定最優(yōu)含水量，依其最優(yōu)含水量拌制試驗(yàn)試樣，將配好的NaCl溶液加入稱好的土體中，混合均勻后分多層擊實(shí)使之充分固結(jié)，然后裝入直徑為50 mm，高100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)模具中制備試樣。試樣制成后，放入恒溫箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)設(shè)備為全自動(dòng)低溫凍融試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)凍融循環(huán)溫度參照西部溫度氣象局?jǐn)?shù)據(jù)西部地區(qū)典型溫差，最終確定凍結(jié)溫度為-20 ℃，融化溫度為20 ℃，氣凍4 h，水融4 h，對(duì)同一工況試件經(jīng)過編號(hào)、表觀觀察、尺寸測(cè)量、稱重記錄后，放進(jìn)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)開始試驗(yàn)。

1.2.2 微觀特征采集

試樣的微觀特征記錄采用德國(guó)蔡司體式顯微鏡，見圖1，觀測(cè)記錄凍融試驗(yàn)前后試件表面鹽析、裂縫發(fā)育情況，觀察過程用如圖2所示的坐標(biāo)網(wǎng)格定位凍融試驗(yàn)前后試件表面點(diǎn)位，保證凍融前后顯微鏡觀測(cè)的視野為同一個(gè)區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)束對(duì)比篩選出視野內(nèi)鹽析量及裂縫發(fā)育良好的圖像。

1.2.3 單軸抗壓試驗(yàn)

本試驗(yàn)所采用MQS-2型路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀，該試驗(yàn)機(jī)的最大加載能力為100 kN，精度為1%，加載速率快速50 mm/min和慢速1 mm/min。本試驗(yàn)采用控制加載速率方式加載，當(dāng)試樣壓力峰值隨加載速率無變化時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)所得的試驗(yàn)荷載及試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由數(shù)顯壓力計(jì)自動(dòng)控制、采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)主要在不同含鹽量的試件經(jīng)過不同梯度的凍融循環(huán)次數(shù)后，以控制一定加載速率方式的單軸無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖6。

2.1 含鹽量與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3，圖4中抗壓強(qiáng)度隨含鹽量與凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線趨勢(shì)可以看出，在試驗(yàn)條件相同時(shí)，試件經(jīng)凍融循環(huán)次數(shù)越高，其抗壓強(qiáng)度越小。在拌合不同摻量NaCl后，所有試件的抗壓強(qiáng)度均隨含鹽量的增加而減少。隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，含鹽量0.9%～6.5%試件的抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯，超過6.5%試件的抗壓強(qiáng)度下降減緩，趨于平穩(wěn)甚至部分略有增加。

試件中NaCl鹽分為易溶鹽，其溶解度會(huì)因溫度變化而改變，當(dāng)鹽分相態(tài)發(fā)生變化時(shí)，土的體積和顆粒分散性隨之變化。各試件含水量不變，可溶解在水里的鹽是一定量的，隨試件含鹽量增加，降溫時(shí)結(jié)晶析出，促使土顆粒間發(fā)生錯(cuò)位、滑移，使土體膨脹；升溫時(shí)，其溶解度增大，溶于水中，土體積變小，致使土體疏松。如此反復(fù)，使得土密實(shí)度越低，土體強(qiáng)度降低越快。

2.2 鹽漬土經(jīng)凍融循環(huán)作用后部分試件表面微觀結(jié)構(gòu)特征和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

經(jīng)過對(duì)顯微鏡采集各點(diǎn)位圖像進(jìn)行對(duì)比篩選，為不失一般性結(jié)果列于圖5，圖6。由圖5可得含鹽量0.9%低鹽漬土在凍融循環(huán)10次以內(nèi)表面鹽析量肉眼無法識(shí)別，在顯微鏡下可見少量晶體析出，有零星裂縫產(chǎn)生，但裂縫發(fā)育情況隨凍融循環(huán)次數(shù)隨機(jī)性較大；經(jīng)10次凍融循環(huán)后，試件表面有斑點(diǎn)狀晶體析出。由圖6肉眼可見含鹽量6.5%高鹽漬土在各狀態(tài)下都有一層白色粉狀的薄鹽霜，顯微鏡視野內(nèi)有大量晶體析出，裂縫因表面鹽膜的覆蓋不易觀察，但鹽析量隨凍融循環(huán)次數(shù)具有良好的累加性。試件的破壞形態(tài)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞時(shí)表面的主貫穿裂縫數(shù)量增加，裂縫寬度變大，甚至出現(xiàn)片狀、塊狀剝落現(xiàn)象。

在0次～5次凍融循環(huán)內(nèi)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鹽對(duì)土體抗壓強(qiáng)度的弱化作用顯著；經(jīng)5次凍融循環(huán)后，此時(shí)土中鹽分累加析出，土體水分的作用占主導(dǎo)地位，而析出晶體在土中成為土骨架的一部分，局部起到一定支撐作用，鹽分對(duì)土體抗壓強(qiáng)度的影響會(huì)因此削弱。

3 結(jié)語

凍融循環(huán)次數(shù)越高，各狀態(tài)土抗壓強(qiáng)度越小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0次～5次，含鹽量為0%～6.5%的土隨含鹽量增加其抗壓強(qiáng)度衰減明顯；在經(jīng)歷5次～15次凍融循環(huán)作用后，試件的單軸抗壓強(qiáng)度下降不明顯趨于平穩(wěn)，甚至部分略有增加，凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，含鹽量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大。

由裂縫發(fā)育和鹽析程度表明，凍融循環(huán)作用加劇了鹽漬土的鹽析過程，鹽析量在凍融循環(huán)次數(shù)具有一定累加性，但因鹽析量的增加，表面裂縫被填充表現(xiàn)為隨機(jī)性較大。

綜上所述:試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)作用后，其抗壓強(qiáng)度整體損失明顯，凍融循環(huán)次數(shù)和含鹽量的不同都會(huì)對(duì)此產(chǎn)生較大影響，且影響作用并不是單一的，而是相互聯(lián)系的。試件單軸抗壓強(qiáng)度損失規(guī)律與表觀微觀特征變化機(jī)理映射良好，反映凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土結(jié)構(gòu)的損傷弱化作用。