水泥改良碳酸鹽漬土溶陷性試驗研究

王 濤，唐瑞兆，李慎剛，趙旭東，李永明

(1.中鐵七局第三工程有限公司 西安市 710000； 2.東北大學 資源與土木工程學院 沈陽市 110004)

0 引言

鹽漬土是鹽土和堿土以及各種鹽化、堿化土壤的總稱，具體是指易溶鹽含量大于或等于0.3%且小于20%，并具有溶陷或鹽脹等工程性質的土[1]。天然狀態(tài)下的鹽漬土，在土的自重壓力或附加壓力作用下受水浸濕時產(chǎn)生的變形稱作鹽漬土的溶陷。鹽漬土的沉降主要由地基受荷載作用產(chǎn)生的壓密和結晶鹽溶解所產(chǎn)生的附加溶陷兩部分組成。

鹽漬土作為環(huán)境敏感性巖土，國內外專家學者都對其各種性質進行了大量研究。前蘇聯(lián)從上世紀40年代起就開始對鹽漬土的形成條件和分布規(guī)律進行了研究，重點研究了硫酸鹽漬土的工程性質和施工方法，并在鹽漬土的溶陷性和鹽脹性方面上取得了顯著的成效[2]；Al-Amoudi應用改進的固結儀與ASTM標準對鹽漬土試樣的溶陷性進行了測試，指出干旱、鹽堿地區(qū)的土壤具有高溶陷性的原因是土中強氯化物成分的溶解、帶電離子之間的相互作用和土顆粒的變位[3]；改良土的最早應用是為了利用當?shù)赝亮蠟橹饕?，采用土、石灰、粉煤灰和水泥等無機結合料的混合物，作為廉價筑路材料。

在鹽漬土地基溶陷性方面，國內許多單位和個人依托工程實際進行了不少研究工作；在青海、新疆許多地方都對鹽漬土的溶陷性做過不少現(xiàn)場浸水荷載試驗，對這些地區(qū)鹽漬土地基的溶陷規(guī)律和溶陷性做出了科學的評價，程東幸選擇河西走廊西段典型粗顆粒鹽漬土進行了室內浸水溶陷試驗，指出影響粗粒鹽漬土溶陷性的因素是多重的，其中不僅包括含鹽量和含水量，還包括粗顆粒含量、土體密實度以及滲透系數(shù)等[4]。

截止到目前，國內外有關鹽漬土基本性質及其成因及影響因素的研究已經(jīng)逐漸完善，接下來逐漸開始對鹽漬土進行改良性研究，提升其工程性質。從碳酸鹽漬土入手，利用水泥攪拌摻入改良的形式，探討水泥對碳酸鹽漬土溶陷性的改良效果。

1 吉林通榆地區(qū)鹽漬土基本性質

以大慶至廣州高速公路雙遼至嫩江聯(lián)絡線—雙遼至洮南段高速公路為背景，該地區(qū)鹽漬土分布較廣泛，大多為碳酸鹽漬土。該地區(qū)環(huán)境復雜，夏季多雨，冬季寒冷，夏季降雨和寒區(qū)凍融造成的含水量變化會使鹽漬土產(chǎn)生較大的溶陷沉降，對路基結構穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

試驗用土取自吉林省通榆縣，取土深度為地表下70cm，其天然含水率為12.36%，天然密度為1.625g/cm3，液限為23%，塑限為16%，塑性指數(shù)為7%，為含砂低液限粘土，最優(yōu)含水率為12.80%，對應的最大干密度為2.06g/cm3，PH值為10.39～10.63，呈弱堿性。粒徑組成及易溶鹽含量見表1和表2。

2 溶陷變形試驗

2.1 試樣制備

將土樣在風干或低溫(小于60℃)烘干后，在研缽內碾碎，并過2mm篩，將篩下土攪拌均勻。按照12.8%的最佳含水率計算加入水的質量，利用噴壺噴灑加入蒸餾水，攪拌均勻，在密閉環(huán)境下悶料24h。選用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥，分別按照3%、5%、7%的摻量摻入之前制備好的鹽漬土中，攪拌均勻。按照壓實度不低于95%計算試樣密度，從而根據(jù)設備體積計算所需試樣質量。試樣名稱和對應水泥摻量見表3。

表1 土樣粒徑分析結果

表2 土樣易溶鹽含量分析結果

表3 溶陷試驗試樣

2.2 試驗步驟

按照《鹽漬土地區(qū)建筑技術規(guī)范》，采用單線法進行鹽漬土室內溶陷試驗。將試樣按常規(guī)步驟裝到固結儀上，預加1.0kPa載荷使試樣和儀器各部分緊密接觸，百分表調至零，去掉預壓荷載。加載時，0～200kPa按照每25～50kPa為一級載荷，大于200kPa后每50～100kPa為一級載荷，逐級加載，每級載荷試壓時隔10～30min讀取百分表讀數(shù)，至該級載荷變形穩(wěn)定為止，變形標準為每小時變形量不大于0.01mm。當加荷到200kPa且變形穩(wěn)定后，加淡水使試樣浸水溶濾，讀取浸水后試樣變形量至穩(wěn)定為止；逐級加載到終極壓力，讀取各級變形量至穩(wěn)定為止。

測得試驗數(shù)據(jù)后，按照規(guī)范繪制溶陷試驗曲線圖，并按下式計算試樣溶陷系數(shù)：

(1)

式中：h0—鹽漬土不擾動土樣的原始高度；

Δhp—壓力P作用下浸水變形穩(wěn)定前后土樣高度差；

hp—壓力P作用下變形穩(wěn)定后土樣高度。

2.3 試驗結果分析

鹽漬土溶陷系數(shù)是指豎向壓力p=200kPa下的溶陷變形，是作為評價鹽漬土溶陷性的指標，溶陷系數(shù)越大，說明鹽漬土溶陷量越大，工程性質越差。溶陷試驗測得數(shù)據(jù)見表4。

表4 溶陷試驗沉降量數(shù)據(jù)

圖1 試樣沉陷量趨勢圖

如圖1所示，根據(jù)試驗結果分析，摻加水泥的鹽漬土試樣溶陷系數(shù)大幅減小，試樣A2、A3、A4溶陷系數(shù)較A1分別減小了58.23%、76.58%、82.91%，可見水泥的摻入對鹽漬土溶陷性有較為明顯的改善；但是隨著水泥含量的提升，鹽漬土溶陷系數(shù)減小幅度逐漸減小，試樣A2、A3、A4分別相較于試樣A1、A2、A3的溶陷系數(shù)減小了58.23%、43.94%、27.03%，說明水泥改良鹽漬土溶陷性的能力不是無限增加的，存在改良最高點，達到該點之后，繼續(xù)添加水泥摻量也不會對鹽漬土溶陷性有更好的改善能力。

對溶陷系數(shù)曲線按照反比例函數(shù)進行擬合分析，擬合方程如下：

圖2 試樣溶陷系數(shù)趨勢圖

Y=0.21X-1.08

方差為0.9969，前期水泥摻量少時擬合程度較低，隨著水泥摻量的提高，擬合程度逐漸升高，說明水泥摻量和鹽漬土樣的溶陷系數(shù)呈現(xiàn)一種大致上的反比例關系，一方面隨著水泥摻量的增加，溶陷系數(shù)逐漸減??；一方面水泥摻量與溶陷系數(shù)是非線性關系，溶陷系數(shù)減小幅度逐漸減小。對于實際工程中，可以根據(jù)求得的擬合方程大致推斷出改良鹽漬土目標溶陷系數(shù)所需水泥摻量，對于施工及試驗研究有指導意義。

3 結論

(1)該地區(qū)鹽漬土具有較強的溶陷性，試驗過程中，注水后短時間內沉降量增加較快，性質較差，不適合直接做公路路基使用；

(2)根據(jù)擬合方程Y=0.21X-1.08，可推斷出改良鹽漬土目標溶陷系數(shù)所需水泥摻量范圍；

(3)摻入水泥能有效改良鹽漬土的溶陷性，較大幅地降低鹽漬土的溶陷系數(shù)，但是水泥改良鹽漬土溶陷性的能力不是無限增加的，存在改良最高點，達到該點之后，繼續(xù)增加水泥摻量也不會對鹽漬土溶陷性有更好的改善。