鹽巖在羅布泊干鹽湖地區(qū)工程應用機理研究*

韓建文 何國杰 崔廉明

（陸軍勤務學院 重慶 401331）

1 引言

鹽巖是指經過長期強烈的蒸發(fā)作用使得飽和鹵水中的鹽份通過毛細作用逐漸濃縮析出，并通過一系列的物理化學作用，結晶所形成的一種特殊的巖土體［1］。天然鹽巖在形成過程中，鹽份結晶的同時夾雜膠結周圍的巖土顆粒，從而使原有土體強度得以提高。從土質歸類屬性上來劃分，鹽巖仍屬于鹽漬土的范疇，是一種極為特殊的過鹽漬土［1～4］。鹽巖在蒸發(fā)作用劇烈的海盆或者湖盆等鹽灘盆地地區(qū)尤為常見，像我國內陸干旱地區(qū)的新疆羅布泊、青海察爾汗鹽湖等典型地區(qū)。我國關于鹽巖的研究集中在20世紀70年代左右，主要以鹽巖為基礎在青海察爾汗鹽湖地區(qū)修筑了著名的“萬丈鹽橋”，2005年修筑的新疆S235省道羅布泊干鹽湖段為鹽巖路面簡易公路，但由于研究深度和技術所限，相關工程技術標準規(guī)范不夠完善，隨著使用時間的推移，部分工程病害問題亦逐漸凸現出來。因此分析研究鹽巖工程應用的機理，把握質量控制的技術要點，有效規(guī)避和減輕工程病害，對鹽巖在類似地區(qū)工程建設中更好資源化具有重要的意義。

2 鹽巖的基本特性

2.1 鹽份特征

通過采集多組不同位置鹽巖試樣進行化學分析，新疆羅布泊干鹽湖地區(qū)的鹽巖其含鹽構成主要以 NaCl、KCl等氯鹽，Na2SO4、K2SO4等硫酸鹽為主，其中氯鹽占據絕大部分，此外還有少量的其他鹽份。含鹽量見表1。

表1 羅布泊鹽巖含鹽分析表

根據鹽巖試樣鹽份分析結果，因其含鹽量超過60%，按照鹽漬土分類標準［5］，該地區(qū)鹽巖屬于氯鹽—超鹽漬土。

2.2 力學特性

對羅布泊地區(qū)天然鹽巖塊體制備試樣，測試鹽巖的單軸抗壓強度見表2，據試驗結果，羅布泊地區(qū)天然鹽巖的極限抗壓強度為1.76MPa～6.79MPa，平均抗壓強度為4.35MPa，可見鹽巖具有較高的天然強度。

表2 鹽巖單軸抗壓強度

但鹽巖在遇水后，其鹽分構成中的可溶性鹽類溶解，鹽巖中所含土顆粒間的聯結力下降，鹽巖整體結構出現溶陷松坍，其強度會發(fā)生較大的損失。

2.3 其他特性

2.3.1 溶陷性

鹽巖的含鹽化學類型多由氯鹽、硫酸鹽以及少量碳酸鹽等化學組成，其中大部分多為易溶氯鹽。當處于干燥狀態(tài)下，這些鹽份起著膠結土體顆粒的作用，使鹽巖具有較高的強度，并保證其完整性。但在遇水或潮濕環(huán)境下，鹽巖中含有的易溶鹽類發(fā)生溶解，在上部外加荷載或土體自重下，發(fā)生溶蝕塌陷。

圖1 羅布泊鹽巖塊體

2.3.2 鹽脹性

當溫度降低時，鹽巖所含的硫酸鹽與自由水結合產生結晶時，其體積發(fā)生膨脹，尤其以組分中的Na2SO4為典型代表，當其吸水結晶形成芒硝（Na2SO4·10H2O）后體積會增大3倍左右，即產生鹽脹。隨著溫度的升高，芒硝中的結晶水轉換為自由水，芒硝又轉變?yōu)闊o水的Na2SO4，其轉換過程如式（1）。工程上，正是由于這種循環(huán)過程導致路基路面等出現膨脹破壞。

通過鹽巖試驗段路基現場試驗表明：在溫度降低時，壓實度越高，其鹽脹程度越??；含水率越高，鹽脹量越大，且含水率對鹽巖的鹽脹起主導作用。

2.3.3 腐蝕性

腐蝕性是含鹽巖土體一個主要特性，工程上主要表現為對水泥混凝土等構筑物產生一定的腐蝕性。鹽巖高含鹽量的特征，導致鹽巖腐蝕性相對于一般鹽漬土而言更強。水泥中的主要成分為硅酸鹽 (3CaO·SiO2)和鋁酸鹽 (3CaO·Al2O3)其水化過程如式（2）。

以氯鹽為例，氯鹽中的Cl-與水泥水化產生的Ca(OH)2和水泥中的3CaO·Al2O3發(fā)生反應，從而生成比反應物體積大幾倍的不溶性固相復合物質3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O 。因為 Ca(OH)2被鹽巖中的Cl-不斷消耗，加快了式（2）中的反應速率，從而使混凝土產生破壞。因此，在鹽巖地區(qū)進行混凝土構筑物建設時應重點關注鹽巖的腐蝕影響。

3 鹽巖工程應用的基礎

3.1 理論基礎

3.1.1 強度生成機理

鹽巖作為一種特殊的巖土材料，衡量其工程性質的指標主要為強度指標，通過對鹽巖進行單軸壓縮試驗發(fā)現，鹽巖在單軸壓縮試驗下主要破壞以剪切破壞為主［4，6］。根據摩爾-庫侖理論：

式中：τ為抗剪強度，σn為法向應力，C為黏聚力，φ為內摩擦角。

通常評價巖土體抗剪能力的主要指標便是粘聚力C和土體內摩擦角φ。研究表明，粘聚力對土體強度的影響至為明顯［7］。鹽巖的黏聚力除土體顆粒間膠結作用外，還與鹽份中離子的結晶作用有關［5］，由所形成的晶體的強度決定。這區(qū)別于普通土體和一般鹽漬土的強度生成機理。

在微觀視角下，晶體化合物的強度主要由離子鍵抵抗破壞的能力（即鍵強）決定，并影響著由晶體化合物所組成材料的強度。離子鍵的物理破壞主要表現為受最大軸向拉力所導致的變形而引起的破壞。對于晶體化合物，其晶格破壞大多沿平行于化學鍵的方向，對晶體進行力學模型簡化，其理論抗拉強度即為某晶面上單位面積的化學鍵數目乘以化學鍵所承受的破壞前最大拉應力，羅布泊鹽巖中的最主要鹽份之一就是NaCl，據有關資料顯示［6］，NaCl晶體中離子鍵的理論抗拉強度可達到3.9GPa，這與NaCl晶體的較高的強度和硬度相印證。因此基于上述分析，鹽巖屬于具有較高強度的巖土體，這一點和上一節(jié)中關于鹽巖的力學特性分析相符。

3.1.2 再結晶自愈機理

鹽巖中含有大量的易溶鹽，在遇到淡水或低礦化度鹵水時會發(fā)生溶蝕現象，使得鹽巖內部發(fā)生較大的結構性損傷，盡管隨著水分的降低和溫度的升高，又出現鹽份重新結晶析出的情況，但其再結晶作用難以對已有結構溶蝕損傷進行彌補。已有研究表明［8］，鹽巖在飽和鹵水的作用下同時呈現出溶蝕與再結晶的雙進程，但其再結晶自愈合的效果大于溶蝕損傷的效果，相比于在淡水或不飽和鹵水作用下，鹽巖在飽和鹵水條件下其再結晶能力得到大幅提高。鹽巖工程應用時需對塊體破碎重塑，破碎后其損傷的裂隙結構面在飽和鹵水作用下，應力集中的損傷區(qū)或尖銳的棱角部位結構表面發(fā)生溶解，不同鹽巖塊體顆粒變得相對圓滑，且相互之間的接觸面積變大［9］，同時飽和鹵水為這些區(qū)域后續(xù)鹽份重新結晶的提供了來源。再結晶時，充填于鹽巖裂隙和孔隙里的飽和鹵水中各類鹽份大量析出并結晶生長，鹽巖顆粒間在結晶作用下相互粘結融合，形成一個強度整體，進而使發(fā)生損傷的鹽巖自愈恢復，力學性質得到增強。

3.2 現實基礎

3.2.1 自然條件利好

新疆羅布泊地區(qū)降水稀少，年降水量僅28mm，而蒸發(fā)量卻達3276.5mm以上，夏季氣溫高達45℃，地表溫度甚至可達70℃，冬季最低氣溫-23.5℃，常年多風，最大風速20m/s～24m/s，氣候極度干燥，屬于典型的大陸性干旱氣候。該地區(qū)地下富含飽和鹵水，水位埋深大致分布在1.3m～6m左右，采集到的鹵水樣本檢測其礦化度為349.75g/L。

圖2 羅布泊地下鹵水

羅布泊地區(qū)地下富鹽的鹵水和干燥的氣候為鹽份的高度積聚析出提供了必要的先決條件，使該地區(qū)天然形成質地堅硬的鹽巖，并廣泛分布于地表及一定地層深度范圍內［6］。在這種干燥的氣候環(huán)境條件下能較大程度保持其強度及工程穩(wěn)定性。

3.2.2 工程可行性好

在超強鹽漬土環(huán)境下進行工程建設，若采取換填方式進行地基處理則其換填工作量巨大，且換填料也難以就近獲取，必須從場外拉運，勢必導致工程造價劇增?；趯}巖的工程特性分析，若采用壓碎后的鹽巖作為地基換填材料，以其較高的強度和原生環(huán)境下的穩(wěn)定性，可以有效保證地基的穩(wěn)定性，且鹽巖重塑養(yǎng)護所需的飽和鹵水就地易取。與傳統地基處理方式相比，易于施工，極大減少了常規(guī)方式下地基換填所帶來的工作量和填料運費。特別是像新疆羅布泊地區(qū)作為我國最大的鉀鹽開采制備地，可充分利用鹽礦開發(fā)所開挖棄置的鹽巖，以此降低因施工對自然環(huán)境所帶來的破壞和污染，實現綠色施工。

4 鹽巖在路基工程應用中的技術要點

4.1 工程技術要點

4.1.1 鹽巖粒徑要求

天然狀態(tài)下的鹽巖孔隙較為發(fā)育，大多呈不規(guī)則的巨塊狀或殼體，為達到提高承載力的目的，需先對鹽巖塊體進行破碎，以增加細顆粒含量，提高鹽巖的壓實度。研究發(fā)現，鹽巖破碎后當細粒含量為20%，且最大粒徑不得超過150mm，可以得到較好的壓實質量［10］。因此在破碎鹽巖時，需控制好破碎率，使破碎后的鹽巖顆粒達到合適的粒徑級配要求，以獲取更加密實的填筑壓實效果。

4.1.2 填筑技術措施

根據鹽巖破碎后的再結晶自愈機理，鹽巖經飽和鹵水浸潤后，在重結晶作用下相互粘結融合進而達到自愈恢復，可形成一個強度整體，力學性質得以改善。因此，以破碎后的鹽巖顆粒作為填料修筑路基時，禁止噴灑淡水，而應以飽和鹵水代之。

4.1.3 基底處理

原始地表的鹽巖本身具備一定的強度，宜充分利用地表鹽巖。填筑路基前，對表層鹽巖進行破碎，再用推土機需對地表進行粗平后，噴灑少量飽和鹵水碾壓至滿足設計要求的密實度（一般不小于90%），之后方可進行路基本體的填筑。

4.1.4 路基本體填筑

在全線填筑前，宜進行路基試驗段修筑，驗證和優(yōu)化相關填筑的施工工藝和技術參數，以期獲得更高質量的施工效果。通過現場試驗段驗證，在路基本體填筑時，應采取分層填筑，初平松鋪厚度宜控制在180mm～200mm，此后各層松鋪厚度不大于300mm。用推土機將鹽巖料推鋪開后，采用羊足碾壓路機反復振壓破碎大鹽塊，使鹽巖破碎后的粒徑不大于150mm［11］。初平碾壓后，按最佳含水率均勻灑布飽和鹵水，進行“悶料”，使鹽巖充分吸水浸潤，待充分晾曬后再次碾壓。壓實工藝按照“振壓1遍、灑鹵水、振壓5遍、靜壓1遍”。當填至路基設計標高后，在鋪筑瀝青路面前，需定期對鹽巖路基表面噴灑鹵水養(yǎng)護，防止過干開裂，并采用“兩布一膜”等隔離材料進行包裹覆蓋，以阻斷鹽分遷移［12］。

4.2 不良工程問題預防處置

4.2.1 溶陷問題

鹽巖發(fā)生溶陷是因其所含的易溶鹽類發(fā)生溶解，而主要誘因是水。在填筑時要控制鹽巖的天然含水率，特別注意芒硝等硫酸鹽中所含的結晶水。盡管羅布泊地區(qū)年降水量不足28 mm，但可能集中在某短時間內，出現較強降雨，因此需預置相關隔水和排水措施。據孫自永、余紹文等在羅布泊地區(qū)開展的凝結水試驗［13］，凝結水日生成量遠大于平均降水量，凝結水的產生利于鹽巖溶蝕問題的發(fā)生。因此，以鹽巖為填料填筑時需對含水率進行測定，在路基中設置隔水層，避開雨天施工，同時對已填筑好的路基進行遮蓋，防止凝結水入侵。

圖3 鹽巖路基填筑

4.2.2 鹽脹問題

鹽脹問題的關鍵在于鹽巖中硫酸鹽類吸水結晶體積發(fā)生膨脹，由此產生的張力使得路基出現鹽脹破壞，伴隨著硫酸鹽的失水又出現松坍?；趯}鹽巖脹特性的分析研究，其鹽脹程度受含水率、壓實度、溫度等因素影響［14］。溫度降低時，壓實度越高，其鹽脹程度越??；含水率越高，鹽脹量越大［15］。在溫度一定條件下，硫酸鹽發(fā)生鹽脹對于水的因素最為敏感，因此在填筑時，宜選擇硫酸鹽占比和含水率較低的鹽巖填料，并通過晾曬通風等措施降低天然含水率，提高壓實度。

4.2.3 腐蝕問題

在鹽巖富鹽環(huán)境下，腐蝕問題主要表現為影響構筑物基礎、排洪管涵等現澆混凝土構筑物的耐久性。在應對鹽漬的腐蝕影響時，需加強防腐措施，盡量減少現澆。例如在設置排洪管涵時可采用經防腐處理后的預制管涵。如必須現澆施工，則可選用防腐性能優(yōu)良的特種水泥、提高水泥標號、增加保護層和防腐層厚度等措施來降低腐蝕問題的影響。

5 結語

1）基于對鹽巖的基本特性分析，鹽巖含鹽量遠超一般鹽漬土，且具有較高的天然強度，同時存在溶陷性、鹽脹性、腐蝕性等不良特性，且水對其溶陷性、鹽脹性影響十分突出。

2）鹽巖的強度生成機理與普通巖土體存在較大區(qū)別，因其含鹽量高，其強度生成除與土體顆粒本身的粘聚力相關之外，主要還與所含鹽份中的離子結晶作用有關，由所形成的晶體的強度決定。

3）鹽巖在飽和鹵水作用下再結晶自愈能力得以加強，基于此特性，鹽巖用作路基填料應用時，與傳統筑路模式中噴灑淡水取向完全相反，宜噴灑飽和鹵水，待鹽巖充分吸水浸潤后壓實，通過再結晶作用可形成強度整體，達到較好的強度預期。

未來在提高鹽巖資源化應用水平，優(yōu)化鹽巖環(huán)境下的技術工藝應是研究應把握的重點，以期盡快形成鹽巖工程應用的技術標準和規(guī)范。