極旱荒漠區(qū)超氯鹽漬土固化的試驗(yàn)研究

孫 婧，陳海洋，劉 暢，張 治 ，李玉龍，田夏曉

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 張家口 075000;3.河北張家口三和路橋有限公司，河北 張家口 075000)

0 引言

鹽漬土是指含鹽量超過一定數(shù)量的土[1].在《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)中定義鹽漬土為易溶鹽含鹽量超過0.3%的土[2].目前，關(guān)于鹽漬土形成原因的說法有很多，但歸結(jié)為一點(diǎn)就是“鹽隨水走，水去鹽留”[3].在我國，鹽漬土分布范圍廣、面積大，主要分布在西北以及沿海地區(qū)，約占國土總面積的9.6%[4].相較于一般的土，鹽漬土的三相體固相中不穩(wěn)定結(jié)晶鹽的存在使得固相與液相隨著外界條件的變化而相互轉(zhuǎn)化[5]，該特性對鐵路、公路等工程產(chǎn)生了極大的危害.

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,這一危害對西北及沿海地區(qū)的建設(shè)造成了巨大的阻礙.為了減少鹽漬土對工程的危害,加快西北以及沿海地區(qū)的建設(shè),研究人員對于鹽漬土的改良提出了多種改良方案.王勇[6]等人以江蘇海門地區(qū)典型的濱海鹽漬土為研究對象，探討了水泥/石灰對濱海鹽漬路基土性能的影響；王琦[7]等人結(jié)合濰坊濱海地區(qū)的鹽漬土的特性，利用水泥固化土、二灰碎石土以及石灰固化土對鹽漬土的性能進(jìn)行了改善；周永祥[8]等人以西北地區(qū)鹽漬土作為研究對象，并用礦渣、粉煤灰和水泥作為固化劑，對其固化鹽漬土的干縮與濕脹特性進(jìn)行了研究.呂擎峰[9]進(jìn)行了不同溫度下改性水玻璃堿激發(fā)粉煤灰固化鹽漬土試驗(yàn)，研究了溫度改性水玻璃固化鹽漬土的強(qiáng)度和凍融循環(huán)耐久性；還研究了水玻璃、粉煤灰和石灰聯(lián)合固化鹽漬土的最優(yōu)配比.楊久俊[10]等人以氫氧化鈉-水玻璃復(fù)合堿溶液激發(fā)制備鹽漬土土質(zhì)膠凝材料的強(qiáng)度為指標(biāo),探討了鹽漬土堿化學(xué)激發(fā)的效果.在水玻璃固化鹽漬土研究方面，水玻璃多用作地聚物膠凝材料如粉煤灰等的堿性激發(fā)劑，很少有學(xué)者涉及單獨(dú)使用水玻璃固化超氯鹽漬土的研究.氯鹽漬土中Cl-含量越高，固化的難度越大，在實(shí)際工程建設(shè)中，還必須考慮成本的問題.因此，固化效果和成本控制就成為首要的考慮因素；其次，還必須同工程建設(shè)相結(jié)合，原料易于取得.

本文針對西北極旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境極為脆弱，超氯鹽漬土大量分布，對交通干線的建設(shè)產(chǎn)生極大危害的現(xiàn)象，以超氯鹽漬土作為對象，選用廉價易得的水玻璃作為固化劑，分別對其抗折、抗壓強(qiáng)度、吸濕性以及耐候性進(jìn)行分析，以期為超氯鹽漬土的改良提供一份可靠的資料.

1 原料與試驗(yàn)方法

1.1 土樣

土樣取自青海省柴達(dá)木盆地極旱荒漠區(qū)，要求試驗(yàn)土樣顆粒粒徑小于1.18 mm.經(jīng)檢測，以Cl-計算含鹽量，土中含鹽量高達(dá)30%，屬超氯鹽漬土.土樣的物理性質(zhì)見表1.

表1 土樣的物理性質(zhì)Tab. 1 Physical properties of soil samples

1.2 土壤固化劑

試驗(yàn)采用水玻璃作為土壤固化劑，購自張家口市意恒水玻璃廠.模數(shù)n=2.4，初始濃度34%，密度1380 kg/m3，固含量34%.

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)需要，將土樣粉碎，取顆粒粒徑小于1.18 mm的備用.試塊制備時采用水泥膠砂試條的試模的制作，試塊規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的長方體.由于在拌和的過程中，隨著水玻璃濃度的增大，固化反應(yīng)速度加快，則要求拌和、填模的速度要快，時間要短.填模后，在壓力機(jī)上壓實(shí)，帶模在自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)24 h后測強(qiáng).本研究選取的水溶液初始濃度為24%，比較黏稠，不利于物料的拌和與反應(yīng)，故用水稀釋到12%、14%、16%、18%，根據(jù)試塊固化情況，研究不同濃度對試塊的影響，同時為了研究在不加鹽漬土情況下，數(shù)據(jù)玻璃和純NaCl反應(yīng)過程，課題組還進(jìn)行了濃度為18%水玻璃溶液固化純NaCl的試驗(yàn).

1.4 性能表征

1.4.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓性能測試采用無錫新路達(dá)儀器設(shè)備的TYA-300型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)，參照《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50107-2010)進(jìn)行；抗折強(qiáng)度測試采用無錫市錫儀建材儀器廠WAY-600型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)，參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)進(jìn)行.

1.4.2 吸濕性試驗(yàn)

模擬自然條件下毛細(xì)吸濕現(xiàn)象，在容器中鋪放一定厚度的濕砂，使含水率達(dá)到20%，再于該面上平鋪干砂，厚度50 mm.將養(yǎng)護(hù)好的試塊稱重后置于該面上，注意試塊之間保持一定的間距，并用薄膜將其全部覆蓋.放置24 h之后，測量吸濕高度，取平均值.再次進(jìn)行風(fēng)干并稱其質(zhì)量，分析質(zhì)量損失，并測其抗折和抗壓強(qiáng)度，分析強(qiáng)度損失情況.

1.4.3 耐候性試驗(yàn)

水玻璃在自然條件下受到光熱輻射、氧化、雨淋等自然條件的影響，會產(chǎn)生性能的變化.由于張家口的氣候環(huán)境與西北地區(qū)相似，為此，選擇在張家口地區(qū)進(jìn)行耐候性測試，在晝夜溫差大、紫外線強(qiáng)烈的3～4月份進(jìn)行.將硬化24 h后的試塊，置于室外平整的露天場地上，接受風(fēng)吹、日曬、雨淋，30 d后測試其強(qiáng)度變化和質(zhì)量損失.

1.4.4 顯微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

試塊養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將其劈開，取中間段作為樣品，采用FEI公司產(chǎn)Nova Nano450型場發(fā)射掃描電鏡觀察斷面的顯微結(jié)構(gòu).

1.5 試驗(yàn)配比

因?yàn)樗Ａ舛仍酱螅袒瘯r間越短，因此選用18%濃度的水玻璃溶液來做摻量調(diào)整試驗(yàn).根據(jù)土樣基本物理性能的測試，試驗(yàn)用鹽漬土的最優(yōu)含水率為10%，在固化試驗(yàn)塊制備過程中，水玻璃的摻入質(zhì)量百分比根據(jù)最優(yōu)含水率是10%，但實(shí)際摻入量要通過拌和均勻程度、固化時間和脫模時間來確定.經(jīng)試配當(dāng)水玻璃溶液濃度為18%，摻入量為10%時，鹽漬土物料比較干燥不易拌勻，因此逐漸調(diào)大摻量到12%,14%,16%,18%,20%.

2 結(jié)果與討論

2.1 固化劑摻量的確定

表2 為配制的18%濃度的水玻璃溶液，以不同質(zhì)量百分比摻量加入到鹽漬土中，固化時間和脫模時間變化結(jié)果.脫模時間是指拆模時，時間保持一定形狀，不會潰散.固化時間是指試塊具有一定的硬度，可以測強(qiáng)，不包括脫模時間.

表2 水玻璃摻量對鹽漬土固化的影響

從表2中的數(shù)據(jù)可知，水玻璃摻量越大，制備時越容易將物料混合均勻，過小12%的摻量不能充分潤濕物料，過大到20%時，拌和物在壓制時出現(xiàn)泌水.而脫模時間和固化時間，隨水玻璃摻量增加明顯延長.水玻璃的固化是一個生成的硅膠逐漸失水，逐漸干燥而硬化的過程，因此溶液越多，失水越緩慢，強(qiáng)度發(fā)展越慢；當(dāng)摻量增大于20%是，還會出現(xiàn)試塊表面形成硬殼，內(nèi)部水分跑不出去，芯里松散的情況.因此，綜合固化情況來看，把水玻璃摻量固定在18%，即可拌勻又可充分硬化，再進(jìn)行后面的性能試驗(yàn).

2.2 固化鹽漬土的強(qiáng)度分析

圖1為24 h后不同濃度水玻璃固化鹽漬土的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線.由圖1可知隨著水玻璃濃度的增加，固化鹽漬土的抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸增大.特別是水玻璃的濃度在16%及以上時，固化鹽漬土的抗折、抗壓強(qiáng)度增加明顯.當(dāng)水玻璃濃度超過18%以后，根據(jù)制備中的現(xiàn)象觀察，由于水玻璃濃度過大，在攪拌過程中，局部鹽漬土已經(jīng)固化出現(xiàn)硬塊，雖然仍有較高的強(qiáng)度，但大大影響了試件的勻質(zhì)性，故而沒有再增加摻量.

圖2是水玻璃固化純NaCl的SEM照片，從圖片中的顏色對比可以看出，水玻璃固化之后只含有兩種物質(zhì)，顏色較淺的為NaCl，顏色較深的為硅酸鹽凝膠，并且硅酸鹽凝膠處于NaCl的交界處縫隙當(dāng)中，將NaCl膠結(jié)起來，整體看上去結(jié)構(gòu)較為密實(shí).由此也可以斷定在水玻璃對超氯鹽漬土的固化過程中，水玻璃并沒有與NaCl發(fā)生反應(yīng)，所起的作用只是水玻璃與土樣中的堿土金屬發(fā)生反應(yīng)形成硅酸凝膠，并堵塞空隙以及裂縫或者將土顆粒膠結(jié)，使其結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí).這也是為什么隨著水玻璃濃度的增加，固化鹽漬土的抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸升高的根本原因.

圖1 24 h后固化鹽漬土的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig. 1 Bending and compressive strength curve ofcuring saline soil after 24 h

圖2 濃度為18%水玻璃固化NaCl的顯微圖片F(xiàn)ig. 2 Microscopy image of 18% sodium silicate hardened NaCl

圖3是濃度為12%水玻璃固化鹽漬土的顯微結(jié)構(gòu)，圖4是18%水玻璃固化鹽漬土的顯微結(jié)構(gòu).

圖3 12%濃度水玻璃固化鹽漬土的顯微結(jié)構(gòu)Fig. 3 Microstructure of 12% concentrated water glass cured saline soil

對比圖3、圖4可以明顯地看出，水玻璃濃度增大后，與土樣中的堿土金屬發(fā)生反應(yīng)形成硅酸凝膠的量也增大，顆粒和顆粒之間填充硅膠越多，固化結(jié)構(gòu)越密實(shí)，故而試塊的固化強(qiáng)度提高.

圖4 18%濃度水玻璃固化鹽漬土的顯微結(jié)構(gòu)Fig. 4 Microstructure of 18% concentrated water glass cured saline soil

2.3 固化鹽漬土的吸濕性能分析

荒漠區(qū)雖然其后條件極為干旱，但是地下水位卻時常變化，當(dāng)?shù)叵滤唤咏袒瘞r，就要考慮毛細(xì)吸水作用而產(chǎn)生的吸濕性.為了研究固化鹽漬土的穩(wěn)定性，本文在模擬自然條件下對固化鹽漬土進(jìn)行了吸濕試驗(yàn).表3為不同濃度水玻璃固化鹽漬土吸濕24 h之后質(zhì)量損失.測試完質(zhì)量損失之后將其干燥，對其進(jìn)行抗折、抗壓測試.

表3 固化鹽漬土吸濕試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of cured saline soil moisture absorption test

由表3可以看出，隨著水玻璃濃度的增加，吸潮后的固化鹽漬土的平均高度是逐漸增高的，相應(yīng)的質(zhì)量損失是逐漸增大的.由此也可以確定，水玻璃固化后的鹽漬土的防水性是隨著水玻璃濃度的升高而逐漸降低的.圖5是不同濃度水玻璃固化鹽漬土吸潮后的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線.由圖5可以看出，隨著水玻璃濃度的升高，吸潮后鹽漬土的抗壓、抗折強(qiáng)度先升高后降低.特別是當(dāng)水玻璃的濃度達(dá)到16%時，其抗壓強(qiáng)度下降的最為顯著.當(dāng)水玻璃的濃度達(dá)到18%時，鹽漬土吸潮后的抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最低.水玻璃本身具有親水性，水玻璃濃度越高，固化后鹽漬土的防水性能越差，強(qiáng)度有所降低.同時有文獻(xiàn)[11,12]指出，水玻璃在固化土的過程中，期初會與土中Al3+反應(yīng)生成大量的硅膠Si(OH)4，但是隨著時間的延長，Al3+會替代一部分Si4+并且在凝膠結(jié)構(gòu)中形成Si-O-Al鍵.然而Si-O-Al鍵會在潮濕的環(huán)境中發(fā)生斷裂，從而影響水玻璃的固化效果.但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，吸濕后試塊在沒有受到外力作用條件下，如果再次進(jìn)入干燥的環(huán)境，失水后試塊又可恢復(fù)到原來的強(qiáng)度，處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài).

圖5 固化鹽漬土吸濕后的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig. 5 Bending and compressive strength curveafter cured soil moisture absorption

2.4 固化鹽漬土的耐候性能分析

由于西北荒漠地區(qū)具有日照時間長、早晚溫差特別大等特點(diǎn).因此，對固化試塊進(jìn)行耐候性能的分析是十分有必要的.將水玻璃固化后的鹽漬土放在室外，讓其在的風(fēng)吹、日曬、雨淋、紫外線輻射等自然條件下測試其耐候性.放置30 d以后，將其干燥并測量質(zhì)量的損失和抗壓、抗折強(qiáng)度.

表4是不同濃度水玻璃固化鹽漬土耐候性試驗(yàn)質(zhì)量損失.

表4 不同濃度水玻璃固化鹽漬土耐候性試驗(yàn)質(zhì)量損失Tab. 4 Mass loss of different concentrations ofwater glass cured saline soil in the weathering test

由表4可以看出，隨著水玻璃濃度的升高，在自然環(huán)境下放置30 d后固化鹽漬土的質(zhì)量損失是逐漸增大的.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能有兩方面的原因:一方面是由于張家口地區(qū)的風(fēng)速比較大造成；另一方面是由于水玻璃的防水性較差，固化鹽漬土吸收空氣中的水分造成的.圖6是不同濃度水玻璃固化鹽漬土吸潮后的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線.隨著水玻璃濃度的升高，耐候性試驗(yàn)后鹽漬土的抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸升高.特別是抗壓強(qiáng)度升高的速率明顯增大.相對于2.1節(jié)中沒有經(jīng)過耐候性試驗(yàn)的固化鹽漬土，在數(shù)值上抗壓、抗折強(qiáng)度沒有下降，反而升高，并且升高比例較大.在CO2中水玻璃的凝結(jié)固化與石灰的凝結(jié)固化非常相似[13]，而自然環(huán)境下CO2的濃度較高，CO2作為一種干燥性較強(qiáng)的氣體，它可以加速水玻璃的干燥過程，并導(dǎo)致硅膠脫水而凝結(jié)固化.因此，水玻璃固化的鹽漬土在室外放置的過程中，其雖然經(jīng)受日曬、雨淋等，但其中硅膠的不斷脫水、硬化，從而使得最終固化鹽漬土的抗折壓、抗折強(qiáng)度沒有降低，反而升高.

圖6 固化鹽漬土耐候性試驗(yàn)后的抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig. 6 Bending and compressive strength curve ofcured saline soil after weathering test

3 結(jié)論

對于含鹽量超過8%的超氯鹽漬土，水玻璃的固化效果與水玻璃的摻量、濃度密切相關(guān).當(dāng)濃度為16%水玻璃溶液在鹽漬土中的摻量是18%時，固化鹽漬土的抗折、抗壓強(qiáng)度增加明顯，固化后顯微結(jié)構(gòu)越密實(shí).固化鹽漬土的吸濕性是反映水玻璃固化效果的重要因素.固化鹽漬土的吸濕性是隨著水玻璃濃度的升高而逐漸增加的，水玻璃濃度較高時，固化鹽漬土的強(qiáng)度降低越明顯；但再次失水后，試塊又可恢復(fù)到原來的強(qiáng)度，處于動態(tài)平衡狀態(tài).耐候性是反映固化鹽漬土的穩(wěn)定性和耐久性的重要因素.水玻璃固化鹽漬土經(jīng)耐候性試驗(yàn)后，雖然質(zhì)量有所損失，但抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸升高，并且升高的數(shù)值較為顯著，耐候性能優(yōu)異.在極旱荒漠區(qū)利用水玻璃作為固化劑，對超氯鹽漬土來說是一種有效的土壤改良劑.水玻璃廉價易得，固化效果好，易于工程應(yīng)用.