硅微粉改良鹽漬土凍融循環(huán)試驗研究

栗勇 唐瑞兆

摘? 要：文章以雙洮公路沿線碳酸鹽漬土為研究對象，采用恒溫箱和壓力機測量碳酸鹽漬土的凍融循壞耐久性。對鹽漬土摻入2%、4%、6%的硅微粉進行改良，將試樣分別進行0、3、5、7、10次凍融循環(huán)，通過無側(cè)限抗壓試驗測量其凍融循壞耐久性。經(jīng)試驗研究，試樣在經(jīng)過5次凍融循環(huán)之后強度衰減程度基本平穩(wěn)，普通鹽漬土試樣強度衰減71.22%，摻加硅微粉試樣強度衰減約10%，硅微粉對鹽漬土耐久性提升幅度較高。

關(guān)鍵詞：碳酸鹽漬土;硅微粉;改良試驗;凍融循環(huán)耐久性

中圖分類號：TU448 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）04-0098-03

Abstract： In this paper， the carbonated soil along the Shuangtao highway is taken as the research object， and the freeze-thaw cycle durability of the carbonated soil is measured by constant temperature box and press. The saline soil was improved by adding 2%， 4% and 6% silica powder. The samples were frozen and thawed for 0， 3， 5， 7 and 10 times respectively. The durability of freeze-thaw cycle was measured by unconfined compression test. After five freeze-thaw cycles， the strength of the sample decreased steadily， 71.22% of the ordinary saline soil sample， 10% of the sample mixed with silica powder， and the durability of the saline soil improved by silica powder.

Keywords： carbonate soil; silica powder; improvement test; freeze-thaw cycle durability

1 概述

鹽漬土是指土中易溶鹽含量在0.3%～20%之間，而且隨外界環(huán)境變化容易產(chǎn)生溶陷和鹽脹等工程性質(zhì)的土[1]。本文依托的雙洮高速公路項目位于吉林省通榆縣境內(nèi)，該地區(qū)冬季寒冷溫度較低，最低溫度接近零下30℃，在低溫情況下，鹽漬土內(nèi)的鹽分會與水結(jié)合形成晶體，造成土體結(jié)構(gòu)膨脹，同時土中自由水也會結(jié)冰;當(dāng)溫度升高時，土中水分融化，會溶解一部分鹽晶體，這樣往復(fù)的凍融循環(huán)過程中，鹽漬土中的鹽分在固態(tài)和液態(tài)之間來回轉(zhuǎn)化，使土顆粒間孔隙率增大，土體整體結(jié)構(gòu)變的松散[2]，土的工程性質(zhì)在長期的凍融循環(huán)過程中就會變的越來越弱。尤其考慮實際的工程環(huán)境，作為高速公路路基土，長期承受自重及路面車輛的靜-動荷載，很容易在若干次凍融循環(huán)之后發(fā)生破壞，一旦路基土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，會產(chǎn)生翻漿、開裂等一系列危害[3]，因此對改良鹽漬土路基的凍融循環(huán)耐久性研究至關(guān)重要。

2 試驗土樣選取

結(jié)合工程勘探資料及線路現(xiàn)場地形地貌，本試驗取樣地點位于雙洮公路K130+720～K131+300標(biāo)段內(nèi)。取樣點較為干旱，地形地貌為荒草地和鹽堿地。取樣點植被分布多為雜草，未見莊稼，鹽漬土呈條狀或塊斑狀分布，地表干旱且返鹽現(xiàn)象明顯，呈現(xiàn)有淺黃色或灰白色的易溶鹽結(jié)晶。挖土?xí)r可見地下鹽漬土體主要呈現(xiàn)黃褐色，局部穿插白色斑狀，可見少量砂柱，有蟲孔發(fā)育及少量殘余根系，主要分布于地表下1.2m范圍內(nèi)。該范圍內(nèi)土體觸感較散，多年凍融循環(huán)導(dǎo)致的土體裂隙使土體整體結(jié)構(gòu)強度較低，裂隙漸漸發(fā)育導(dǎo)致貫通，形成蒜瓣土。本文選用60cm深度的鹽漬土作為研究對象。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，為含砂低液限粉土，最佳含水量為12.80%，對應(yīng)的最大干密度為1.96g/cm3，PH值為10.51，呈弱堿性。土樣的粒徑組成及易溶鹽含量見表1和表2。

3 試驗方案

采用硅微粉對鹽漬土進行改良試驗研究，其摻量分別為2%、4%、6%，根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中T 0858-2009 無機結(jié)合料穩(wěn)定材料凍融試驗方法[4]。試樣制作及養(yǎng)護參考無側(cè)限抗壓試驗，養(yǎng)護完成后，將試件置于低溫恒溫箱中，調(diào)溫度至-20℃，冰凍12h，待試樣完全冰凍后取出，于20℃室溫情況下融化12h，此為一次凍融循環(huán)。在此過程中將試樣包裹聚乙烯薄膜，保證試樣含水率不變。凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、3、5、7、10次，試樣達到凍融循環(huán)次數(shù)后，取出試件測量質(zhì)量損失，如試件損失率超過5%，即停止其凍融循環(huán)試驗。取出質(zhì)量損失小于規(guī)范要求的試件，將其置于萬能試驗機上，以1mm/min的速率進行無側(cè)限抗壓試驗。

4 試驗結(jié)果分析

經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試件經(jīng)無側(cè)限抗壓試驗后結(jié)果如表3所示：

圖1為素土試樣與摻硅微粉試樣在經(jīng)歷不同次凍融循環(huán)之后的無側(cè)限抗壓強度。從圖中可以明顯看出素土試樣在經(jīng)歷凍融循環(huán)之后的無側(cè)限抗壓強度有大幅下降，素土試樣在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)之后強度損失55.09%，5次凍融循環(huán)之后強度損失71.22%，5次凍融循環(huán)以后試樣無側(cè)限抗壓強度變化趨勢基本保持平緩。摻加硅微粉試樣整體強度下降范圍較小，試樣S1、S2、S3在經(jīng)歷3次凍融循環(huán)之后強度損失分別為10.21%、11.45%、10.14%，5次凍融循環(huán)之后強度損失分別為11.87%、12.53%、11.56%，強度損失較素土試樣降低幅度較大，即硅微粉可以有效提升鹽漬土的凍融循環(huán)耐久性。

圖2為素土和硅微粉改良土試樣的破壞形態(tài)圖，在試驗過程中，可以明顯看出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣破壞的速度變得更快，即在應(yīng)力增長的過程中，應(yīng)變的增長要比未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土樣更大，也即是在應(yīng)力應(yīng)變彈性增長階段的斜率變小，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不光降低了土樣的無側(cè)限抗壓強度，也降低了土樣的彈性模量。在凍融循環(huán)的過程中，土中水分和鹽分狀態(tài)的反復(fù)轉(zhuǎn)變，改變了土體的結(jié)構(gòu)性和滲透性。不僅僅是增大了孔隙率，而且使土體的孔隙率達到一個非常平衡的狀態(tài)，即孔隙在土體內(nèi)部非常均勻的分布，從而導(dǎo)致整個土體結(jié)構(gòu)變的非?！八缮⒒?，雖然表面上還是一塊完整的試樣，但是隨著外界荷載的增大，土體結(jié)構(gòu)破壞非常迅速，破壞形態(tài)也呈現(xiàn)出非常多的碎片。

如圖3所示為硅微粉改良鹽漬土試樣的破壞形態(tài)圖。試驗過程中，硅微粉土樣的應(yīng)力增長速度也要快于未經(jīng)凍融循環(huán)的硅微粉改良土試樣，但是試件破壞形態(tài)較為完整，總體強于素土試樣與水泥土試樣，未見大量脫落的碎片。在實驗過程中可以看到試樣的頂部出現(xiàn)大量裂縫，相近的土顆粒之間相互粘聚，形成一塊一塊的“團聚體”，但是各個“團聚體”之間結(jié)合并不緊密，呈現(xiàn)出大大小小的裂縫。常規(guī)情況下，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該呈現(xiàn)出一種破碎的狀態(tài)，但是結(jié)果恰恰相反。分析原因，在凍融循環(huán)的作用下，土體內(nèi)部水力傳導(dǎo)率加快，土中水在土中流動一方面使土體孔隙率變大，使土體變松散，另一方面帶動細(xì)小的硅微粉粉末在土體中充分流動和粘結(jié)、填充，一部分的硅微粉粘結(jié)土顆粒形成團聚體，另一部分的硅微粉在團聚體之間粘結(jié)填充，使整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。因此硅微粉改良土試樣在應(yīng)力達到峰值之后還能相互粘結(jié)在一起，這也是其在經(jīng)過凍融循環(huán)后強度不會大幅度下降的主要原因。

5 結(jié)論

（1）該地區(qū)鹽漬土凍融循環(huán)耐久性較差，5次凍融循環(huán)之后強度損失71.22%。

（2）硅微粉能有效提升鹽漬土耐久性，摻加硅微粉的試樣在5次凍融循環(huán)之后強度損失約為10%。

（3）硅微粉在土體內(nèi)部通過粘結(jié)和填充使土體整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，是其耐久性提升的主要原因。

參考文獻：

[1]徐攸在，等.鹽漬土地基[M].中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[2]劉天寶.凍融循環(huán)作用下碳酸鹽、硫酸鹽及其含量變化對農(nóng)安碳酸鹽漬土抗剪強度影響研究[D].吉林大學(xué)，2017.

[3]黃立度，席元偉，李俊超.硫酸鹽漬土道路鹽脹病害的基本特征及其防治[J].中國公路學(xué)報，1997，10（2）：39-47.

[4]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTGE51-2009.公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2009.