凍融-干濕循環(huán)下硫酸鹽漬土強度劣化的宏微觀響應

雷 過,張衛(wèi)兵,2,李 曉,劉臻祥,周鑫磊

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院,銀川 750021; 2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心,銀川 750021)

1 研究背景

工程中,將土中易溶鹽含量超過0.3%,并具有鹽脹、溶陷、腐蝕等特殊工程特性的土稱為鹽漬土,分為鹽土與堿土。在我國西北地區(qū)分布著大量的硫酸鹽漬土,其易受外界環(huán)境影響發(fā)生鹽脹與溶陷,對硫酸鹽漬土地區(qū)的公路、地基安全造成嚴重的影響。凍融、干濕循環(huán)對微觀孔隙有較大影響,如孔隙率隨凍融次數(shù)先增加后減小最后緩慢增加,平均孔徑隨干濕循環(huán)先減小后增加且均小于未干濕的孔徑。同時孔隙變化又與強度有緊密的聯(lián)系。王海濤等[1]得出凍融次數(shù)對內摩擦角影響不大而黏聚力隨凍融次數(shù)增加而減小。而馬君澤等[2]得出內摩擦角會隨著干濕循環(huán)和含鹽量的增加而減小。Feng等[3]根據(jù)溫度場和土壤特性,可以估算硫酸鹽漬土公路地基的鹽脹敏感深度。劉凱等[4]得出前4次凍融循環(huán)產(chǎn)生的鹽脹量占80%,且第6次循環(huán)時鹽脹趨勢減緩。應賽等[5]認為硫酸鹽漬土在降溫過程中鹽脹與凍脹相互影響,當鹽脹與凍脹程度相同時體積變化最小。Lü等[6]認為使用不同固化劑時含鹽量對無側限抗壓強度的影響類似,且隨含鹽量的增加無側限抗壓強度先增加后減小,強度峰值出現(xiàn)在含鹽量為1.8%時。宮經(jīng)緯等[7]通過全固廢材料固化硫酸鹽漬土得出含鹽量低于2.7%時抗壓強度呈先增后減趨勢,強度峰值也在含鹽量為1.8%時出現(xiàn)。Yu等[8]也得出隨含鹽量或石灰比例增加,硫酸鹽漬土的無側限抗壓強度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。以上學者從不同角度、不同因素出發(fā)對鹽漬土宏觀方面進行了研究。

而微觀方面,呂擎峰等[9]通過核磁共振與無側限抗壓試驗得出顆粒間的膠結情況對固化效果的影響大于孔隙特征。且通過石灰粉煤灰和水玻璃固化鹽漬土均通過改變孔隙體積來提高抗壓強度,而水玻璃、石灰粉煤灰的固化效果對孔隙改變效果一般,但能通過反應所生成的凝膠物質填充孔隙來提高抗壓強度且效果較好[10]。張偉等[11]通過CT圖像與數(shù)據(jù)得知粉土質砂硫酸鹽漬土在三軸剪切過程中趨于密實和均勻。Zhang等[12]通過電鏡掃描得出凍融循環(huán)引起硫酸鹽漬土凍脹和鹽脹過程中,細顆粒含量因土體結構遭到破壞而增加。 Zhang等[13]在結晶動力學基礎上研究硫酸鈉凍結過程中的結晶生長機理,證明微觀結晶動力學理論可以很好地解釋宏觀結晶現(xiàn)象。王春雷等[14]認為易溶鹽析出結晶與土顆粒膠結可使土體抗剪強度提高。色麥爾江等[15]采用改良方式對鹽漬土進行微觀分析得出固化后的鹽漬土顆粒變大,土顆粒的較完整。粉煤灰加石灰比水泥加石灰改良后的內部結構排列緊密,內部結構更加完整。

綜上,已有研究成果對變化環(huán)境下硫酸鹽漬土宏觀力學指標或微觀結構方面進行了研究,但未能將宏觀指標劣化程度與微觀結構演變之間建立有機的聯(lián)系,未能建立二者之間的響應關系模型。為此,本文以寧夏地區(qū)硫酸鹽漬土為研究對象,通過無側限抗壓強度試驗獲取凍融-干濕作用下硫酸鹽漬土宏觀強度劣化宏觀參數(shù),借助SEM和壓汞試驗獲取微觀結構演變參數(shù),然后基于全局優(yōu)化法分析宏微觀參數(shù)間的聯(lián)系,并試圖建立二者之間的定量關系。

2 試驗方法

2.1 土樣分析

本試驗用土選自寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)。該地區(qū)位于中部干旱帶,地下水礦化度高,年降雨量少,蒸發(fā)量大,導致土壤鹽漬化嚴重,且多為硫酸鹽及亞硫酸鹽漬土。試驗所取原狀土的粒徑分析如表1,易溶鹽離子含量如表2所示。

表1 顆粒粒徑含量Table 1 Particle gradation

表2 原狀土易溶鹽離子含量Table 2 Soluble salt ion content in original soil

2.2 試驗方案

2.2.1 試驗方案設計

為減少原狀土中其他離子對試驗的影響,將原狀土經(jīng)洗鹽、風干、過2 mm篩后配制重塑土試樣。根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行擊實試驗得到土體最大干密度為1.65 g/cm3,最優(yōu)含水率為17.64%。然后按照不同壓實度和含鹽量將重塑土制成直徑39.1 mm,高為80 mm的圓柱體試樣。本試驗方案設計中含鹽量分別設置為0%、0.5%、1%、2%、4%、6%,含水率均為擊實試驗所得最優(yōu)含水率,壓實度分別設置為90%、92%、95%、98%。共24個工況,無側限抗壓強度制作兩組,壓汞試驗制作一組共計72個試樣。試驗工況設計如表3所示。

表3 試驗工況設計Table 3 Design of test conditions

2.2.2 試驗方法

3 試驗結果與分析

3.1 凍融-干濕循環(huán)下硫酸鹽漬土的強度劣化機理分析

劣化機理主要對無側限抗壓強度的規(guī)律、微觀參數(shù)以及孔隙分布的規(guī)律進行研究并分析其聯(lián)系。通過壓汞試驗得出的歪度與結構優(yōu)度微觀參數(shù)如表4所示。凍融-干濕循環(huán)作用下硫酸鹽漬土無側限抗壓強度與含鹽量及壓實度的關系曲線分別如圖1所示。

圖1 無側限抗壓強度與含鹽量、壓實度的關系Fig.1 Relations of unconfined compressive strength against salt content and compaction

表4 歪度與結構優(yōu)度微觀參數(shù)Table 4 Microscopic parameters of skewness and structural merit

由圖1(a)可知,隨著含鹽量增加無側限抗壓強度大致呈現(xiàn)為先增大后減小的變化趨勢,當壓實度較低(<92%)時強度峰值出現(xiàn)在含鹽量為0.5%時。而壓實度較高(>95%)時強度峰值接近含鹽量為2%。由圖1(b)可知,隨著壓實度的增加無側限抗壓強度總體呈下降趨勢,這是由于高壓實度下孔隙體積較小,隨著凍融-干濕循環(huán)下硫酸鈉反復的溶解與結晶,越小的孔隙遭受鹽脹影響越大,孔隙結構的損壞越嚴重,因此在宏觀情況下反應為強度較低。而92%壓實度下,無側限抗壓強度的平均值最高,圖1(b)中的強度峰值幾乎對應在92%壓實度處,因此表明92%壓實度的硫酸鹽漬土受凍融-干濕循環(huán)作用下的強度劣化影響最小。結合表4可知,除90%、92%壓實度且不含鹽的試樣歪度<1,其余孔喉均偏向于粗孔,這是因為硫酸鈉的存在土體發(fā)生鹽脹使得孔喉呈現(xiàn)粗歪度。而結構優(yōu)度值大多在1～2之間,因結構優(yōu)度表征平均孔喉半徑與分選系數(shù)之比,由此可知整體孔喉分布不均,這與鹽脹有較緊密的聯(lián)系。

此外,圖1(a)中顯示,當壓實度為92%和98%時無側限抗壓強度呈現(xiàn)雙峰。結合表4壓汞試驗給出的歪度和孔隙結構優(yōu)度微觀參數(shù)來看,92%壓實度、0.5%含鹽量土體經(jīng)歷凍融-干濕循環(huán)作用后土體微觀的結構優(yōu)度為0.217,遠小于其它含鹽量情況。而在第二峰值2%時,此時結構優(yōu)度與平均孔喉半徑小于其余4組含鹽量,整體孔徑分布較均勻,因此強度較高。98%壓實度時與92%相似,第一強度峰值對應的含鹽量為1%,此時結構優(yōu)度較優(yōu),雖然歪度值最高,但由于平均孔喉半徑與最大連通半徑都較小因而出現(xiàn)峰值。而第二峰值較低,從壓汞數(shù)據(jù)分析可知結構優(yōu)度雖然較好,但孔喉大小與分布都與2%鹽量相接近。90%與95%壓實度下僅出現(xiàn)單峰,是因為在峰值對應的鹽量時結構優(yōu)度較小且此時的平均孔喉半徑與最大連通孔徑都是最小的。而90%未出現(xiàn)第二峰是由于含鹽量>0.5%后結構優(yōu)度持續(xù)增加,而95%壓實度微觀參數(shù)差距較小,且此時結構優(yōu)度的偏差系數(shù)也是最小的,故而整體強度波動相較其余壓實度要小,再次說明結構優(yōu)度與強度之間聯(lián)系更加緊密。從強度值與歪度和結構優(yōu)度值分析可知,強度值較高的結構優(yōu)度值較低。

3.2 凍融-干濕循環(huán)下硫酸鹽漬土的微觀孔隙結構分析

通過YG-97A型電容式壓汞儀得出的孔隙分布,探究其在凍融-干濕循環(huán)后孔隙分布與強度劣化的響應關系。再聯(lián)系ZEISS電鏡掃描儀得出的電鏡掃描圖像,結合ImageJ2X從表觀孔隙結構方面對強度劣化進行分析。孔隙分布規(guī)律如圖2所示。

圖2 孔隙分布Fig.2 Pore distribution

如圖2所示,孔徑在[1,63]μm的孔隙組成占據(jù)主要部分,這一部分占孔隙總量比值的87%以上,因此判定該試驗中影響強度變化主要是由于大孔隙[10,63]μm和中孔隙[1,10)μm的轉換導致的。當孔隙在[1,10)μm的孔隙占比超過50%時強度將會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象,當大孔比值高于50%,中孔比值低于50%時,無側限抗壓強度隨著含鹽量增加而提高,但隨著含鹽量的繼續(xù)增大,鹽分對孔隙的破壞作用增強導致大中孔隙遭到破壞且硫酸鈉在干燥后優(yōu)先填充在大孔隙中,因此大孔隙減小,中孔隙增加,此時孔隙結構已經(jīng)遭到破壞,因此出現(xiàn)強度劣化現(xiàn)象。即在同一樣品中大孔占比多于中孔,打破這一平衡時出現(xiàn)強度劣化行為。且中孔差值越大強度劣化程度越高。壓實度為90%、92%均在含鹽量為0.5%開始劣化,中孔占比差值分別為21.73%、27.42%,強度差值分別為3.5、6.12 kPa,壓實度為95%時在含鹽量為2%開始劣化,中孔占比差值為24.03%,強度差值為6.95 kPa,壓實度為98%時在含鹽量為1%開始劣化,中孔占比差值為4.39%,強度差值為2.43 kPa。證明強度劣化和大中孔的孔隙占比有關,且中孔間的占比越大,強度劣化越嚴重。從孔隙分布分析,強度劣化的主要原因是在凍融-干濕循環(huán)過程中硫酸鈉反復發(fā)生鹽脹破壞了孔隙。最終在干燥后硫酸鈉粉末填充在大孔隙中,因此當中孔孔隙占比增加時強度會出現(xiàn)劣化。這也是強度劣化且不可恢復的主要原因。

為探究微觀孔隙率與宏觀強度之間的聯(lián)系,依據(jù)圖1(b)選擇各壓實度下強度最高與最低的試樣,借助掃描電子顯微鏡對各工況試樣進行電鏡掃描并獲取圖像,通過ImageJ2X軟件分析得出相應工況下的孔隙率,選取同一工況下相同倍數(shù)的兩張圖像進行分析得出孔隙率并取平均值作為最終孔隙率。閾值選擇70最佳[17],經(jīng)分析放大倍數(shù)宜選取10 000倍,在此倍數(shù)下孔隙結構易觀察、顆粒排列較清晰。電鏡掃描結果如圖3所示,分析所得孔隙率如表5。

圖3 電鏡掃描圖像Fig.3 Scanning electron microscope images

表5 孔隙率Table 5 Porosity

由圖3可知,經(jīng)歷6次凍融-干濕循環(huán)后,土顆粒上附著的碎屑越多,對應的強度越低,這是由于碎屑為小顆?；蛄蛩徕c粉末在干燥情況下減小了土體的內摩擦力導致強度降低。還可以看出隨著壓實度的增加,土體更加密實形成整體。而據(jù)表3、圖1、表5分析可知,無側限抗壓強度與孔隙率變化大致呈現(xiàn)正相關的趨勢。與孔隙占比相同,孔隙率降低時強度出現(xiàn)劣化現(xiàn)象。這是由于在同一壓實度下,土體骨架中孔隙相同,但隨著含鹽量的提高鹽分在凍融-干濕循環(huán)過程中逐步破壞骨架結構。在干燥后硫酸鈉粉末填充在孔隙中降低了孔隙率但并未對骨架進行支撐,因此發(fā)生強度劣化現(xiàn)象。

3.3 凍融-干濕循環(huán)作用下硫酸鹽漬土的宏微觀響應分析

將無側限抗壓強度與微觀數(shù)據(jù)進行相關性檢驗,可得出無側限抗壓強度與歪度、結構優(yōu)度具有線性聯(lián)系,從而將宏觀強度與微觀參數(shù)聯(lián)系起來。通過全局優(yōu)化法(UGO)分析無側限抗壓強度和歪度、結構優(yōu)度具有定量關系,建立的線性方程系數(shù)見表6。一般表達式如式(1)所示。

表6 宏微觀擬合系數(shù)Table 6 Macro-and-microscopic fitting coefficients

qu=p1+p2Sk+p3/(1/Cr)2。

(1)

式中:qu為無側限抗壓強度;p1、p2、p3為系數(shù)。

由表6可知,歪度、結構優(yōu)度與無側限抗壓強度間存在強相關性,R2越接近1,表明無側限抗壓強度與歪度、結構優(yōu)度的響應程度越好。即強度與微觀參數(shù)間具備明顯的線性關系。而從式(1)中得出,歪度與無側限抗壓強度呈現(xiàn)正相關,與結構優(yōu)度呈現(xiàn)負相關。結構優(yōu)度的標準偏差隨著壓實度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢,表明壓實度越高,孔喉平均值與全孔喉分布都更加均勻化。結合圖1與表4可知,歪度和結構優(yōu)度的差值越大強度變化越大。壓實度為90%、92%時,強度增量在含鹽量為0%至0.5%時歪度變化最大,此時90%、92%壓實度的歪度分別由0.921增加至5.473、0.899增加至6.064。壓實度為95%、98%時,強度增量在含鹽量為0.5%至1%時歪度變化最大,此時95%、98%壓實度的歪度分別由1.255增加至6.064、1.073增加至2.125。與歪度相反,結構優(yōu)度減小時強度增加,壓實度為90%、92%,強度增量在含鹽量在0%至0.5%時結構優(yōu)度變化最大,分別由1.495降低至0.237、1.509降低至0.217。壓實度為95%、98%時,強度增量在含鹽量為0.5%至1%時變化最大,分別由1.510降低至1.199、1.521降低至1.150。且結構優(yōu)度的變化量比歪度的變化量小,證明結構優(yōu)度對強度的影響更顯著。

實測無側限抗壓強度與全局優(yōu)化法計算值對比分析,各壓實度下的實測強度與計算強度如圖4所示。

圖4 各壓實度下實測與計算強度對比Fig.4 Comparison of strength between measurement and calculation

由圖4可知,凍融-干濕循環(huán)后的無側限抗壓強度實測值與采用全局優(yōu)化法擬合的計算值相差較小,R2接近1表明相關程度較高。證明該擬合結果符合實際測試強度。隨著壓實度的增加,擬合結果中的歪度系數(shù)p2逐漸減小,結構優(yōu)度系數(shù)p3逐漸增大。證明壓實度越高,結構優(yōu)度對無側限抗壓強度的影響程度越大。本文通過對無側限抗壓強度與微觀特征參數(shù)、孔徑分布進行定性和定量分析,并擬合建立響應模型。本研究將宏觀強度指標與孔隙分布定性分析、與微觀參數(shù)定量分析,較好地描述了宏觀與微觀之間的響應關系。該研究對鹽漬土宏微觀的定性及定量研究提供理論支撐,在量化宏觀指標和微觀參數(shù)間的研究建立數(shù)學模型,為進一步對鹽漬土科學的理論研究提供了參考。

4 結 論

對凍融-干濕循環(huán)的硫酸鹽漬土進行無側限抗壓強度試驗、壓汞試驗、電鏡掃描試驗等,對數(shù)據(jù)分析后結論如下:

(1)對無側限抗壓強度進行分析,在4組壓實度下無側限抗壓強度隨含鹽量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,且壓實度較低時強度峰值對應的含鹽量越低。隨著壓實度的增加,凍融-干濕循環(huán)作用對強度的劣化影響越顯著,相較而言,92%壓實度時的強度劣化影響最小。

(2)凍融-干濕循環(huán)作用下,硫酸鹽漬土發(fā)生鹽凍脹使得土體微觀參數(shù)孔喉呈現(xiàn)粗歪度,且結構優(yōu)度值大多在1～2之間,整體孔喉分布不均。結構優(yōu)度與強度之間聯(lián)系較緊密,強度值較高時,結構優(yōu)度值較低。

(3)壓汞試驗表明,對經(jīng)歷凍融-干濕循環(huán)作用后硫酸鹽漬土強度劣化程度影響大小的微觀參數(shù)依次為結構優(yōu)度、歪度、分選系數(shù)、平均孔喉半徑;SEM圖像與ImageJ2X分析表明,無側限抗壓強度與孔隙率變化呈現(xiàn)正相關。

(4)孔隙分布可知,中孔占比為強度變化的閾值。當中孔占比低于50%時,強度增強;當中孔占比高于50%時,強度開始出現(xiàn)劣化,且劣化傾向不可逆。

(5)經(jīng)歷凍融-干濕作用后的宏觀無側限抗壓強度值與微觀參數(shù)歪度、結構優(yōu)度間存在相關性,且無側限抗壓強度與歪度呈現(xiàn)正相關,與結構優(yōu)度呈現(xiàn)負相關。采用全局優(yōu)化法擬合出的表達式相關性較強,可較準確地描述宏觀強度與微觀參數(shù)歪度及結構優(yōu)度間的定量關系。