凍融循環(huán)條件下固化劑改良鹽漬土鹽脹特性試驗(yàn)研究

劉晶磊 張國(guó)朋 張 楠

(1.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；2.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口075000；3.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000)

0 引 言

鹽漬土分布廣泛，鹽漬土作為一種特殊類型的土，直接應(yīng)用路面工程不能滿足路用性能，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略及一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，西部交通設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌陌l(fā)展機(jī)遇，但西部地區(qū)存在制約交通發(fā)展的因素，鹽漬土路基就是其中一項(xiàng)。鹽漬土為含鹽量超過0.3%的土，存在溶陷、鹽脹的客觀問題，需要經(jīng)過處理才能應(yīng)用路基。隨著鹽漬土治理研究的發(fā)展，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者提出具有針對(duì)性的解決方案，張莎莎等[1-2]研究影響鹽脹的要素進(jìn)行單因素分析，結(jié)果表明土的顆粒組成對(duì)鹽脹性能影響較大，并以甘肅某高速公路沿線鹽漬土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行凍融循環(huán)，得出結(jié)論天然粗顆粒鹽漬土鹽脹性小于細(xì)粒土的鹽脹性。于天佑等[3]以蘭州細(xì)粒鹽漬土為研究對(duì)象，得出結(jié)論隨著溫度的變化鹽脹率與鹽凍脹率存在相互作用。李國(guó)玉等[4]在甘肅省河西地區(qū)鹽漬土為研究對(duì)象，探究鹽脹和鹽凍脹的關(guān)系，結(jié)果表明含鹽量對(duì)區(qū)分二者關(guān)系具有很大影響，含鹽量高即鹽脹、含鹽量低即凍脹和溶陷影響。張佳興等[5]采用人工配制鹽漬土，通過普通硅酸鹽水泥和新型抗鹽脹固化材料SD改良鹽漬土鹽脹性能并取得顯著效果。連杰等[6]以水泥、石灰混合料改良鹽漬土的鹽脹結(jié)果表明能夠有效地降低鹽脹率。

以上研究改良鹽漬土鹽脹性能土顆粒多以粗粒土為主，細(xì)粒土研究較少，固化劑多以組合固化劑改良為主，土凝巖是一種新型建筑材料，將其作為固化劑改良鹽漬土鹽脹性能研究較少。本文采用水泥、土凝巖等材料對(duì)鹽漬土鹽脹性能進(jìn)行改良，研究在凍融循環(huán)條件下對(duì)鹽漬土的鹽脹性的影響，為實(shí)際生產(chǎn)施工提供必要的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

凍融循環(huán)試驗(yàn)需要大量鹽漬土，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，選取青海某高速公路沿線鹽漬土作為試驗(yàn)用土，篩分結(jié)果見表1所示，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定取樣鹽漬土含鹽量為3%。將配制好土樣進(jìn)行烘干試驗(yàn)，烘箱溫度調(diào)制105℃，持續(xù)24h，制備試件并悶料24h使用，制作五個(gè)不同含水率試件，相鄰兩個(gè)試件差值控制為2%。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]對(duì)配制鹽漬土進(jìn)行重錘擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)制取固化劑摻量為6%、8%、10%、12%、14%鹽漬土測(cè)出最優(yōu)含水率，降低含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)用土凝巖是用工業(yè)固體廢棄物作為原材料的新型環(huán)保材料，主要成分有赤泥、粉煤灰、煤矸石、冶金鐵礦渣、鋁土礦等，材料與傳統(tǒng)建筑材料相比具有環(huán)保、節(jié)能、降耗的優(yōu)點(diǎn)，通過理化反應(yīng)改善鹽漬土的鹽脹性質(zhì)。物理狀態(tài)表現(xiàn)為灰色粉末狀，密度為2.8～3.2g/cm3，初凝時(shí)間為≥8h，終凝時(shí)間為≤12h，7d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為34.5Mpa、9.4Mpa，水泥采用硅酸鹽水泥P.O42.5級(jí)。研究?jī)鋈谘h(huán)條件下固化劑改良鹽漬土特性，為控制試驗(yàn)溫度對(duì)鹽脹性的影響，模擬自然界溫度變化范圍試驗(yàn)采用全自動(dòng)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)定溫度為-20℃～20℃減小鹽脹和凍脹交互作用影響試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)規(guī)范[8]要求無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的基層壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，二級(jí)及二級(jí)以下公路穩(wěn)定細(xì)粒材料壓實(shí)度為≥0.95，試驗(yàn)中土樣壓實(shí)度為95%，試驗(yàn)方案見表2。由圖1可知擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果測(cè)得最優(yōu)含水率為8%和最大干密度為2.01g/cm3。

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表1 篩分結(jié)果

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究不同固化劑在不同摻量的情況下對(duì)改良鹽漬土特性的影響，選用水泥、土凝巖為改良劑進(jìn)行改良試驗(yàn)，分別配備含量為6%、8%、10%、12%、14%的固化劑進(jìn)行改良鹽漬土鹽脹性試驗(yàn)，凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M自然界晝夜溫差變化過程，試驗(yàn)降溫采用全自動(dòng)凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)持續(xù)降溫12h，升溫亦為12h，即24h為一個(gè)循環(huán)周期，循環(huán)往復(fù)5個(gè)凍融周期，降溫過程為20℃→15℃→10℃→5℃→0℃→-5℃→-10℃→-15℃→20℃。將燜好的試驗(yàn)用料在20℃條件下成型，即將準(zhǔn)備好的土料分5次裝入高20cm內(nèi)徑為15cm的圓柱有機(jī)玻璃筒中，單向擊實(shí)到所需干密度，然后再靜置24h后進(jìn)行鹽脹凍融循環(huán)試驗(yàn)。

圖2 凍融循環(huán)鹽脹試驗(yàn)示意圖

表2 試驗(yàn)方案

圖3 水泥改良鹽漬土鹽脹性能曲線 圖4 土凝巖改良鹽漬土鹽脹性能曲線

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖3和圖4可知，凍融循環(huán)第一周期水泥改良鹽漬土鹽脹率隨著水泥摻量的增加鹽脹率呈下降趨勢(shì)，凍融循環(huán)第二周期至第五周期中水泥摻量12%～14%區(qū)間時(shí)水泥改良鹽漬土鹽脹率變化不明顯。分析原因?yàn)榈谝淮蝺鋈谘h(huán)試驗(yàn)時(shí)土體升溫過程水分子與結(jié)晶鹽存在于土體中，土顆粒間相互作用減小造成土粒移動(dòng)，近而形成鹽脹，隨著固化劑摻量的增加，其產(chǎn)生的粘聚力增加抵抗鹽脹力硫酸鹽漬土土體結(jié)構(gòu)的破壞，當(dāng)摻量為6%～8%出現(xiàn)鹽脹陡降現(xiàn)象，是由于水泥的主要組成部分CaCO3與土中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的Ca(OH)2成為穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)的水化物。水泥中的礦物組成元素與硫酸鹽漬土中的硫酸根離子通過離子交換，從而降低硫酸鹽漬土的鹽脹性能，化學(xué)公式表示為：

CaCO3+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2+Na2SO4→CaSO4+NaOH

凍融循環(huán)第一周期土凝巖改良鹽漬土鹽脹試驗(yàn)中摻量為6%～10%時(shí)變化不明顯，由于土體間的有效應(yīng)力相互作用，使得土體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，故鹽脹率變化不明顯。土凝巖改良鹽漬土試驗(yàn)中第二至第五周期凍融循環(huán)試驗(yàn)中，由于土體間力的相互作用減弱，土顆粒間的間距加大，土體結(jié)構(gòu)變得疏松，土體結(jié)構(gòu)受到結(jié)晶鹽的侵蝕。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加土凝巖改良鹽漬土鹽脹出現(xiàn)下降現(xiàn)象，說明土凝巖中的碳酸根離子與鹽漬土中的硫酸根離子反應(yīng)過程緩慢，后期改良鹽漬土速率較前期加快，而后趨于平緩存在凍脹現(xiàn)象。兩種固化劑改良鹽漬土試驗(yàn)中均出現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)的增加鹽脹曲線出現(xiàn)比例下降趨勢(shì)，固化劑改良鹽漬土鹽脹性能在凍融循環(huán)條件下可以降低鹽脹性。

從圖3、4中可以看出：凍融循環(huán)試驗(yàn)中固化劑改良細(xì)粒硫酸鹽漬土鹽脹率過程中，兩種固化劑在改良鹽脹過程中固化劑摻量的增加鹽漬土鹽脹率呈下降趨勢(shì)，兩種固化劑均能作為改良劑改良鹽漬土鹽脹。水泥摻量為6%～10%時(shí)改良鹽漬土鹽脹在凍融循環(huán)條件下鹽脹率比土凝巖改良鹽漬土鹽脹率效果顯著，水泥摻量為10%～14%時(shí)趨于平緩；土凝巖改良鹽漬土鹽脹土凝巖摻量為6%～10%反應(yīng)平緩，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加土凝巖摻量為10%～14%改良鹽漬土鹽脹效果顯著，而后趨于穩(wěn)定，反應(yīng)結(jié)束后存在凍脹，與文獻(xiàn)[4]中所描述的事實(shí)相吻合。采用單一的固化劑改良鹽漬土鹽脹性能時(shí)，出現(xiàn)反應(yīng)速度快慢問題并最終影響最終的試驗(yàn)結(jié)果，后期研究中選用土凝巖+水泥的最優(yōu)組合改良鹽漬土鹽脹性能會(huì)達(dá)到理想效果。

4 結(jié) 語

本文通過凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)鹽漬土鹽脹性能進(jìn)行研究，在含鹽量、含水量、壓實(shí)度相同的條件下，采用兩種固化劑在不同摻量的情況下改良鹽漬土鹽脹特點(diǎn)，通過試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)固化劑改良鹽漬土鹽脹性能試驗(yàn)中隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加鹽脹率呈下降趨勢(shì)，固化劑改良鹽漬土鹽脹性能效果明顯。

(2)凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果中水泥改良鹽漬土鹽脹曲線與固化劑摻量呈現(xiàn)正相關(guān)，水泥摻量越高，改良鹽漬土的鹽脹性越顯著；土凝巖改良鹽漬土鹽脹性能與土凝巖摻量存在較大影響，土凝巖摻量越大，改良鹽漬土鹽脹性能顯著。

(3)固化劑改良鹽漬土鹽脹試驗(yàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥摻量為6%～10%時(shí)改良鹽漬土鹽脹試驗(yàn)中，鹽漬土鹽脹性得到改善，后期趨于穩(wěn)定；土凝巖摻量為時(shí)10%～14%改良鹽漬土鹽脹效果顯著，而后存在凍脹現(xiàn)象。

(4)土凝巖作為一種新型材料在鹽漬土改良方面存在廣闊的應(yīng)用空間，可以在改良鹽漬土強(qiáng)度、溶陷性等方面做研究。