洗鹽對碳酸鹽漬土的物理特性影響

胡爭，陳克政，黃帥，柳艷杰，叢宇婷，丁琳,*

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土及各種鹽化、堿化土的總稱，我國公路領(lǐng)域中對鹽漬土的定義為：巖土中易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等工程特性的土[1]。在鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)過程中遇到的問題引發(fā)人們關(guān)注[2]。王燕儒[3]研究指出，鹽漬土給公路工程造成的危害主要有：路基溶陷與潛蝕、路基次生鹽漬化、路面翻漿、路面變形、瀝青面層起皮、網(wǎng)裂以及脫落等；蔡云波[4]研究指出，在公路工程中，鹽漬土的存在易導(dǎo)致路基出現(xiàn)軟土病害，從而造成路面出現(xiàn)鹽脹、翻漿和溶陷現(xiàn)象；賀廣明[5]研究提出，鹽漬土鹽脹是鹽漬土地區(qū)道路主要病害之一，其對道路的破壞形式主要表現(xiàn)為：路肩及邊坡松散剝蝕,路面產(chǎn)生不均勻變形,形成波浪、鼓包,使得路面的平整度嚴(yán)重下降。此外，劉端鋒等[6]提到漬土的巖土工程問題必須因地制宜處理。另外，對于一些土壤鹽漬化熱點地區(qū)，東北松嫩平原鹽漬化的發(fā)生受到重視[7]。我國十四五期間推動實現(xiàn)東北地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施振興，為避免在建設(shè)過程中工程受到鹽漬土問題的影響，因此，東北地區(qū)的鹽漬土問題成為巖土研究領(lǐng)域的熱點。

在研究重塑鹽漬土的物理性能過程中，往往需要對鹽漬土進(jìn)行一定的處理以改變鹽漬土中易溶鹽含量，常見的重塑鹽漬土制分為2種方法，即洗鹽法和摻鹽法。

洗鹽法是利用去離子水反復(fù)浸泡使得土中鹽分溶于去離子水中并隨水分排出。例如，朱杰[8]通過向其所取土樣中加入蒸餾水，進(jìn)行洗鹽處理，以得到非鹽漬土；又如，Sastre-Conde等[9]用2%的CaCl2清洗鹽漬土。

摻鹽法是取得非鹽漬土土樣進(jìn)行摻鹽處理，以控制土中含鹽量。例如，周琦等[10]以非鹽漬土作為原料土，稱取一定質(zhì)量的粗鹽溶于水中，拌和均勻以制備出人工鹽漬土。LV等[11]在平原土壤中加入無水硫酸鈉以得到不同含量的鹽漬土。

使用摻鹽法開展重塑鹽漬土研究其代表性較差，不能反映研究區(qū)鹽漬土真實情況。而對于洗鹽法，由于洗鹽過程中土樣往往會發(fā)生一系列的物理化學(xué)性能變化，同樣不能代表研究區(qū)鹽漬土真實性能。文桃[12]將硫酸鈉溶于水后拌入干土中以得到仿制天然黃土狀硫酸鹽漬土，試驗發(fā)現(xiàn)黃土狀硫酸鹽漬土的擊實性能會受到含鹽量的影響。

為了還原某研究區(qū)鹽漬土真實性能，開展鹽漬土洗鹽前后物理性能變化試驗研究，量化洗鹽對鹽漬土工程性能的影響顯得十分重要。本文開展大慶鹽漬土洗鹽前后物理力學(xué)性能相關(guān)試驗測試，綜合分析洗鹽對其力學(xué)性能的影響，為重塑鹽漬土試樣配置以及建設(shè)工程實踐提供理論參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

氣候條件是影響土壤鹽漬化的重要因素之一，試驗土取自黑龍江省大慶市杜爾伯特地區(qū)，杜爾伯特蒙古族自治縣地處松嫩平原，位于溫帶半濕潤氣候向溫帶半干旱氣候過渡帶，屬中溫帶大陸性氣候，年降水量350～550 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 850 mm，蒸發(fā)量是降水量的3～4倍，在強烈蒸發(fā)作用下，低洼處潛水中的鹽分不斷地運積地表，形成土壤鹽漬化。近20 a來氣溫逐年升高，平均升高了2～3 ℃。蒸發(fā)量增大，加速了土壤的鹽漬化進(jìn)程，而降水量有減少趨勢，造成一部分濕地退化成鹽堿地[13]。

松嫩平原在侏羅紀(jì)晚期至白堊紀(jì)初期形成，中生代的斷裂構(gòu)造促進(jìn)了松嫩平原的發(fā)育，使松嫩平原的規(guī)模不斷擴大，又受到四周斷裂帶的活動影響，使得地形長期進(jìn)行升降活動。之后地質(zhì)構(gòu)造以沉降為主，沉積物包含大量的可溶鹽和石灰[14]。

大慶地處深季節(jié)凍土區(qū)，位于松嫩平原北部，小興安嶺東部，大興安嶺南部，該區(qū)域廣泛分布著碳酸鹽漬土[15]。根據(jù)前期對該區(qū)域的勘察結(jié)果，最終選定大慶市杜爾伯特蒙古族自治縣鹽漬化特別嚴(yán)重的鹽漬土作為研究對象。取回所需土樣后，按照本次試驗要求，將土樣進(jìn)行6等分。

2 洗鹽前后試驗方法及其結(jié)果

2.1 洗鹽方法

將前期所取土樣放入土樣桶內(nèi)，加入適量的去離子水，攪勻，靜置24 h后，若水依然渾濁，須繼續(xù)靜置24 h，直到其澄清，然后再用橡皮膠管吸取過濾掉上層清水，待其完全抽出，再向土樣桶內(nèi)加入相應(yīng)質(zhì)量去離子水，將上述步驟重復(fù)7 d[16]。

2.2 洗鹽前后含鹽量測定

含鹽量測定方法：本次試驗采用烘干法。操作步驟：將風(fēng)干土樣過2 mm的土工篩，稱取土樣，加入蒸餾水進(jìn)行溶水，然后將瓶口塞緊，震蕩3 min后抽氣過濾，得到土壤提取液，再立即密封進(jìn)行土壤可溶性全鹽的測定。此次試驗測試方法為烘干殘渣-質(zhì)量法，吸取出一定量的土壤浸提液，將其烘干之后稱重，求得鹽的含量，并重復(fù)測定2次，將3次試驗結(jié)果進(jìn)行平均[17]。

含鹽量計算公式為：

(1)

式中：S為易溶鹽總量，g；m1為蒸發(fā)皿和烘干殘渣總質(zhì)量，g；m2為蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；Vw為制取浸出液所加純水量，mL；V1為吸取浸出液量，mL；md為烘干土質(zhì)量，g；m為風(fēng)干土質(zhì)量，g；w為風(fēng)干含水率，%。

經(jīng)過計算可得，所取試驗土的洗鹽前含鹽量1.12%，洗鹽后0.082%。

2.3 洗鹽前后鹽漬土粒度組成與比表面積

土的粒度成分指的是土粒的大小及其組成，通常用顆粒分析方法對其粒度成分進(jìn)行了分析[12]。有效粒徑(D10)是指粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑；限制粒徑(D60)是指粒徑分布曲線上小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的60%的粒徑；不均勻系數(shù)是指反映土顆粒粒徑分布均勻性的系數(shù)，定義為限制粒徑(D60)和有效粒徑(D10)比值[18]。此次試驗儀器為激光粒度分析儀(型號為MASTERSIZER 3000)，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 洗鹽前后粒度組成對比圖

由圖1顆粒分析結(jié)果可知，大慶杜爾伯特地區(qū)洗鹽前鹽漬土的大粒徑土顆粒含量高于洗鹽后的大粒徑土顆粒含量，同時相較于洗鹽前，洗鹽后小粒徑土顆粒含量增加。

通過統(tǒng)計洗鹽前后各粒組含量占比，得到表1。

表1 洗鹽前后各粒組含量

從表1可以看出，洗鹽后土樣的比表面積低于洗鹽前的比表面積，各粒組百分含量也有一定的變化，且土體性質(zhì)發(fā)生改變，由粉質(zhì)黏土變?yōu)榉弁痢?/p>

2.4 洗鹽前后液塑限試驗

本次試驗所采取的試驗方法是液、塑限聯(lián)合測定法。

試驗步驟：取烘干土樣過0.5 mm篩，稱取篩下土,分為3份，對各土樣依次加入適量蒸餾水，分別測定塑限、液限；然后，將加水土樣攪拌均勻密封放置24 h，采用烘干法測量其含水量。液塑限聯(lián)合測定取點為3點[19]。試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，洗鹽前2 mm處塑限為15.6%，17 mm處液限為30.1%，洗鹽后2 mm處塑限為11.3%,17 mm處液限為20.2%。洗鹽后的液、塑限較洗鹽前都有不同程度的降低。

圖2 洗鹽前后液、塑限值

2.5 洗鹽前后擊實試驗

最大干密度ρdmax是擊實曲線上峰值的一點，此時對應(yīng)的土體含水量為最優(yōu)含水率ωopt，此物理量表示在一定的擊實荷載下，土達(dá)到最大干密度時的含水量。

試驗步驟：此次試驗采用輕型擊實儀，在擊實筒內(nèi)涂一薄層凡士林，然后將擊實筒放在堅實水平地面上，裝好護(hù)筒，對試驗土分3層擊實。如圖3所示。

由圖3可知，洗鹽后土體最大干密度增大，最優(yōu)含水率減小，擊實曲線向左上方移動。

圖3 洗鹽前后擊實曲線

2.6 洗鹽前后三軸試驗

土體的抗剪強度是代表土體的一項重要力學(xué)性質(zhì)，體現(xiàn)土體性質(zhì)與特征，而土體的抗剪強度取決于土的內(nèi)聚力c與內(nèi)摩擦角φ[20-21]。因此，通常用這2個值來研究鹽漬土強度參數(shù)變化。

本次試驗采用的是高級凍土動靜態(tài)三軸測試系統(tǒng)(型號為DYNTTS)將土樣制作成標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣(試樣高度為80 mm，直徑為39.1 mm)。采用不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗，對洗鹽前后2組土樣的抗剪強度指標(biāo)進(jìn)行測定，對洗鹽前后土樣在不同圍壓下抗剪強度的變化進(jìn)行對比分析，三軸試驗圍壓分別為100、200、300 kPa；剪切速率為0.08 mm/s，三軸試驗結(jié)束條件為應(yīng)變達(dá)到20%。測定洗鹽前后土樣試驗結(jié)果如圖4—圖5所示。

圖4 洗鹽前試樣三軸試驗曲線

圖5 洗鹽后試樣三軸試驗曲線

由圖4和圖5可知，在三軸試驗中，應(yīng)變增加時，應(yīng)力也隨著增加，其中，圍壓為100、200、300 kPa時，曲線一直增加且無峰值，應(yīng)變曲線呈硬化型。將15%的軸向應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力取做破壞點，隨圍壓增大，表現(xiàn)出明顯的壓硬性，即土樣的變形模型或剛度隨圍壓的增大而增大，測出抗剪強度指標(biāo)見表2。

表2 洗鹽前、洗鹽后試樣抗剪強度指標(biāo)

從表2可得知，洗鹽后的土體黏聚力低于洗鹽前土樣，內(nèi)摩擦角高于洗鹽前土樣。

3 討論

(1)經(jīng)過洗鹽處理，土樣中的含鹽量會降低，同時，土樣中的大粒徑土顆粒含量減小，小粒徑土顆粒含量增加，這說明，洗鹽作用使得大粒徑的土顆粒分離為小粒徑的土顆粒，這就使得原狀土的級配屬性發(fā)生了改變。并且，在洗鹽之后，土樣比表面積降低，這就會造成土顆粒之間的接觸面積減小，導(dǎo)致土體的黏聚力減小，而洗鹽之后的黏粒所占比例增加了，這就使得土顆粒之間的空隙變小，導(dǎo)致土體的內(nèi)摩擦角增大。

(2)通過液塑限試驗可以看到，在洗鹽之后，土樣的液、塑限均有不同程度的降低，吸附結(jié)合水的能力是土的黏性大小的標(biāo)志，同時，弱結(jié)合水是使土有可塑性的原因。塑限是判別強結(jié)合水和弱結(jié)合水的分界線，土樣含水率達(dá)到液限值，土樣則由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)(流態(tài))，土樣中留存的自由水可起到潤滑作用。塑性指數(shù)的降低表現(xiàn)為土體黏稠度的降低，這也造成土體的黏聚力降低，且防水性能也有所降低。所以，在擊實作用下，隨著含水率的增大，土樣更容易擊實，因此，擊實曲線才會向左上方移動。

(3)鹽顆粒在密實與松散的土骨架結(jié)構(gòu)中的存在形式有密實結(jié)構(gòu)和松散結(jié)構(gòu)[22-24]。根據(jù)三軸實驗結(jié)果可以得到：由于洗鹽作用，土體性質(zhì)發(fā)生變化，土樣從粉質(zhì)黏土轉(zhuǎn)變?yōu)榉弁?，這使得土體的黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增大。

4 結(jié)論

(1)東北地區(qū)碳酸鹽漬土中的含鹽量較高，在經(jīng)過洗鹽試驗之后，鹽漬土含鹽量減小，由鹽漬土變?yōu)榉躯}漬土。

(2)土體的大粒徑土顆粒含量減小，小粒徑土顆粒含量增加，顆粒百分含量小于0.005 mm的變化尤為明顯，增加了約5%，且洗鹽后土樣的比表面積降低，降低約8%，洗鹽造成土樣的液塑限也有所降低，其中，液限降低最為明顯，由30.1%降為20.2%。最大干密度增加了0.075g/cm3，最優(yōu)含水率降低了1.96%，土體級配屬性發(fā)生改變，土體性質(zhì)發(fā)生改變，由粉質(zhì)黏土變?yōu)榉弁痢?/p>

(3)同時，由于洗鹽造成的土體中比表面積降低，黏粒所占比例增加，使得洗鹽后的土體黏聚力降低，但內(nèi)摩擦角增大。通過三軸試驗可以知道，洗鹽后黏聚力損失近40%，內(nèi)摩擦角增加約28%。而在工程實踐當(dāng)中，對于經(jīng)過洗鹽處理后的鹽漬土，往往高估了鹽漬土的黏聚力，同時，也低估了內(nèi)摩擦角的增大。所以，在今后的工程實踐中，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎考慮鹽漬土黏聚力及其內(nèi)摩擦角的變化情況。

(4)另外，本次研究只是洗鹽之后所做的物理特性的初步研究成果，對于鹽漬土洗鹽前后的微觀指標(biāo)以及其他物理力學(xué)特性還需要做進(jìn)一步的深入研究。