凍融循環(huán)下石灰硅灰改良鹽漬土理化特性研究

張元 孟凡香 付啟陽 王宗梁

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

近幾十年，隨著氣候變化環(huán)境問題及人類對自然的破壞，東北地區(qū)松嫩平原鹽漬土面積不斷擴大，鹽漬化程度越來越嚴重。而且隨著社會的發(fā)展，工程建設(shè)問題已經(jīng)涉及鹽漬土地區(qū)，所以研究鹽漬土理化特性具有重要意義。由于研究區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，一年溫差較大，所以應(yīng)考慮凍融循環(huán)。但對鹽漬土進行改良時，改良劑的選擇尤為重要。不僅要考慮到在工程建設(shè)時，對土體抗凍融穩(wěn)定性和強度的增強效果要好，也要考慮改良劑帶來的不良影響是否在可控范圍內(nèi)。保證改良劑對工程建設(shè)帶來良好效果和減小開支的同時，也要保證減小對自然環(huán)境的破壞。

目前，對于在凍融循環(huán)條件下鹽漬土的理化特性改良鹽漬土的研究，已經(jīng)有很大的進展。張建鋒等［1］通過石灰-粉煤灰-煤矸石混合料和水泥混合后對土體抗凍性進行研究，得出抗凍性大幅度增強。龔建清等［2］研究硅灰和粉煤灰對環(huán)氧樹脂修補砂漿抗凍性的影響，得出砂漿的抗凍性隨著硅灰摻量的增加先增加后降低，隨著粉煤灰摻量的增加而降低。陸敬文等［3］分析了單摻硅灰、單摻石灰石粉以及雙摻硅灰和石灰石粉對磷酸鉀鎂水泥抗鹽凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙摻硅灰和石灰石粉對提高磷酸鉀鎂水泥的抗凍性有一定的協(xié)同增效作用。李作恒等［4］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)石灰、水泥、SH 綜合改良后的鹽漬土路基有較好的水穩(wěn)性和抗凍性。Gong等［5］通過對混凝土摻入硅灰和粉煤灰，研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)達到25 次時，6%硅灰與30%粉煤灰質(zhì)量損失最少，抗凍性最佳。Cheng等［6］用硅灰代替水泥對混凝土加固，研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)破壞后質(zhì)量損失僅有0.17%。陳超等［7］摻入硅灰對水泥漿性能進行研究，得出少量硅灰摻入可以減少電導(dǎo)率帶來的危害。溫勇等［8］通過研究硅灰對水泥Zeta 電位的影響，發(fā)現(xiàn)硅灰對于早期反應(yīng)時電導(dǎo)率的下降有很大影響，且硅灰摻量越多電導(dǎo)率下降越多。

從以上文獻中可以看出，石灰、硅灰對于鹽漬土理化特性改良效果顯著，但是對于東北地區(qū)碳酸型鹽漬土用石灰、硅灰混合改良研究較少，所以本次試驗用石灰和硅灰來改良碳酸型鹽漬土。為研究凍融循環(huán)作用下石灰、硅灰作為碳酸鹽漬土改良劑的可行性，本研究設(shè)置了不同石灰摻量和不同硅灰摻量改良鹽漬土試樣，對試樣進行凍融循環(huán)前后的電導(dǎo)率和抗凍性分析，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)在機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究采用的鹽漬土是從黑龍江省綏化肇東地區(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)出較嚴重的鹽漬化特征。取土深度為10～40 cm，按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行基本特性試驗［9］。具體土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

石灰的主要成分為氧化鈣，此外還有氧化鎂以及鋁酸鈣、硅酸鈣、鐵鋁酸四鈣等，由主要成分為碳酸鈣的天然巖石經(jīng)高溫煅燒得到。硅灰是工業(yè)冶煉的副產(chǎn)物，主要成分是二氧化硅，火山灰反應(yīng)強烈，顆粒粒徑小且改良效果好，并且具有價格低廉、環(huán)保、耐酸堿腐蝕性等優(yōu)點。石灰和硅灰的主要成分分別見表2和表3。

表2 石灰主要成分表

表3 硅灰主要成分表

1.2 試驗設(shè)計

在對石灰和硅灰的摻量選擇問題上，因考慮到石灰與粉煤灰最佳配比為1∶2～1∶4.5，但硅灰的火山灰反應(yīng)比粉煤灰要劇烈，因此石灰與硅灰的配比為1∶1～1∶4。當(dāng)土樣經(jīng)過5～7 次凍融時，土樣理化特性趨于穩(wěn)定，并且前幾次凍融循環(huán)對土樣理化特性影響較大，因此，本研究設(shè)計1、3、5、7 次凍融循環(huán)次數(shù)?？紤]到綏化肇東地區(qū)夏季平均溫度為13～24 ℃、冬季平均溫度為-21～-10 ℃，所以凍結(jié)溫度和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃。具體配比方案見表4。

表4 改良材料摻量配比設(shè)計方案

1.3 試樣制備

對研究區(qū)的鹽漬土先進行自然風(fēng)干處理，然后將粉碎土繼續(xù)放入烘箱中烘干6 h。將烘干土按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行處理，過0.5 mm 篩子，石灰和硅灰均過篩子處理。根據(jù)經(jīng)驗可知，壓實度為85%～95%更具有實際意義，所以根據(jù)測定出的最優(yōu)含水率和最大干密度90%為標準，加入提前設(shè)定好的石灰、硅灰的摻量，配置出試樣。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)作用下改良土抗凍性的研究

本次試驗先按照標準配置改良土試樣尺寸直徑39.1 mm、高度80 mm，將試樣放入水中分別浸泡12 h 和24 h，并記錄吸水后的質(zhì)量計算吸水率。然后把試樣放入凍融循環(huán)裝置中，凍結(jié)溫度和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃，每次凍融循環(huán)后稱其質(zhì)量，并記錄計算出質(zhì)量損失。

由表5 可知，石灰改良土吸水率比硅灰改良土和雙灰改良土吸水率低，原因是一般石灰耐水性很差，但是和鹽漬土混合后會發(fā)生離子交換和碳酸反應(yīng)生成穩(wěn)定的物質(zhì)，耐水性反而升高，導(dǎo)致吸水性降低［10］。而雙摻混合改良土，加入石灰和硅灰與鹽漬土發(fā)生火山灰反應(yīng)生成氧化物凝膠，凝膠吸水性強，隨著反應(yīng)的進行生成結(jié)晶物質(zhì)，導(dǎo)致雙灰改良土吸水率升高。從以往經(jīng)驗可知，吸水性越高的材料抗凍性越差。吸水率間接反映了土粒間的孔隙度，吸水性越高，破壞現(xiàn)象越明顯。但是從無機改良鹽漬土試驗結(jié)果表面可知，規(guī)律并不明顯。

表5 各配比土樣吸水率

從圖1（a）研究發(fā)現(xiàn)，隨著石灰摻量的增加，質(zhì)量損失不斷減小。石灰摻量從0%到3%的質(zhì)量損失下降速率比石灰摻量從3%到6%的質(zhì)量損失下降速率要快。當(dāng)凍融循環(huán)一定時，摻入硅灰改良土的質(zhì)量損失比沒有摻入硅灰改良土的質(zhì)量損失要少。從圖1（b）研究發(fā)現(xiàn)，隨著硅灰摻量的增加，質(zhì)量損失不斷減小。硅灰摻量從0%到3%的質(zhì)量損失下降速率比硅灰摻量從3%到6%的質(zhì)量損失下降速率要快。當(dāng)凍融循環(huán)一定時，摻入石灰改良土的質(zhì)量損失比沒有摻入石灰改良土的質(zhì)量損失要少。由圖1（c）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失的損失率越來越大。并且素土、單摻石灰和單摻硅灰改良土抗凍性沒有石灰、硅灰混合改良土抗凍性好，質(zhì)量損失較多。石灰、硅灰混合改良土凍融循環(huán)第5 次時才出現(xiàn)質(zhì)量損失的情況，而素土和單摻石灰改良土凍融循環(huán)第3 次就有質(zhì)量損失的情況出現(xiàn)。改良土中單摻3%石灰改良土隨著凍融循環(huán)的進行質(zhì)量損失最早，質(zhì)量損失最多，抗凍性最差，而6% L+12% SF 改良土隨著凍融循環(huán)的進行質(zhì)量損失最晚，質(zhì)量損失最少，抗凍性最好。

圖1 抗凍性影響因素變化規(guī)律

2.2 凍融循環(huán)作用下改良土電導(dǎo)率的研究

本次試驗先按照標準配置改良土試樣，放入凍融循環(huán)裝置中進行凍融試驗，取凍融后的上層土樣，稱好后放入盛有去離子水的試管中。然后用震蕩機振蕩30 min使其均勻溶解在去離子水中，并靜置1 h。將靜置后的試樣放入校準后的電導(dǎo)率測定儀中，記錄試驗結(jié)果。

由圖2（a）可知，隨著石灰摻量的增加，土體電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，并且摻入硅灰試樣的電導(dǎo)率比沒有摻入硅灰試樣的電導(dǎo)率要??；單摻6%L的電導(dǎo)率遠大于單摻6%SF的電導(dǎo)率，而當(dāng)石灰、硅灰混合摻入后，石灰摻量從3%增加到6%后電導(dǎo)率得到大幅度提升，但同一石灰摻量下，隨硅灰摻量的增加，電導(dǎo)率出現(xiàn)減小的情況。從圖2（b）研究發(fā)現(xiàn)，隨著硅灰摻量的增加，土體電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，并且摻入石灰試樣的電導(dǎo)率遠大于沒有摻入石灰試樣的電導(dǎo)率；單摻6%SF 的電導(dǎo)率遠小于單摻6%L 的電導(dǎo)率，而當(dāng)石灰、硅灰混合摻入后，硅灰摻量從6%增加到12%后電導(dǎo)率出現(xiàn)減小的情況，但同一硅灰摻量下，隨石灰摻量的增加，電導(dǎo)率大幅度增加。從圖2（c）可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的電導(dǎo)率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而增大，但增加幅度很小，而且凍融循環(huán)5次后趨于穩(wěn)定。

圖2 電導(dǎo)率影響因素變化規(guī)律

3 討論

季節(jié)性凍土區(qū)的鹽漬土理化特性較為復(fù)雜，對工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)耕地影響很大。通過試驗得出，土體雙摻石灰、硅灰的抗凍性比單摻石灰、硅灰的抗凍性提升效果明顯，主要原因是石灰、硅灰摻入后發(fā)生一系列反應(yīng)，包括火山灰反應(yīng)、離子交換、碳酸反應(yīng)及石灰水解反應(yīng)［11］。石灰遇水后水解產(chǎn)生Ca（OH）2，Ca（OH）2與硅灰中的SiO2和Al2O3在堿性條件下發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成一種氧化物凝膠。隨著反應(yīng)的進行，氧化物凝膠變成硬度更高的結(jié)晶

物質(zhì)，大大增強了土體水穩(wěn)定性和抗凍性。而且土體內(nèi)發(fā)生離子交換，導(dǎo)致結(jié)合水膜變薄，土顆粒相互吸引發(fā)生團聚現(xiàn)象，使土體內(nèi)面更加穩(wěn)定，抗凍性更強。由于碳酸鹽漬土經(jīng)改良劑的作用使游離的Ca2+與CO32-、Ca（OH）2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3結(jié)晶，也大大增強了土體的抗性。凍融循環(huán)導(dǎo)致土體內(nèi)部骨架發(fā)生破壞，使得土體內(nèi)部體積變大，土粒間孔隙率變大，密實度降低，抗凍性隨之降低［12］。并且一般加固材料孔隙為毛細孔，毛細孔一般含有孔隙水，孔隙水是導(dǎo)致凍融破壞、降低抗凍性的重要因素。

對電導(dǎo)率的研究得出，石灰、硅灰混合摻入比單摻石灰電導(dǎo)率要低，但比單摻硅灰電導(dǎo)率要高，而且石灰對于電導(dǎo)率的提升起到?jīng)Q定性作用，硅灰有阻礙電導(dǎo)率提升的作用，凍融循環(huán)對于電導(dǎo)率的影響較小，主要原因是石灰水解產(chǎn)生的大量離子處于活躍狀態(tài)［13］，游離的離子數(shù)量增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。加入硅灰后，硅灰與石灰發(fā)生火山灰反應(yīng)和離子交換，硅灰在堿性條件下硅氧鍵斷裂，與石灰水解產(chǎn)生的Ca2+結(jié)合生成C-S-H 凝膠，剩余Ca2+、Mg2+與CO32-反應(yīng)生成CaCO3和MgCO3，消耗土中的離子，大大降低了土樣中的電導(dǎo)率［14］。并且硅灰中含有大量SiO2，SiO2的絕緣性較好，阻礙了土粒間的傳導(dǎo)性［15］。并且加入硅灰后使得導(dǎo)電活躍離子Na+、Ca2+、HCO3-等的有效濃度降低，導(dǎo)電離子間距離增大，使得各導(dǎo)電離子間遷移路程變長，電解質(zhì)電阻變大，導(dǎo)電性下降，電導(dǎo)率減小。凍融導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的原因是土體受到凍融影響，土體中的水分運動變慢，下層水分攜帶大量易溶鹽分向上遷移，融化時蒸發(fā)使鹽分留在表面，造成表層鹽分升高，導(dǎo)致或加重土壤的鹽堿化［16］。而且凍融循環(huán)導(dǎo)致土內(nèi)外部出現(xiàn)溫度差，水鹽遷移不斷進行，使得游離的離子更加活躍，也是導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的重要原因。

4 結(jié)論

①隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失隨之增大，并且石灰、硅灰混合改良土抗凍性比單摻石灰和單摻硅灰改良土抗凍性要好，質(zhì)量損失較少，抗凍融穩(wěn)定性更強。

②凍融循環(huán)一定時，石灰、硅灰混合摻入比單摻石灰電導(dǎo)率要低，但比單摻硅灰電導(dǎo)率要高。而且石灰對于電導(dǎo)率的提升起到?jīng)Q定性作用，硅灰有阻礙電導(dǎo)率提升的作用。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，但影響較小。