海泡石固化鹽漬土的耐久性試驗(yàn)研究

朱燕，余湘娟，高磊

(1.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098；2.南通職業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院)

江蘇沿海鹽漬土的面積有1 000多萬(wàn)畝(1畝=666.66 m2)，自南(南通)向北(連云港)沿黃海呈帶狀分布，其中海堤以外灘涂有500多萬(wàn)畝。江蘇沿海地區(qū)地下50 m內(nèi)的鹽漬土類型均為氯鹽漬土，且易溶鹽分含量、腐蝕性特征均呈現(xiàn)了淺部含量逐漸升高-中層含量出現(xiàn)高值-深層含量逐漸降低的分布趨勢(shì)。氯鹽侵蝕導(dǎo)致鹽漬土地區(qū)發(fā)生鹽脹、波浪、鼓包、開裂等不良路基路面病害，影響了江蘇沿海地區(qū)道路工程建設(shè)和灘涂開發(fā)，制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

鹽漬土為細(xì)顆粒的特殊土，易使路基路面產(chǎn)生溶陷、膨脹和腐蝕等病害，充分利用鹽漬土作為路基填料成為沿海地區(qū)道路工程建設(shè)中的重要問題之一，而其耐久性問題應(yīng)為重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行研究。影響固化土耐久性的主要因素有收縮開裂、水穩(wěn)性和抗凍性等。該文采用人工配置鹽漬土，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)固化鹽漬土的強(qiáng)度、水穩(wěn)性和干濕循環(huán)性進(jìn)行研究，并利用X-ray試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)對(duì)固化鹽漬土的機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自南通市如東縣，取土深度為地下2 m，其物理指標(biāo)列于表1，屬于非鹽漬土。

表1 土層基本物理指標(biāo)

1.2 固化材料

試驗(yàn)選用海泡石固化鹽漬土，海泡石為市售普通海泡石，化學(xué)式為 Mg8Si12O30(OH)4(OH2)4·8H2O，是一種層鏈狀的硅酸鹽礦物，外觀為灰白色絮狀物，密度為1.2～1.5 t/m3，硬度為2～2.5，熔點(diǎn)為1 650 ℃，黏度為30～40 s。具有較好的抗鹽性、吸附性、流變性、離子交換性和催化特性等。海泡石的主要化學(xué)成分見表2。

表2 海泡石的主要化學(xué)組成 %

1.3 試樣制備

試驗(yàn)主要采用人工配制氯鹽漬土。將土樣過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，按照一定含水率配制好后在室溫下密封靜置24 h，根據(jù)氯鹽漬土含鹽量3%稱取所需NaCl，將其倒入土中攪拌均勻，室溫下密封存放7 d，使得土樣中的鹽分能夠分布均勻并與土體充分交換吸附，其后加入漫過土體的足量蒸餾水放置48 h，使土樣和鹽分繼續(xù)交換吸附，之后將土樣置于自然狀態(tài)下風(fēng)干，碾碎過篩(2 mm)后得到人工配制的中鹽漬土。

依據(jù)表1中最優(yōu)含水率和最大干密度，將海泡石按照固化材料摻量(固化材料質(zhì)量/干土質(zhì)量)分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.5%的配比加入人工配置的鹽漬土中。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用靜壓法制備尺寸為直徑39.1 mm、高度80 mm的試樣，每組3個(gè)平行試樣。將制備好的試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度25 ℃，濕度95%)中養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。試驗(yàn)儀器為YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，抗壓強(qiáng)度儀升降板的速率為2.4 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將上述試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)0、7、14、21和28 d，測(cè)試不同固化鹽漬土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見圖1。

圖1 固化材料摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出：固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著海泡石摻量的增加而顯著增加。當(dāng)海泡石摻量為1.0%以內(nèi)時(shí)，固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較為平穩(wěn)，而當(dāng)海泡石摻量為1.2%時(shí)，增長(zhǎng)的速度突增。齡期為7、14、21和28 d時(shí)，1.2%海泡石固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了1.53、1.59、1.75和1.92 MPa，比素鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增加了118%、121%、111%和104%。這說明海泡石的加入可有效提高鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，且摻量為1.2%海泡石固化鹽漬土效果明顯。

當(dāng)海泡石摻量較低時(shí)，固化鹽漬土具有明顯的塑性特征，隨著海泡石摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增大，彈塑性特征明顯，并逐漸顯示出脆性破壞的特征。

不同摻量的海泡石固化鹽漬土不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度增幅如圖2所示。

圖2 不同海泡石摻量時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度增幅

從圖2可以看出：所有固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)都在不斷地增加，且強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)間主要集中在7 d齡期內(nèi)。在海泡石摻量為1.2%，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度增幅高達(dá)200%。以海泡石摻量1.0%為例，在養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、21和28 d時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增幅分別為128.00%、19.30%、11.03%和8.61%，說明隨著齡期的增長(zhǎng)，海泡石固化鹽漬土的強(qiáng)度會(huì)持續(xù)提高，開始時(shí)較為明顯，后慢慢趨于穩(wěn)定，道路基層施工時(shí)尤其要注意前期養(yǎng)護(hù)。

2.2 水穩(wěn)性試驗(yàn)

制備水穩(wěn)性試驗(yàn)試樣，方法與前述無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同。一組試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(qu0)，另一組試樣在達(dá)到規(guī)定齡期前，先在水中浸泡24 h，然后測(cè)定其強(qiáng)度(qui)。qui與qu0的比值定義為水穩(wěn)系數(shù)K：

(1)

在浸泡過程中，素鹽漬土在12 h內(nèi)完全崩塌，無法測(cè)得其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水穩(wěn)性極差。0.2%～0.6%海泡石摻量的試樣表面均有不同程度的脫皮現(xiàn)象，0.8%～1.2%試樣在泡水1 d后基本能保持其完整性。

不同海泡石摻量在7 d和28 d的水穩(wěn)系數(shù)K見圖3。由圖3可知：海泡石固化鹽漬土的水穩(wěn)性系數(shù)明顯高于素鹽漬土。隨著海泡石摻量的增加，試樣的水穩(wěn)系數(shù)也在增加。在7 d齡期時(shí)，0.2%～1.2%試樣的K值均在50%左右，而素鹽漬土的K值則為0。此外，試樣的水穩(wěn)系數(shù)也隨固化時(shí)間的增加而增加。固化鹽漬土水穩(wěn)系數(shù)K在齡期7 d到28 d之間分別增加16.22%、20.95%、21.71%、19.17%和19.17%，28 d后保持約60%。與素鹽漬土相比，摻入海泡石可顯著提高鹽漬土的水穩(wěn)定性，且1.2%海泡石固化鹽漬土的K7d和K28d均最高。

圖3 摻量及齡期對(duì)固化鹽漬土水穩(wěn)系數(shù)的影響

2.3 干濕循環(huán)試驗(yàn)

制備干濕循環(huán)試驗(yàn)試樣，方法與前述無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相同。試樣在水中浸泡12 h，然后在室溫下自然干燥12 h即為1次干濕循環(huán)。測(cè)試不同齡期、不同摻量的海泡石固化鹽漬土的干濕循環(huán)次數(shù)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：① 7 d齡期下，素鹽漬土在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后基本崩解，無法測(cè)其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量和直徑，0.2%～0.6%摻量海泡石固化鹽漬土的表面侵蝕嚴(yán)重，0.8%～1.0%摻量海泡石固化鹽漬土的表面斑駁，出現(xiàn)裂紋，1.2%摻量海泡石固化鹽漬土的形態(tài)基本完整；② 不同摻量和齡期下，固化鹽漬土可經(jīng)歷的干濕循環(huán)次數(shù)不同。7 d齡期下，0.2%～0.6%摻量海泡石固化鹽漬土的干濕循環(huán)次數(shù)為1次，0.8%～1.0%摻量海泡石固化鹽漬土為2次，1.2%摻量海泡石固化鹽漬土為3次。

為定性評(píng)價(jià)固化鹽漬土的干濕循環(huán)性，以質(zhì)量損失率L來表示：

(2)

式中：Mi,w為第i次干濕循環(huán)后干試樣的干質(zhì)量損失(g)；Mi,0為第i次干濕循環(huán)后控制樣的干質(zhì)量損失(g)；Mw為干試樣的初始干質(zhì)量(g)；M0為控制樣的初始干質(zhì)量(g)。

固化鹽漬土在干濕循環(huán)中質(zhì)量損失率及干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出：7 d齡期時(shí)，0.2%～0.6%海泡石固化鹽漬土在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后，其質(zhì)量損失率均高于30%，判定耐久性不符合要求；0.8%～1.0%海泡石固化鹽漬土在經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后，耐久性符合要求；1.2%海泡石固化鹽漬土在經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后，耐久性也符合要求。從圖4(b)中可以看出：28 d齡期時(shí)，0.2%～1.2%海泡石固化鹽漬土在試樣斷裂前，其質(zhì)量損失均低于30%，滿足耐久性的要求。且1.0%～1.2%海泡石固化鹽漬土的干濕循環(huán)次數(shù)有所提高，1.0%海泡石固化鹽漬土的循環(huán)次數(shù)為3次，而1.2%海泡石固化鹽漬土的循環(huán)次數(shù)則為4次。由此可見：海泡石固化鹽漬土的抗干濕循環(huán)性隨著摻量及齡期的增加而提高。工程實(shí)踐中，若前期養(yǎng)護(hù)時(shí)間充足、條件良好，0.8%～1.2%海泡石固化鹽漬土的效果較為良好，滿足耐久性的需求。

圖4 不同齡期及海泡石摻量下固化鹽漬土的質(zhì)量損失率

3 固化機(jī)理試驗(yàn)研究

3.1 X射線衍射試驗(yàn)

制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。對(duì)素鹽漬土及海泡石固化后的鹽漬土進(jìn)行X衍射試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)、(b)可知：1.2%海泡石固化鹽漬土的X射線衍射圖與素鹽漬土的X射線衍射圖基本吻合，沒有出現(xiàn)新峰，說明海泡石沒有與鹽漬土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的官能團(tuán)和礦物成分，且海泡石摻量較少，對(duì)鹽漬土礦物結(jié)構(gòu)影響較小。

3.2 掃描電鏡試驗(yàn)

制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圓柱試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d。對(duì)素鹽漬土及海泡石固化后的鹽漬土進(jìn)行微觀電鏡掃描，獲得SEM照片，放大倍數(shù)為3 000。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 X射線衍射圖

圖6 掃描電鏡圖

由圖6可知：素鹽漬土呈現(xiàn)分散的、不連續(xù)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔洞數(shù)量多、體積大。而經(jīng)海泡石改良后的鹽漬土，孔隙中充填細(xì)小纖維物質(zhì)，使得土體中主要礦物成分平均晶粒尺寸均有不同程度的減小，降低了土體的空隙率，孔隙結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，且海泡石纏繞、包裹土體顆粒，起到增強(qiáng)加筋的作用，提高了土樣的強(qiáng)度。

3.3 固化機(jī)理分析

海泡石具有微孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)活化處理后，質(zhì)地疏松，孔隙度大，比表面積較大，吸水性較強(qiáng)，加入到土體中會(huì)吸收土中的水分，通過水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力作用，使土體吸附層減薄，電位降低，致使鹽漬土顆粒發(fā)生聚結(jié)。這些作用的結(jié)果導(dǎo)致土體分散性和黏塑性降低，土顆粒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性得以提高。隨著海泡石摻量的增加和齡期的增長(zhǎng)，發(fā)生反應(yīng)的程度也就越大，土顆粒的強(qiáng)度就越高，水穩(wěn)性及抗干濕循環(huán)性也越強(qiáng)。

此外，微小的海泡石分支較多，纖維相互纏繞，且表面粗糙不平，粗細(xì)不均，纖維端部有明顯的突起，似“觸角”狀，有利于相互搭接，在土體當(dāng)中以三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻分布，包裹、連接顆粒，有效地填充土體中的微小孔隙，使土體結(jié)構(gòu)變得致密，從而促使土體干密度增大，提高土體強(qiáng)度。海泡石混合在土顆粒之間的孔隙當(dāng)中，當(dāng)土體受到外部荷載作用發(fā)生變形時(shí)，彎曲纏繞在土顆粒間的海泡石也發(fā)生拉伸變形，同時(shí)提供拉力。由海泡石提供的拉力可以部分抵消外荷載，起到“加筋”的作用，從而提高土體強(qiáng)度。且這種“加筋”效果主要取決于海泡石和土顆粒之間的摩擦力，施工時(shí)可適當(dāng)提高壓實(shí)度來保證海泡石和土顆粒之間結(jié)合的緊密程度及接觸面的粗糙程度，確保施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)海泡石可以在較大程度上提高鹽漬土的強(qiáng)度，作為鹽漬土公路路基的新型固化材料，海泡石具有較大的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

(2)綜合考慮固化改良效果及耐久性要求，建議對(duì)含鹽量為3%的濱海氯鹽漬土中摻入1.2%海泡石，其強(qiáng)度、水穩(wěn)性及抗干濕循環(huán)性均達(dá)到最佳效果。若加強(qiáng)前期養(yǎng)護(hù)，0.8%～1.2%海泡石固化鹽漬土的效果較為良好，能獲得較高強(qiáng)度，滿足耐久性的需求。

(3)根據(jù)X衍射試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)結(jié)果顯示，海泡石沒有與鹽漬土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的官能團(tuán)和礦物成分；海泡石通過吸附、“觸角”和“加筋”作用，纏繞填充在土體孔隙中，吸收土中水分，使鹽漬土顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定整體，從而提高鹽漬土的抗壓強(qiáng)度及耐久性。