凍融循環(huán)下石灰硅灰改良鹽漬土界限含水率研究

張 元，孟凡香，付啟陽(yáng)，王宗梁

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

鹽漬土分為鹽土和堿土，區(qū)別是鹽土是含氯鹽或者硫酸鹽的土壤，土體含鹽量較高，但是pH值并不算高。堿土主要含碳酸鹽和重碳酸鹽的土壤，pH值較鹽土高，土壤整體呈現(xiàn)堿性[1]。我國(guó)鹽漬土面積大概為3 630.53×104hm2，占全國(guó)可利用土地的4.88%[2]。松嫩平原是普遍的半干旱草原碳酸鹽漬土區(qū)[3]，土壤鹽分以NaHCO3和Na2CO3為主[4-6]。近幾十年，隨著氣候的改變及人類對(duì)環(huán)境的影響，東北地區(qū)松嫩平原鹽漬土面積不斷擴(kuò)大，鹽漬化程度越來(lái)越嚴(yán)重。并且隨著社會(huì)的發(fā)展工程建設(shè)問(wèn)題已經(jīng)涉及到鹽漬土地區(qū)，所以研究鹽漬土理化特性是很有意義的。由于研究區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，一年溫差較大，所以凍融循環(huán)應(yīng)為重點(diǎn)考慮的影響因素。

目前對(duì)于在凍融循環(huán)條件下鹽漬土的界限含水率和改良劑改良鹽漬土的研究，已經(jīng)有很大程度的進(jìn)展。鄭金城[7]發(fā)現(xiàn)石灰可以降低鹽漬土的液限塑限升高，粉煤灰降低鹽漬土液限和塑限。柴壽喜等[8]通過(guò)對(duì)石灰改良濱海鹽漬土界限含水率的研究，得出石灰對(duì)于鹽漬土的液塑限有直接影響。馬冰[9]在凍融循環(huán)的作用下用石灰改良界限含水率，研究發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的增加，液限減少塑限升高塑性指數(shù)降低，但是凍融循環(huán)對(duì)于界限含水率影響較小。錢程[10]用石灰改良紅黏土，發(fā)現(xiàn)隨著石灰摻量的變化，液限隨著降低，而塑限隨著升高。符策嶺等[11]用石灰改良膨脹土的液限塑限，發(fā)現(xiàn)石灰摻量對(duì)界限含水率的改良有明顯效果。陳寶等[12]發(fā)現(xiàn)石灰對(duì)液限的影響比塑限影響大。

從文獻(xiàn)中可以知道，火山灰對(duì)于鹽漬土界限含水率改良效果顯著，但是對(duì)于東北地區(qū)碳酸型鹽漬土用石灰硅灰混合改良研究較少，所以本次試驗(yàn)用石灰和硅灰來(lái)改良碳酸型鹽漬土。為研究?jī)鋈谘h(huán)作用下，石灰硅灰作為碳酸鹽漬土改良劑的可行性，本文設(shè)置了不同石灰摻量和不同硅灰摻量改良鹽漬土試樣，對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)前后的界限含水率進(jìn)行分析，并且闡述石灰硅灰改良土在凍融循環(huán)作用下的變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理，以期為松嫩平原鹽漬土地區(qū)工程設(shè)計(jì)和施工提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用的鹽漬土是從肇東地區(qū)取土，該地區(qū)鹽漬化表現(xiàn)明顯植被稀少，土體表面呈現(xiàn)鹽白色并出現(xiàn)裂痕裂縫的現(xiàn)象，表現(xiàn)出較嚴(yán)重的鹽漬化特征。經(jīng)驗(yàn)可知5—40cm土樣粒度成分理化特性突出，且受地表人為擾動(dòng)和環(huán)境影響較小，具有很強(qiáng)的研究效果，因此選擇5—40cm層位的土樣進(jìn)行試驗(yàn)。按照GB/T50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行基本特性試驗(yàn)[13]。具體土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)如下表1。

表1 土樣基本物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

石灰是人們最早使用的一種無(wú)機(jī)膠凝材料，其主要成分為氧化鈣，別名生石灰，此外還有氧化鎂以及鋁酸鈣、硅酸鈣、鐵鋁酸四鈣等[14]。硅灰是工業(yè)冶煉的副產(chǎn)物，主要成分是二氧化硅而且火山灰反應(yīng)強(qiáng)烈，顆粒粒徑小改良效果好，并且價(jià)格低廉、環(huán)保、耐酸堿腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[15]。具體成分含量如表2、表3所示。

表2 石灰主要成分表

表3 硅灰主要成分表

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)、石灰摻量及硅灰摻量作為試驗(yàn)變量，研究在凍融循環(huán)下石灰硅灰對(duì)界限含水率的影響，分析各影響因素間的關(guān)聯(lián)度，為季節(jié)凍土區(qū)鹽漬土改良提供參考意見(jiàn)。在對(duì)石灰和硅灰的摻量選擇問(wèn)題上，因考慮到石灰與粉煤灰最佳配比為1：2—1：4之間，但硅灰的火山灰反應(yīng)比粉煤灰要?jiǎng)×乙虼耸遗c硅灰的比為1：1—1：4之間。當(dāng)土樣經(jīng)過(guò)5—7次凍融時(shí)，對(duì)土樣的顆粒成分改變較小，并且前幾次凍融循環(huán)對(duì)土樣的顆粒成分改變較大，因此本文設(shè)計(jì)1、3、5、7次凍融循環(huán)次數(shù)?？紤]到綏化肇東地區(qū)夏季平均溫度13℃—24℃冬季平均溫度-21℃—-10℃，所以凍結(jié)溫度和融化溫度分別為-20℃和20℃。

表4 改良材料摻量配比設(shè)計(jì)方案

1.3 試樣制備

對(duì)從研究區(qū)的鹽漬土先進(jìn)行自然風(fēng)干處理，然后粉碎土繼續(xù)放入烘箱中等待6個(gè)小時(shí)。把烘干土按照GB/T50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行處理[13]，過(guò)0.5mm的篩子，石灰和硅灰均過(guò)篩子處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知壓實(shí)度85%—95%更具有實(shí)際性意義，所以根據(jù)測(cè)定出的最優(yōu)含水率和最大干密度90%為標(biāo)準(zhǔn)，加入提前設(shè)定好的石灰硅灰的摻量，配置出試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

土的界限含水率能更實(shí)際地反映工程建設(shè)時(shí)土的穩(wěn)定性、膨脹性和收縮性，粘性土的膨脹性和收縮性變化與塑性的改變是相同的。因此，對(duì)鹽漬土的界限含水率進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。土的界限含水率是指黏性土從一個(gè)黏稠狀態(tài)過(guò)度到另一個(gè)黏稠狀態(tài)時(shí)的分界點(diǎn)的含水率，也稱黏稠界限。界限含水率是土工試驗(yàn)粘性土基本指標(biāo)之一，對(duì)工程建設(shè)提供參考意見(jiàn)。本次試驗(yàn)采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)石灰硅灰改良土進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)，選取的凍融循環(huán)次數(shù)為0、1、3、5、7次。

2.1 石灰摻量對(duì)界限含水率的影響

從圖1可知，隨著石灰摻量的增加，液限隨著減小，摻入硅灰試樣的液限比沒(méi)有摻入硅灰試樣的液限要低，而且硅灰摻量越大液限越小。從圖2可知，隨著石灰摻量的增加，塑限隨著增加，摻入硅灰試樣的塑限比沒(méi)有摻入硅灰試樣的塑限要低，而且硅灰摻量越大塑限越小。從圖3可知，隨著石灰摻量的增加，塑性指數(shù)隨著減小，摻入硅灰試樣的塑性指數(shù)比沒(méi)有摻入硅灰試樣的塑性指數(shù)要低，而且硅灰摻量越大塑性指數(shù)越小。綜上說(shuō)明，雙摻對(duì)于塑性指數(shù)的影響效果比單摻石灰影響效果明顯。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下石灰摻量與液限關(guān)系

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下石灰摻量與塑限關(guān)系

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下石灰摻量與塑性指數(shù)關(guān)系

從上述可以知道石灰使得鹽漬土的液限和塑限指數(shù)減低，這是因?yàn)樘砑邮液笸林姓沉：繙p小，比表面積減小，土體中細(xì)顆粒含量減少，土體親水能力便弱，降低了土體的可塑性。由于毛細(xì)現(xiàn)象的作用，使得土顆粒間出現(xiàn)微弱大的凝聚力，從而使土顆粒凝聚起來(lái)，工程性質(zhì)得到改善。此外，鹽漬土與石灰之間發(fā)生的火山灰反應(yīng)、石灰水解、離子交換作用、氫氧化鈣結(jié)晶以及碳酸根反應(yīng)。火山灰反應(yīng)生成氧化物凝膠，土顆粒團(tuán)聚形成較大顆粒，使得土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。離子交換作用使結(jié)合水膜變薄，土粒間距變小土體更密實(shí)。氫氧化鈣結(jié)晶和碳酸根反應(yīng)，生成碳酸鈣結(jié)晶[16-18]。這一系列反應(yīng)生成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并改變了土顆粒之間原本的黏聚方式，從而降低其塑性。

2.2 硅灰摻量對(duì)界限含水率的影響

從圖4可知，隨著硅灰摻量的增加，液限隨著減小，摻入石灰試樣的液限比沒(méi)有摻入石灰試樣的液限要低，而且石灰摻量越大液限越小。從圖5可知，隨著硅灰摻量的增加，塑限隨著減小，摻入石灰試樣的塑限比沒(méi)有摻入石灰試樣的塑限要高，而且石灰摻量越大塑限越大。從圖6可知，隨著硅灰摻量的增加，塑性指數(shù)隨著降低，摻入石灰試樣的塑性指數(shù)比沒(méi)有摻入石灰試樣的塑性指數(shù)要低，而且石灰摻量越大塑性指數(shù)越大。綜上說(shuō)明，雙摻對(duì)于塑性指數(shù)的影響效果比單摻硅灰的影響效果明顯。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下硅灰摻量與液限關(guān)系

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下硅灰摻量與塑限關(guān)系

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下硅灰摻量與塑性指數(shù)關(guān)系

圖8 各摻灰量下凍融循環(huán)次數(shù)與塑限關(guān)系

圖9 各摻灰量下凍融循環(huán)次數(shù)與塑性指數(shù)關(guān)系

硅灰導(dǎo)致塑限指數(shù)改變的原因是硅灰表面高價(jià)陽(yáng)離子與鹽漬土表面的鈉離子鉀離子發(fā)生離子交換，使土粒間形成團(tuán)聚體。并且硅灰顆粒較小，加入硅灰后填充土粒間孔隙，使土樣更密實(shí)達(dá)到了降低塑性指數(shù)的效果[19]。而摻入石灰后，石灰與硅灰發(fā)生火山灰反應(yīng)更加劇烈，生成大量氧化物凝膠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得雙摻后改良土的塑性指數(shù)比單摻石灰硅灰的塑性指數(shù)更低，這也說(shuō)明了雙摻比單摻降低塑限指數(shù)效果好的原因。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)界限含水率的影響

從圖7、8、9可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，液限和塑性指數(shù)隨著減小，而塑限隨著增加，但單摻硅灰的塑限有小幅度的降低。從整體看凍融循環(huán)對(duì)于界限含水率的影響遠(yuǎn)不如石灰和硅灰對(duì)界限含水率的影響程度。主要是因?yàn)閮鋈谘h(huán)對(duì)土壤的粒徑組成影響不大，對(duì)土顆粒和水之間相互作用的影響程度是不夠的。改良土粘粒含量隨凍融次數(shù)的變化很小，粘粒含量原本就很少，因此土顆粒與水的相互作用的影響程度基本上沒(méi)有很大變化。

圖7 各摻灰量下凍融循環(huán)次數(shù)與液限關(guān)系

2.4 基于灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)鹽漬土界限含水率相關(guān)性分析

灰色關(guān)聯(lián)分析通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中一些已知信息的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中未知信息的預(yù)測(cè)。它是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，根據(jù)各因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似性或差異性，灰色關(guān)聯(lián)度被用來(lái)衡量各因素之間的關(guān)聯(lián)度?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)經(jīng)過(guò)下列公式處理，確定各因素直接對(duì)抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性，各子因素與母因素之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)通過(guò)式1可以算出。

本文采用均值化無(wú)量綱處理，為了防止數(shù)據(jù)數(shù)值過(guò)大導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)確定性下降，引入分辨系數(shù)p，分辨系數(shù)p取0.5。而灰色相關(guān)度采用下面式2可以算出。

式中n為數(shù)列長(zhǎng)度即數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

從表5可知液限灰色相關(guān)度排名從大到小為硅灰摻量、石灰摻量、凍融循環(huán)次數(shù)，說(shuō)明各因素對(duì)液限關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為硅灰摻量＞石灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)。從表6可知塑限灰色相關(guān)度排名從大到小為石灰摻量、硅灰摻量、凍融循環(huán)次數(shù)，說(shuō)明各因素對(duì)塑限關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為石灰摻量＞硅灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)。從表7可知塑性指數(shù)灰色相關(guān)度排名從大到小為石灰摻量、硅灰摻量、凍融循環(huán)次數(shù)，說(shuō)明各因素對(duì)塑性指數(shù)關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為石灰摻量＞硅灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)。

表5 液限灰色關(guān)聯(lián)度

表6 塑限灰色關(guān)聯(lián)度

表7 塑性指數(shù)灰色關(guān)聯(lián)度

3 結(jié)論

（1）研究發(fā)現(xiàn)，隨著石灰摻量的增加，液限和塑性指數(shù)隨著減小，塑限隨著增加；隨著硅灰摻量的增加，液限、塑限和塑性指數(shù)均隨著減小，并且雙摻對(duì)塑性指數(shù)的影響比單摻對(duì)塑性指數(shù)的影響大。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，液限和塑性指數(shù)隨著減小，而塑限隨著增加，但單摻硅灰的塑限有小幅度的降低。

（3）基于灰色關(guān)聯(lián)分析法可知液限關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為：硅灰摻量＞石灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)，塑限關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為：石灰摻量＞硅灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)，塑性指數(shù)關(guān)聯(lián)度影響關(guān)系大小為：石灰摻量＞硅灰摻量＞凍融循環(huán)次數(shù)。