鹽漬土和混凝土的襯砌凍結(jié)強度直剪試驗分析

俞長隆

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

當前國家大力倡導節(jié)水農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)，旨在減少輸水浪費的問題，防止渠道工程遭到破壞，這表明提升輸水實際效益在重要性方面越發(fā)明顯。文章主要將某工程作為主要背景，針對渠道工程受凍害破壞十分嚴重問題進行系統(tǒng)分析。針對不同含鹽量、類型，以及法向應力鹽漬土與混凝土襯砌接觸面直剪試驗進行研究，然后結(jié)合試驗最終結(jié)果，對不同含鹽量與含鹽類型狀態(tài)下接觸面破壞呈現(xiàn)出變形規(guī)律，以及剪切破壞實際過程作出合理解釋[1]。

1 試驗設備與方案

1.1 材料與設備

試驗用土和混凝土襯砌均來自于某灌區(qū)，試驗中使用的用土需先使用去離子水進行浸泡，通過EC 電導率筆詳細檢測濾液電導率值實際，結(jié)合電導率和含鹽量之間存在的關(guān)系，針對土中鹽分含量進展開換算，然后實施多次浸泡，到土樣整體含鹽量不超過 0.1%為止。本次試驗過程中，抗凍標號可以設置為F150，就抗?jié)B標號來講，可以設置為 W8 ，其中為混凝土襯砌板構(gòu)成，強度等級方面為 C20，加工以后產(chǎn)生混凝土試件直徑實際上為61.8 mm，在厚度上為 20 mm。展開試驗過程中，試驗設備使用的為低溫冷凍箱。

1.2 方案

本次研究對象為氯化鈉以及硫酸鈉，也可以將其稱之為氯鹽漬土以及硫酸鹽漬土。鹽度梯度方面，可以設置百分比分別為4、2、1、0.5，以及素土，方面法向應力，選取的Pa分別設置為400、300、200、100，就含水率來講，最高達到16.7%，整體試驗組數(shù)為36組。試樣選取時，可以定量素土和分析純的NaCl 將二者摻合充分摻和均勻之后，在土中噴水，噴水時需注重對量的控制，充分拌和情況下，通過保鮮袋做好密封工作，密封時，時間需達到 24 h[2]。然后針對試驗土樣實施標準擊實，在此過程中，需使用環(huán)刀，直徑為 61.8 mm，高度達到40 mm ，并且上面涂著凡士林，然后運用逐次方式對土樣進行鉆取，并且混凝土裝倉相關(guān)工作完成，將試樣充分制備好以后，及時通過保鮮膜包裹好環(huán)刀，然后在冰箱中當值，放置式樣時，需保證冰箱溫度科學性與合理性，一般情況下為-10 ℃，試驗凍結(jié) 時間應為24 h[3]。在凍結(jié)結(jié)束情況下，利用土工脫模完整將式樣取出，將其放置在已經(jīng)預冷剪切盒當中進行剪切，剪切時的速度為 2.4 mm/min，進而實現(xiàn)直剪試驗。剪切盒預冷完全結(jié)束情況下進行裝樣，這種方式能夠使外界溫度作用與影響盡量減少，一般情況下，每次剪切工作在2-3min之間便能完成。試驗時可以將驗環(huán)境產(chǎn)生的影響忽略，不考慮溫度產(chǎn)生的影響。

2 氯化鈉在凍結(jié)強度方面發(fā)生的作用與影響

2.1 氯鹽漬土發(fā)生剪切應力位移時的特征

剪切應力使用τ表示，剪切位移使用μ表示，剪切處于初期時，這兩個曲線會產(chǎn)生剪應力以及剪切位移呈現(xiàn)比例性增加這一情況，這一階段屬于線彈性階段，曲線斜率即剪切模量會與法向應力二者之間呈現(xiàn)出正相關(guān)，含鹽量在逐漸增加情況下有所降低[4]。就破壞形式來講，為脆性破壞，τ曲線、以及μ曲線出現(xiàn)峰值比較明顯，峰值應力在達到情況下，接觸面會集中體現(xiàn)在破壞曲線下降，下降時十分迅速，并且與隨剪應力一同釋放，就應力釋放量而言，與法向應力、含鹽量二者之間聯(lián)系緊密，與法向應力為正相關(guān)，含鹽量不斷增高時，釋放現(xiàn)象呈現(xiàn)出減弱狀態(tài)。在應力釋放完全結(jié)束之后，曲線往往會趨于穩(wěn)定，這和水平線較為類似。針對剪切過程展開劃分時，根據(jù)的實際情況，可以劃分為3個階段，即線彈性、屈服、應變硬化。

上述試驗結(jié)果表明，處于凍結(jié)狀態(tài)時，氯鹽漬土以及混凝土二者接觸面為低含鹽量情況時，破壞性狀為脆性破壞，在此過程中，峰值應力十分明顯，進行剪切時存在明顯黏滯以及滑移問題，當氯化鈉整體含量呈現(xiàn)出逐漸增加狀態(tài)時，黏滑現(xiàn)象變得不是十分明顯，一定程度上有所減弱[5]。這種情況發(fā)生的主要原因在于，抗剪強度來源會受到內(nèi)摩擦角和黏聚力影響，如果含鹽量比較低，對于凍結(jié)溫度產(chǎn)生整體影響將會比較小，并且接觸面存在的冰晶數(shù)量越多，可以提供黏聚力則越大，剪切破壞過程實際上便是接觸面當中冰晶破壞過程。應力釋放、冰晶數(shù)量和冰膠結(jié)強度這幾者之間聯(lián)系緊密[6]。氯化鈉含量在逐漸增加時，凍結(jié)溫度也會有一定降低，當冰晶數(shù)量發(fā)生減少時，會讓冰晶膠結(jié)過程中強度降低。在此過程中，黏滯滑移出現(xiàn)主要是受剪切產(chǎn)生影響。接觸面破壞的冰晶受位移作用影響會有所增加，產(chǎn)生低溫重組情況，而冰晶在重組后將會繼續(xù)抵抗剪切發(fā)生的變形問題。當氯化鈉整體含量高于 2% 時，剪切位移如果不斷增加，受接觸面當中冰晶整體數(shù)量不足影響，難以實現(xiàn)再次凝結(jié)，最終導致黏滯滑移完全消失，同時剪應力會處于屈服強度，從破壞性狀層面講，為塑性破壞。

2.2 氯化鈉含量在接觸面實際凍結(jié)強度方面發(fā)生的作用與影響

受法向應力產(chǎn)生的影響，氯化鈉實際含量在逐漸增加情況下，鹽漬土以及混凝土二者抗剪強度會出現(xiàn)降低。出現(xiàn)這一情況主要原因在于 Na+ 離子與Cl - 離子對于凍結(jié)溫度產(chǎn)生的影響比較顯著，氯化鈉整體含量在逐漸增加時，實際凍結(jié)溫度會呈現(xiàn)出降低趨勢，同時冰晶數(shù)量會有所減少，并且膠結(jié)作用會發(fā)生減弱，導致接觸面實際凍結(jié)強度呈現(xiàn)出降低發(fā)展趨勢[7]。在氯化鈉整體含量不高于2% 情況下，在曲線斜率上基本相同，并且內(nèi)摩擦角不變。在氯化鈉整體含量高于 2%情況下，法向應力能夠達到 100 kPa，在含鹽達到 2% ，以及含鹽量達到4% 時，在此過程中，接觸面抗剪強度之間相差 為3.85 kPa，并且法向應力發(fā)生了一定變化，達到了400 kPa時，在抗剪強度方面，相差實際上為13.46 kPa，這在一定程度上表明，差值增加比較明顯，同時曲線斜率會有所降低，除此之外，內(nèi)摩擦角也會有所減小。當氯化鈉實際含量為 2% 時，脆性破壞性質(zhì)會發(fā)生一定轉(zhuǎn)變，逐漸發(fā)展到塑性破壞狀態(tài)。

3 硫酸鈉在凍結(jié)強度方面發(fā)生的作用與影響

3.1 硫酸鹽漬土發(fā)生剪切應力位移具體特征

在線彈性階段時，剪應與其位移二者之間呈正比，在接觸面受到剪應力影響時，會逐漸發(fā)生彈性變形，這一階段結(jié)束以后會出現(xiàn)應變硬化，但是應變硬化一般比較短暫[8]。在黏滯滑移階段時，當剪應力到處于峰值時，會聽到斷裂，在斷裂聲發(fā)出情況下，剪應力以及剪切位移逐漸會出現(xiàn)突變，當剪應力出現(xiàn)下降，并且降到某一程度時，在位移逐漸增大時會有所增大，當應力逐漸增大到某一程度時，會逐漸降低，這種狀態(tài)會進行多次循環(huán)，轉(zhuǎn)折每次實現(xiàn)時，應力差值都會減小，然后達到某種平衡。在屈服階段時，在應力處于平衡狀態(tài)情況下，不會剪切位移出現(xiàn)增大時發(fā)生比較大的波動，處于這一階段，可以了解到，曲線屬于水平線。當剪切試驗為初期時，這段期間為線彈性階段，這一階段中剪切模量以及法向應力二者之間屬于正相關(guān)。含鹽量一致時，如果硫酸鹽漬土自身接觸面發(fā)生剪切破壞，曲線在經(jīng)過數(shù)次波動以后逐漸處于屈服狀態(tài)，出現(xiàn)這一情況主要原因在于，不同離子對于土凍結(jié)溫度的影響會呈現(xiàn)出一定差異，對于氯離子而言，在土凍結(jié)溫度方面發(fā)揮降低作用如果和硫酸根離子之間相比會明顯更強。當含鹽量一致時，氯化鈉可以運用降低凍結(jié)上時的溫度形式讓凍水向著未凍水轉(zhuǎn)變，在未凍水含量逐漸增大情況下，可以發(fā)揮將剪切破壞有效緩沖作用，另剪切變形發(fā)生變化，向塑性變形發(fā)展。

3.2 硫酸鈉含量在接觸面凍結(jié)強度方面產(chǎn)生的影響

受法向應力作用與影響，如果硫酸鈉鈉整體含量有所增加，凍結(jié)時的實際強度會呈現(xiàn)出降低趨勢。當硫酸鈉整體含量低于 2% 時，在曲線斜率方面基本上相同，同時內(nèi)摩擦角也不會發(fā)生變化。當硫酸鈉整體含量達到4% 時，在曲線斜率方面，會出現(xiàn)較為明顯的降低，并且內(nèi)摩擦角有所減小。在含鹽量地域 2% 情況下，Na2SO4·10H2O 晶體進行析出目的在于將冰晶膠結(jié)作用降低，對接觸面摩擦角產(chǎn)生的影響并不大；在硫酸鈉含量增加過程中，土中的 Na2SO4·10H2O 晶體會有所增多，然后均勻在接觸表面上分布，與冰晶之間形成晶體膜，就晶體膜來講，潤滑作用比較明顯，能夠讓接觸面當中產(chǎn)生內(nèi)摩擦角明顯降低。接觸面實際抗剪強度會受到法向應力、黏聚強度、內(nèi)摩擦角影響，法向應力為零情況下，則抗剪強度與黏聚強度相等，黏聚力反映了接觸面處于初始狀態(tài)下的凍結(jié)強度，在黏聚力為零以及負值狀態(tài)下，則說明與混凝土并未出現(xiàn)凍結(jié)情況。接觸面如果失去初始狀態(tài)下凍結(jié)強度，一般與含鹽量有關(guān)。

4 結(jié) 語

總體來講，鹽漬土以及混凝土二者襯砌接觸面如果凍結(jié)狀態(tài)下應力位移發(fā)生的破壞性狀在含鹽量存在差異時會發(fā)生改變，接觸面最初凍結(jié)強度來自接觸面中的冰晶，并且會受含鹽以及含鹽類型作用與影響，氯化鈉對于接觸面產(chǎn)生最初凍結(jié)強度整體影響比較大。