無機(jī)材料改良氯鹽漬土的性能研究

張寶行，李軍偉，李哲輝，曾留生，盧 科

（天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

鹽漬土是指易溶性結(jié)晶鹽（主要為硫酸鹽或氯鹽）含量大于0.3%、有鹽脹或溶陷等不良工程特性的特殊土[1-4].氯鹽漬土屬于鹽漬土中的一種，含有大量氯鹽.當(dāng)氯鹽漬土遇水后，其中的易溶性氯鹽晶體溶于水，毀壞了土的整體結(jié)構(gòu)，在外部載荷或自重的作用下，土體發(fā)生溶陷現(xiàn)象，對(duì)路基造成不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重?fù)p壞.因此，對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行改良可以有效改善其不良工程特性[5-6].有關(guān)研究顯示：粉煤灰能有效改良鹽漬土的抗壓強(qiáng)度和變形特性[7]；石灰粉煤灰復(fù)配可對(duì)鹽漬土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行有效改良[8]；礦渣復(fù)合膠凝材料能有效提高鹽漬土的抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性[9]；高菱鎂水泥能使鹽漬土的水穩(wěn)定性得到有效提高[10]；摻加激發(fā)劑和防水劑等外加劑，能有效提高鹽漬土的水穩(wěn)定性、抗鹽侵蝕性和抗凍性[11].以上研究多針對(duì)于鹽漬土的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性進(jìn)行改良，鮮有對(duì)氯鹽漬土的溶陷性進(jìn)行系統(tǒng)的研究.

筆者擬采用水泥、礦渣、生石灰等無機(jī)材料對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行改良，研究多種無機(jī)材料復(fù)配對(duì)氯鹽漬土溶陷性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，為氯鹽漬土的改良和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

試驗(yàn)用土取自山東濱州采土場(chǎng)，取土深度距地表1.5～2 m.經(jīng)測(cè)試，該土樣的最優(yōu)含水率為15.88%、最大干密度為1.88 g/cm3，其中易溶鹽各離子含量見表1.根據(jù)JTG D30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]及表1 可知，該土屬于中等氯鹽漬土.所用水泥為冀東P.O 42.5水泥；礦渣為高爐礦渣，使用前經(jīng)球磨機(jī)研磨1 h；所用生石灰為工業(yè)品.

表1 土樣易溶鹽各離子含量一覽表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀YYM-2 型和三聯(lián)中壓固結(jié)儀WG-1B 型，均為南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱YJ-40B 型，天津市新三思試驗(yàn)儀器有限公司.

1.3 試驗(yàn)配比

將水泥和生石灰復(fù)配或礦渣與生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行改良，其配比見表2.

表2 無機(jī)材料的配比

1.4 試件制備

（1）溶陷系數(shù)試件.準(zhǔn)確稱量氯鹽漬土和無機(jī)材料，加水至最優(yōu)含水率，攪拌均勻，放入擊實(shí)儀中擊實(shí)到設(shè)定壓實(shí)度，利用環(huán)刀取61.8 mm（直徑）×20 mm（高）的試件；試件置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（溫度20 ℃、濕度90%）內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d.

（2）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件.準(zhǔn)確稱量氯鹽漬土和無機(jī)材料，加水至最優(yōu)含水率，攪拌均勻，放入鋼模內(nèi)壓制成39.1 mm（直徑）×80 mm（高）的試件；試件置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（溫度20 ℃、濕度90%）內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d.

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 溶陷系數(shù)

本試驗(yàn)中，采用溶陷系數(shù)作為判斷氯鹽漬土是否具有溶陷性的依據(jù)：溶陷系數(shù)＜1%時(shí)，判定氯鹽漬土為非溶陷性鹽漬土；溶陷系數(shù)≥1%時(shí)，判定氯鹽漬土為溶陷性鹽漬土.

采用雙線法測(cè)定溶陷系數(shù)，每組試驗(yàn)需2 個(gè)試件.一個(gè)試件放入三聯(lián)中壓固結(jié)儀中分級(jí)加壓，另一個(gè)試件在三聯(lián)中壓固結(jié)儀中浸水加壓，加壓等級(jí)分別為50，100，200，300，400，500，600 kPa.計(jì)算某個(gè)壓力范圍內(nèi)的溶陷系數(shù)為

式中：δ 為溶陷系數(shù)，%；h 為某級(jí)壓力下試件變形后的高度，mm；h1為某級(jí)壓力下試件浸水濕陷變形后的高度，mm；h0為試件初始高度，mm.

1.5.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

取出在水中浸泡24 h 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，拭去表面水滴，將試件放至應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓試驗(yàn)儀液壓機(jī)的升降臺(tái)上，進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn).試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度R 的計(jì)算為

式中：P 為試件破壞時(shí)的最大壓力，N；A 為試件的截面積，mm2.

2 結(jié)果與討論

2.1 無機(jī)材料復(fù)配對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

未經(jīng)改良的氯鹽漬土具有很強(qiáng)的溶陷性，其溶陷系數(shù)可達(dá)2.4%，必須經(jīng)過改良才能應(yīng)用.因此，選用水泥和生石灰復(fù)配或礦渣和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土的溶陷性進(jìn)行改良.

2.1.1 水泥和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

固定水泥摻量（摻量=無機(jī)材料質(zhì)量/總質(zhì)量）為4%，生石灰摻量分別為 0、0.5%、1%、2%、4%，測(cè)試溶陷系數(shù)，生石灰摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響結(jié)果見圖1.

圖1 生石灰摻量（水泥摻量4%）對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

由圖1 可知，生石灰摻量為1%時(shí)氯鹽漬土的溶陷系數(shù)最小，分析原因：適量的生石灰能促進(jìn)水泥與氯離子反應(yīng)[13]，降低了土中可溶鹽的含量，而且生石灰促進(jìn)水泥水化作用，可提高土體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低溶陷系數(shù)；但若生石灰摻量過多，試件中的水泥會(huì)因生石灰過量水化導(dǎo)致水化反應(yīng)不完全，反而會(huì)使氯鹽漬土的溶陷系數(shù)上升.因此，當(dāng)水泥摻量為4%、生石灰摻量為1%時(shí)，氯鹽漬土的改良效果最好.

固定生石灰摻量為1%，水泥摻量分別為0、3%、4%、5%、6%，測(cè)試溶陷系數(shù)，水泥摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響結(jié)果見圖2.

圖2 水泥摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

由圖2 可以發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)逐漸降低；當(dāng)水泥摻量為0 時(shí)，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)仍高于1%，為溶陷性鹽漬土，這是由于氯鹽漬土中僅摻有1%的生石灰，對(duì)氯鹽漬土的溶陷性改良效果較差；當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)已降低到1%以下，改良后的氯鹽漬土為非溶陷性鹽漬土，原因是水泥水化生成膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)了試件的整體強(qiáng)度，從而降低了溶陷性；水泥摻量達(dá)到4%時(shí)，溶陷系數(shù)進(jìn)一步降低，達(dá)到較好的改良效果；但水泥摻量進(jìn)一步增加到5%和6%時(shí)，溶陷系數(shù)并沒有進(jìn)一步降低，這是由于水泥摻量達(dá)到一定時(shí)，會(huì)使試件產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度來抵抗外部載荷對(duì)它的作用，水泥摻量增加，使得試件強(qiáng)度增大，但外部載荷較小，不足以破壞試件的整體結(jié)構(gòu).因此，水泥摻量超過4%后，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)減小幅度不大，考慮到使用效果及成本，水泥摻量為4%較為適宜.

2.1.2 礦渣和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

固定礦渣摻量為15%，生石灰摻量分別為0、1%、2%、4%、6%，測(cè)試溶陷系數(shù)，生石灰摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響結(jié)果見圖3.

圖3 生石灰摻量（礦渣摻量15%）對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

分析圖3 可知：未摻加生石灰的氯鹽漬土改良后的溶陷系數(shù)仍大于1%，屬于溶陷性鹽漬土，這是因?yàn)槲磽郊由?，礦渣活性無法被激發(fā)，無法發(fā)生水化反應(yīng)；生石灰摻量超過1%后，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)降至1%以下，為非溶陷性鹽漬土；生石灰摻量達(dá)到2%時(shí)，其溶陷系數(shù)最低；生石灰摻量超過2%以后，氯鹽漬土的溶陷系數(shù)有所增大，但仍低于1%.可見只有在生石灰存在的條件下，礦渣的活性才可能被激發(fā)，并與氯離子發(fā)生反應(yīng)[14]，同時(shí)水化生成膠凝物質(zhì).當(dāng)生石灰摻量較少時(shí)，無法有效地促進(jìn)礦渣與氯離子進(jìn)行反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)也較少，溶陷系數(shù)較大；而當(dāng)生石灰摻量過多時(shí)，試件浸水時(shí)會(huì)吸濕軟化，影響氯鹽漬土溶陷系數(shù).因此，當(dāng)?shù)V渣摻量為15%、生石灰摻量為2%時(shí)，氯鹽漬土的改良效果最好.

固定生石灰摻量為2%，礦渣摻量分別為0、10%、15%、20%、25%，測(cè)試溶陷系數(shù)，礦渣摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響結(jié)果如圖4 所示.

圖4 礦渣摻量對(duì)氯鹽漬土溶陷系數(shù)的影響

由圖4 可知：氯鹽漬土的溶陷系數(shù)隨著礦渣摻量的增加而減小，這是因?yàn)楸簧壹ぐl(fā)活性的礦渣可以與氯離子進(jìn)行反應(yīng)，減少氯鹽漬土中易溶鹽含量，從而降低溶陷系數(shù)，同時(shí)礦渣水化生成的膠凝物質(zhì)提高了試件的強(qiáng)度，增強(qiáng)了土體整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，降低溶陷系數(shù)；隨著礦渣摻量的增加，相應(yīng)的試件中氯鹽漬土的摻量減小，即易溶鹽的總量降低，因此氯鹽漬土的溶陷系數(shù)降低.

2.2 無機(jī)材料復(fù)配對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

未經(jīng)改良的氯鹽漬土浸水后迅速崩壞溶解，無法保持其完整性，必須經(jīng)過改良才能應(yīng)用.因此，選用水泥和生石灰復(fù)配或礦渣和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行改良.

2.2.1 水泥和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

固定水泥摻量為4%，生石灰摻量分別為0、0.5%、1%、2%、4%，測(cè)試試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，生石灰摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖5.

圖5 生石灰摻量（水泥摻量4%）對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5 可知：氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量的增加呈先增后減的規(guī)律；不摻加生石灰時(shí)，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為1.03 MPa；隨著生石灰摻量的增加，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增大，當(dāng)生石灰摻量達(dá)到1%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，為1.45 MPa，提升幅度可達(dá)41%.可見，生石灰在一定范圍內(nèi)能促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，同時(shí)生石灰溶于水后解離出來的Ca2+能在氯鹽漬土中進(jìn)行離子交換，使顆粒之間結(jié)合得更緊密，增強(qiáng)了氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.但當(dāng)生石灰摻量超過1%以后，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而大幅度下降，特別是當(dāng)生石灰摻量達(dá)到4%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為0.81 MPa，比不摻加生石灰時(shí)還要低.這是由于生石灰摻量過多時(shí)，一方面生石灰會(huì)與水泥爭(zhēng)奪反應(yīng)所需要的水分，導(dǎo)致水泥水化不充分，另一方面生石灰水穩(wěn)定性較差，經(jīng)過24 h 的浸水后使得氯鹽漬土試件吸濕軟化，從而使氯鹽漬土抗壓強(qiáng)度下降.綜上，水泥摻量為4%、生石灰摻量為1%時(shí)，改良氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最好.

固定生石灰摻量為1%，水泥摻量分別為0、3%、4%、5%、6%，測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖6 所示.

由圖6 可知，氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大；當(dāng)不摻加水泥時(shí)，試件浸水期間崩解，無法測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.26 MPa；水泥摻量達(dá)到6%時(shí)，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.87 MPa，提升幅度為48%.可見，水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)能大幅度提高氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，氯鹽漬土中的膠凝物質(zhì)隨水泥摻量的增加而增多，使其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增大.

圖6 水泥摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 礦渣和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

采用礦渣和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行改良.固定礦渣摻量為15%，生石灰摻量分別為 0、1%、2%、4%、6%.測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，生石灰摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如圖7 所示.

圖7 生石灰摻量（礦渣摻量15%）對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7 可知，氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著生石灰摻量的增加呈先增后減的規(guī)律.不摻加生石灰時(shí)，氯鹽漬土浸水后崩壞溶解；氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨生石灰摻量的增加呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)生石灰摻量達(dá)到2%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值0.9 MPa.可見，生石灰可激發(fā)礦渣的潛在活性，使之發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，穿插在土體之中，形成骨架，從而對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行固化，提高了其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.隨著生石灰摻量的增加，反應(yīng)所生成的膠凝物質(zhì)增多，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大；但當(dāng)生石灰摻量超過2%后，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低，這是因?yàn)樯揖哂休^差的水穩(wěn)定性，過多的生石灰使得試件浸水后強(qiáng)度下降.因此，當(dāng)?shù)V渣摻量為15%、生石灰摻量為2%時(shí)，改良氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為最大.

固定生石灰摻量為2%，礦渣摻量分別為0、10%、15%、20%、25%，測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，礦渣摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖8.

圖8 礦渣摻量對(duì)氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8 可知，氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著礦渣摻量的增加呈先增后減的規(guī)律.當(dāng)?shù)V渣摻量為0 時(shí)，試件在浸水期間崩壞溶解，無法測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；隨著礦渣摻量的增加，氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增大；當(dāng)?shù)V渣摻量為15%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值0.9 MPa.可見，生石灰作為一種堿激發(fā)劑能激發(fā)礦渣的潛在活性，使之反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，并在氯鹽漬土內(nèi)部構(gòu)成膠凝構(gòu)造，增大了氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.隨著礦渣摻量的增加，反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)也增多；但當(dāng)?shù)V渣摻量超過15%以后，氯鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而大幅度下降，這是由于礦渣摻量過多，只有部分礦渣的活性被激發(fā)，而其余礦渣則分散在土體中，且不具有黏聚性，從而降低了氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.由此，礦渣摻量為15%、生石灰摻量為2%時(shí)，改良氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高.

3 結(jié) 論

采用水泥、礦渣和生石灰復(fù)配無機(jī)材料對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行改良，研究多種無機(jī)材料復(fù)配對(duì)氯鹽漬土溶陷性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)論如下.

（1）采用水泥和生石灰復(fù)配對(duì)氯鹽漬土進(jìn)行改良，氯鹽漬土的溶陷性能獲得有效的抑制，同時(shí)能提高氯鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)水泥摻量為4%、生石灰摻量為1%時(shí)，氯鹽漬土的改良效果最好.

（2）單一摻加礦渣對(duì)氯鹽漬土的改良效果不明顯，礦渣和生石灰復(fù)配能有效抑制氯鹽漬土的溶陷性，并提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；當(dāng)?shù)V渣摻量為15%、生石灰摻量為2%時(shí)，氯鹽漬土可得到較好改良.