固化細(xì)粒氯鹽鹽漬土工程特性研究*

郭東悅,劉 浩,楊慶港,李玉豪,莘子健

(1.中交二航局建筑科技有限公司,湖北 武漢 430050; 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司第五 工程分公司,湖北 武漢 430050; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

濱海區(qū)氯鹽鹽漬土是受環(huán)境變化影響較大的敏感性特殊土,顆粒較細(xì),塑性指數(shù)較大,屬于粉質(zhì)黏土。鹽漬土與其他普通三相土不同,易溶鹽溶解于土體的液相中,結(jié)晶鹽存在于土體的固相內(nèi),外部環(huán)境變化引起三相物質(zhì)的轉(zhuǎn)變,鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,導(dǎo)致土體內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,土體結(jié)構(gòu)變得松散,穩(wěn)定性遭到破壞,工程性質(zhì)變差[1-2]。

目前,大多學(xué)者主要集中于內(nèi)陸的粗粒硫酸鹽鹽漬土改良研究,雖有部分學(xué)者對(duì)濱海氯鹽鹽漬土進(jìn)行了改良研究,但大多只采用石灰、粉煤灰及水泥單摻或石灰+粉煤灰雙摻進(jìn)行改良,且對(duì)改良后鹽漬土工程特性的研究也不夠全面。因此,本文以滄州濱海區(qū)鹽漬土為研究對(duì)象,分析對(duì)比生石灰、粉煤灰及水泥不同組合方式改良下鹽漬土的工程特性,包括固化鹽漬土的擊實(shí)特性、承載特性、耐久性及水穩(wěn)性等,為工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鹽漬土取自G228滄州段沿線附近,天然鹽漬土的含水率為7.82%,液限為31.2%,塑限為17.0%,重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的最大干密度為1.96g/cm3,最優(yōu)含水率為12.7%。鹽漬土顆粒級(jí)配曲線如圖1所示,該鹽漬土屬于細(xì)粒土。鹽漬土XRD圖譜如圖2所示。由圖2可知,鹽漬土礦物成分中主要黏土礦物為伊利石,其他主要成分為石英和鈉長(zhǎng)石。鹽漬土經(jīng)過測(cè)量得到易溶鹽含量,如表1所示,其中主要為鹽離子Cl-,占比1.05%,根據(jù)JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中鹽漬土分類可得,該鹽漬土為中氯鹽鹽漬土。

表1 鹽漬土易溶鹽含量Table 1 Soluble salt content of saline soil %

圖1 濱海鹽漬土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grain gradation curve of coastal saline soil

圖2 濱海鹽漬土XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of coastal saline soil

鹽漬土改良試驗(yàn)用改良材料為一等鈣質(zhì)生石灰、二級(jí)粉煤灰和P·O 42.5硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)方案

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有的相關(guān)鹽漬土改良試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同摻比的生石灰(A組)、生石灰+粉煤灰(B,C組)、生石灰+粉煤灰+水泥(D,E組)改良的濱海鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、室內(nèi)承載比(CBR)試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、不同改良類型下的水穩(wěn)性試驗(yàn),具體配合比方案如表2所示。

表2 鹽漬土改良配合比方案Table 2 Mix ratio scheme of saline soil improvement

1.2.2試驗(yàn)過程

1)擊實(shí)試驗(yàn) 根據(jù)JTG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》,對(duì)固化鹽漬土進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)。將風(fēng)干土樣碾碎過2mm篩,采用干土法按表2配合比方案制備試樣,以2%的梯度配置一系列不同含水率的試樣,并悶料12h,再采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)筒,分5層進(jìn)行擊實(shí),每層27下。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到各改良配合比條件下固化鹽漬土的最優(yōu)含水率和最大干密度。

2)室內(nèi)承載比(CBR)試驗(yàn) 采用擊實(shí)儀重型擊實(shí)試驗(yàn)的操作,按98%的擊實(shí)度制備各配合比條件下最優(yōu)含水率的試樣,并對(duì)各試樣進(jìn)行泡水,水面高于荷載板頂面25mm,浸水4d后測(cè)量其膨脹量。采用多功能路面材料強(qiáng)度測(cè)試儀以1mm/min的速度進(jìn)行貫入試驗(yàn),得到試樣的單位壓力與貫入量曲線,計(jì)算各配合比條件下固化鹽漬土的CBR值。

3)水穩(wěn)性試驗(yàn) 試驗(yàn)制樣采用三軸靜壓膜,制成壓實(shí)度為96%、尺寸為φ39.1×80的圓柱樣,利用擊實(shí)法分3次擊實(shí)成樣。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,選擇性制備編號(hào)為A0,A3,B3,C3,D3,E3兩組平行試樣,在濕度>90%,溫度為20℃左右的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d,第7d將試樣放入20℃的水中浸水24h,然后測(cè)定試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4)干濕循環(huán)試驗(yàn) 試驗(yàn)制樣與水穩(wěn)性試驗(yàn)制樣一致,養(yǎng)護(hù)7d后,將試樣切削為39mm高的圓柱體進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)(見圖3)。先將削切完畢的試樣浸沒在室溫水中,水面高出試樣25mm,浸水12h,再取出試樣擦干表面水分放置在105℃的烘箱中烘干12h,為1次干濕循環(huán),記錄每次干濕循環(huán)后試樣的質(zhì)量。

圖3 干濕循環(huán)試樣Fig.3 Sample of dry and wet cycle

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固化鹽漬土的擊實(shí)特性變化規(guī)律

不同組合摻量條件下固化鹽漬土擊實(shí)特性規(guī)律曲線如圖4所示。由圖4可知,鹽漬土素土的最優(yōu)含水率為12.7%,經(jīng)改良后固化鹽漬土的最優(yōu)含水率均高于此值,隨著改良劑的增加,最優(yōu)含水率總體呈增加的趨勢(shì);鹽漬土素土的最大干密度為1.96g/cm3,經(jīng)改良后固化鹽漬土的最大干密度均低于此值,隨著改良劑的增加,最大干密度總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

圖4 固化鹽漬土擊實(shí)特性規(guī)律曲線Fig.4 Compaction characteristic curve of cured saline soil

單摻生石灰條件下,生石灰摻量為2%～4%時(shí),固化鹽漬土的最優(yōu)含水率隨石灰摻量增加明顯增大,當(dāng)石灰含量>4%后,固化鹽漬土的最優(yōu)含水率變化不明顯,穩(wěn)定在15%左右;單摻生石灰改良后鹽漬土的最優(yōu)含水率整體明顯高于其他改良劑組合條件下固化鹽漬土的最優(yōu)含水率,最大干密度整體低于其他改良劑組合條件下的最大干密度;生石灰和粉煤灰二摻條件下,隨著粉煤灰加入后,固化鹽漬土的最優(yōu)含水率比單摻石灰時(shí)明顯降低,但整體隨生石灰和粉煤灰摻量的增加呈上升趨勢(shì),生石灰與粉煤灰比值為1∶2時(shí),且生石灰摻量>6%后,固化鹽漬土最優(yōu)含水率隨改良劑摻量的增加明顯增大,最大可達(dá)16.2%,最大干密度隨改良劑摻量的增加明顯減小;當(dāng)鹽漬土摻入水泥后,降低了固化鹽漬土最優(yōu)含水率在不同生石灰摻量影響下的敏感性,導(dǎo)致最優(yōu)含水率隨生石灰摻量的增加變化不明顯,最大干密度高于其他未摻水泥條件下氯鹽鹽漬土的最大干密度,另外,隨水泥摻量由2%增加到4%后,固化鹽漬土的最優(yōu)含水率稍有增大,最大干密度稍有減小,變化不明顯。

生石灰、粉煤灰摻入鹽漬土加水發(fā)生水解和水化等各種復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),在反應(yīng)過程中改良劑吸收了大量的水分,使固化鹽漬土的最優(yōu)含水率增大,同時(shí)反應(yīng)生成蜂窩結(jié)構(gòu)的結(jié)晶水化合物,其密度相對(duì)于鹽漬土較小,并充當(dāng)了一部分固化鹽漬土的固體顆粒,占據(jù)了一定體積,導(dǎo)致最大干密度呈減小趨勢(shì),且小于鹽漬土素土的最大干密度[11]。水泥加入后降低了生石灰和粉煤灰摻量對(duì)固化鹽漬土最優(yōu)含水率的影響,使固化鹽漬土的最優(yōu)含水率相對(duì)穩(wěn)定,相對(duì)于生石灰+粉煤灰改良后固化鹽漬土的干密度也有所增加,說明生石灰+粉煤灰+水泥聯(lián)合固化對(duì)鹽漬土的改良效果較好。

三摻改良后的固化鹽漬土最優(yōu)含水率有所提高且相對(duì)穩(wěn)定,干密度也比單摻和雙摻的固化鹽漬土高,根據(jù)擊實(shí)變化規(guī)律,考慮到經(jīng)濟(jì)性,推薦生石灰(2%～4%)+粉煤灰(2%～4%)+水泥(2%～4%)。

2.2 固化鹽漬土的室內(nèi)承載比(CBR)的變化規(guī)律

固化鹽漬土CBR試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖5,6所示。由表3可知,通過室內(nèi)承載比試驗(yàn)得到未改良濱海鹽漬土的CBR值為2.2%,遠(yuǎn)不能滿足對(duì)路基填料的最小要求。在試驗(yàn)現(xiàn)有配合比條件下,經(jīng)改良劑改良后濱海鹽漬土CBR值最低為7.6%,均遠(yuǎn)高于素土CBR值,編號(hào)E3配合比條件下的CBR值高達(dá)88.5%。

表3 固化鹽漬土CBR試驗(yàn)結(jié)果Table 3 CBR test results of cured saline soil

圖5 固化鹽漬土承載比(CBR)變化規(guī)律曲線Fig.5 Variation curve of bearing ratio (CBR) of solidified saline soil

由圖5和表3可知,單摻生石灰條件下,改良鹽漬土的CBR值要小于其他改良條件下的固化鹽漬土的CBR值,生石灰摻量為2%～4%時(shí),固化鹽漬土的CBR值隨生石灰摻量的增加而增加,當(dāng)生石灰摻量超過4%時(shí),固化鹽漬土的CBR值在30%左右波動(dòng);加入粉煤灰后改良鹽漬土的CBR值有所增加,生石灰與粉煤灰以1∶1的比例摻入鹽漬土?xí)r,隨著兩者摻量的增加,固化鹽漬土的CBR值曲線呈波動(dòng)型增加趨勢(shì),當(dāng)生石灰與粉煤灰以1∶2的比例摻入鹽漬土?xí)r,隨著兩者摻量的增加,固化鹽漬土的CBR值曲線呈上升趨勢(shì),生石灰摻量超過6%后呈下降趨勢(shì),這是因?yàn)檫^多的粉煤灰存在于鹽漬土中,導(dǎo)致加固土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散,且未形成一定的強(qiáng)度,局部抗剪強(qiáng)度變小,CBR值也隨之變小。

由圖5可知,水泥的加入可明顯提高固化鹽漬土的CBR值,且遠(yuǎn)高于其他改良類型條件下固化鹽漬土的CBR值,最高可達(dá)88.5%。4%水泥摻量的固化鹽漬土CBR值明顯高于2%水泥摻量的固化鹽漬土CBR值,且并沒有因?yàn)檫^量粉煤灰的摻入而導(dǎo)致CBR值減小,究其原因,可能是因?yàn)樗嗉尤臌}漬土后硬凝反應(yīng)生成了強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)骨架,更大程度地限定了固化鹽漬土中固體顆粒(包括鹽漬土固體顆粒及未反應(yīng)的粉煤灰顆粒)的移動(dòng),可有效改善過量粉煤灰造成的鹽漬土土體內(nèi)部松散問題,提高鹽漬土的局部抗剪強(qiáng)度,提高固化鹽漬土的CBR值。

由表3和圖6可知,改良后固化鹽漬土的膨脹率相對(duì)于鹽漬土素土的膨脹率有所減小,但固化后鹽漬土膨脹率整體呈隨改良劑摻量增加而增加的趨勢(shì),造成這種增加趨勢(shì)的原因可能是隨著生石灰和粉煤灰含量的增加,過量的粉煤灰和生石灰在泡水階段繼續(xù)與水反應(yīng),生成蜂窩狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)物,吸水性增強(qiáng),導(dǎo)致土體膨脹,這也是改良劑超過一定閾值后固化鹽漬土CBR值減小的原因。水泥的加入可明顯改善此原因引起的土體膨脹,且水泥摻量越多,改良效果越明顯。

圖6 固化鹽漬土膨脹率變化規(guī)律曲線Fig.6 Curve of expansion rate of solidified saline soil

改良后的固化鹽漬土CBR值均滿足鹽漬土作為路基填料的要求,但固化鹽漬土中生石灰和粉煤灰與水反應(yīng)的膨脹性不可忽略,因此建議生石灰和粉煤灰摻量控制在6%以下,水泥水化結(jié)構(gòu)對(duì)生石灰和粉煤灰與水產(chǎn)物起到限定作用,基于本試驗(yàn)建議水泥摻量為2%～4%。

2.3 水的作用下固化鹽漬土穩(wěn)定性分析

2.3.1干濕循環(huán)

干濕循環(huán)作用后固化鹽漬土外觀形態(tài)變化如圖7所示。試驗(yàn)過程中未改良鹽漬土在第1次干濕循環(huán)浸水階段已完全崩解。由圖7可知,固化鹽漬土在經(jīng)歷60次干濕循環(huán)后,未發(fā)生強(qiáng)烈的崩解現(xiàn)象,僅表面出現(xiàn)一些掉皮掉塊。

圖7 干濕循環(huán)60次后固化鹽漬土形態(tài)變化Fig.7 Morphological changes of cured saline soil after 60dry-wet cycles

其中改良劑產(chǎn)量較低的A1和B1試件表面在干濕循環(huán)條件下表面破壞嚴(yán)重,如圖8所示。由圖8a可知,A1,B1兩試件質(zhì)量損失較多,C1表面破壞程度次之,摻加有水泥的固化鹽漬土D1和E1的破壞程度較低,形態(tài)較完整;改良劑摻量較高的A5,B5,C5,D4和E4試樣破壞程度較低,試件完整程度相對(duì)較高,這5個(gè)試件質(zhì)量損失較小。

圖8 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Results of dry and wet cycle test

由圖8a可知,干濕循環(huán)30次和50次后固化鹽漬土出現(xiàn)質(zhì)量突變現(xiàn)象。試件A1,B1和C1的質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈明顯下降趨勢(shì),說明生石灰和粉煤灰低摻量的固化鹽漬土抵抗干濕循環(huán)的能力相對(duì)較差;加入水泥后的試件D1和E1隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加質(zhì)量減小較少,可見鹽漬土摻入水泥后可明顯改善干濕循環(huán)的極端環(huán)境對(duì)固化鹽漬土穩(wěn)定性的影響。由圖8b可知,經(jīng)過60次干濕性循環(huán),固化鹽漬土的質(zhì)量損失率隨生石灰含量的增加而減小,質(zhì)量損失率趨于穩(wěn)定在1%左右,遠(yuǎn)小于其他改良試驗(yàn)組,因此水泥摻量為4%時(shí),控制生石灰和粉煤灰的摻量大于4%,能達(dá)到較好的改良效果。經(jīng)過生石灰、粉煤灰和水泥三摻條件下的固化鹽漬土,其質(zhì)量損失率較低,且隨改良劑摻量的增加,固化鹽漬土的質(zhì)量損失變化不明顯,可有效改善鹽漬土性質(zhì)。

2.3.2水穩(wěn)性

未經(jīng)改良的鹽漬土試件泡水僅12h(見圖9),試件完全崩解成細(xì)小顆粒,無法測(cè)其強(qiáng)度,水穩(wěn)性極差。經(jīng)過改良后的固化鹽漬土浸水24h后,試件外觀并未出現(xiàn)明顯變化,完整性較好。

圖9 A0浸水24hFig.9 A0 immersed in water for 24h

水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,由圖10可知,未浸水的固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(q0)明顯高于浸水后固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(qi),qi與q0的比值定義為水穩(wěn)系數(shù)K:

圖10 水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of water stability test

(1)

由圖10可知,改良條件下,固化鹽漬土的水穩(wěn)系數(shù)均在50%左右,而素鹽漬土的水穩(wěn)系數(shù)則為0?？刂粕覔搅肯嗤瑫r(shí),不同改良類型固化鹽漬土的水穩(wěn)系數(shù)由大到小為:生石灰+粉煤灰+水泥固化鹽漬土>生石灰+粉煤灰固化鹽漬土>生石灰固化鹽漬土>素鹽漬土。改良劑的加入,使鹽漬土顆粒之間形成更堅(jiān)固的聯(lián)結(jié),能明顯提高鹽漬土的水穩(wěn)性。

經(jīng)過24h浸水,固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所降低,水穩(wěn)系數(shù)在50%左右,相比于素鹽漬土,生石灰+粉煤灰+水泥聯(lián)合固化方法對(duì)濱海鹽漬土水穩(wěn)性已經(jīng)有明顯的改善,可以用于工程應(yīng)用中。

綜合試驗(yàn)結(jié)果,建議在該類鹽漬土地區(qū)的路基建設(shè)過程中,合理采用生石灰+粉煤灰+水泥聯(lián)合固化的方法改良濱海鹽漬土。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果,針對(duì)相似地區(qū)鹽漬土的改良,推薦改良劑最優(yōu)摻量組合為:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。

3 結(jié)語

1)隨著改良劑摻量的增加,固化鹽漬土的最優(yōu)含水率呈上升趨勢(shì),且均高于素土,最高可達(dá)16.2%;最大干密度呈下降趨勢(shì),且均低于素土。

2)改良后的固化鹽漬土CBR值均明顯高于CBR值為2.2%的素土。當(dāng)生石灰摻量超過4%后,單一生石灰固化鹽漬土的CBR值穩(wěn)定在30%左右;而雙摻條件下固化鹽漬土的CBR值隨著生石灰摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì),存在一個(gè)閾值;水泥加入使固化鹽漬土的CBR值明顯增加,最高達(dá)88.5%。固化鹽漬土的膨脹率隨改良劑摻量的增加而增加,但整體趨勢(shì)低于素土。

3)干濕循環(huán)作用下,固化鹽漬土試件僅表面出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,整體未發(fā)生明顯崩解。固化鹽漬土試件質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低,改良劑產(chǎn)量越少,質(zhì)量損失越多,隨著改良劑摻量的增加,經(jīng)過60次干濕循環(huán)后各試件質(zhì)量損失率穩(wěn)定在1%左右。生石灰+粉煤灰+水泥聯(lián)合改良的鹽漬土在60次干濕循環(huán)后試件的完整程度較高,質(zhì)量損失率較低。

4)固化鹽漬土的水穩(wěn)系數(shù)均在50%左右波動(dòng),不同改良類型條件下固化鹽漬土水穩(wěn)系數(shù)由大到小為:生石灰+粉煤灰+水泥固化鹽漬土>生石灰+粉煤灰固化鹽漬土>生石灰固化鹽漬土>素鹽漬土。

5)綜合改良后鹽漬土的路用性和水穩(wěn)性試驗(yàn)結(jié)果,建議改良劑最優(yōu)摻量組合為:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。