凍融作用下固化鹽漬土的強(qiáng)度劣化及微觀機(jī)理研究

張衛(wèi)兵， 雷過， 周瑞璞， 李曉

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)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)

土中易溶鹽含量超過0.3%，并具有特殊工程特性的土稱為鹽漬土[1]，主要分布在西藏、青海、寧夏、甘肅以及內(nèi)蒙古等地區(qū)[2]，因其易受外界環(huán)境溫度的影響引發(fā)地基鹽脹、融沉、溶陷等問題，給上述地區(qū)的工程設(shè)施造成了較大的損害。為此，大量學(xué)者從硫酸鹽漬土鹽脹特性及其工程固化處理方面進(jìn)行了研究。李宏波等[3]定性分析固化超鹽漬土的耐久性得出，隨著粉煤灰的摻量逐漸增加，黏聚力的增長速度由快速趨于平緩而內(nèi)摩擦角的增長速度由緩慢逐漸加快。呂擎峰等[4]研究表明，隨著改性溫度的升高，芒硝和白云石的衍射值越高。錢曉明等[5]對硫酸鹽漬土的強(qiáng)度進(jìn)行研究得出凍融循環(huán)與含水率對黏聚力影響較大而對內(nèi)摩擦角影響較小。方秋陽等[6]對鹽漬土凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析得出對抗壓強(qiáng)度影響最大的因素是含水率。Ali等[7]、Hotineanu等[8]、Liu等[9]從固化角度對硫酸鹽漬土強(qiáng)度或力學(xué)性能進(jìn)行了研究。呂擎峰等[10]通過核磁共振研究了鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)。陳康亮等[11]研究表明，影響固化鹽漬土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要因素是粉煤灰、生石灰摻量和初始含鹽量，且得出初始含鹽量為2%時(shí)的最優(yōu)固化方案為17%初始含水率，生石灰和粉煤灰摻量分別為6%、18%。呂擎峰等[12]、Derluyn[13]也對鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。馬君澤[14]對長期凍融-干濕循環(huán)下硫酸鹽漬土內(nèi)摩擦角與黏聚力進(jìn)行研究。Lü等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鈉的加入量越大對氮-硫-氫凝膠的形成有激發(fā)作用。張芳等[16]通過X射線衍射(diffraction of X-rays，XRD)對濱岸鹽堿土中的碳酸鹽進(jìn)行微觀檢測分析發(fā)現(xiàn)，鹽堿土中含有綠泥石會導(dǎo)致對碳酸鹽的鑒定出現(xiàn)誤差，衍射峰的形狀變得復(fù)雜。張志丹等[17]研究了水田與旱田的土壤黏粒礦物組成，XRD分析表明，水田與旱田的黏粒組成雖然相似，但衍射峰的峰值與峰狀卻不相同。馮君等[18]通過衍射分析對鹽漬土地區(qū)的土壤粘粒組成進(jìn)行分析并研究了主要物質(zhì)及比例。

上述關(guān)于硫酸鹽漬土固化處理的研究主要集中在固化劑種類、鹽脹抑制效果及微觀機(jī)理方面的研究，而針對固化硫酸鹽漬土在經(jīng)歷長期凍融循環(huán)后的力學(xué)性能劣化的研究較少，這直接關(guān)系到科學(xué)有效地解決硫酸鹽漬土工程及節(jié)約資源的問題。為此，依托寧夏地區(qū)的環(huán)境氣候條件，選取當(dāng)?shù)氐湫土蛩猁}漬土，借助三軸試驗(yàn)、XRD衍射試驗(yàn)及電鏡掃描試驗(yàn)對其經(jīng)粉煤灰、氯化鈣固化后經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度指標(biāo)劣化進(jìn)行研究。旨在為該地區(qū)及其他相關(guān)地區(qū)工程建設(shè)中硫酸鹽漬土的地基處理提供借鑒與參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用土取自寧夏回族自治 區(qū)吳忠市紅寺堡的扶貧揚(yáng)黃灌區(qū)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，全年降雨量不足300 mm，晝夜溫差較大，地表受長期的環(huán)境氣候影響出現(xiàn)大量的鹽漬化現(xiàn)象(圖1)。所取原狀土的顆粒組成如圖2所示，土壤中易溶鹽離子含量如表1所示。

圖1 取土地點(diǎn)實(shí)景Fig.1 Real view of the land acquisition site

圖2 粒徑分析Fig.2 Particle size analysis

表1 原狀土易溶鹽離子含量Table 1 Table of soluble salt ion content of in situ soil

1.2 試驗(yàn)方案

將現(xiàn)場勘查取回的原狀土浸泡在蒸餾水中進(jìn)行洗鹽，直至取出的上清液加入BaCl2后無白色沉積物為止，然后風(fēng)干、過2 mm網(wǎng)篩備用。對洗鹽后土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)得出最大干密度為1.6 g/cm3，最優(yōu)含水率為16%?？刂茐簩?shí)度為90%，含水率為最優(yōu)含水率，制成高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體三軸試樣。

為探究凍融循環(huán)、固化劑摻量及含鹽量對強(qiáng)度的影響，本次實(shí)驗(yàn)含鹽量分別設(shè)置為0、2%、5%、8%，粉煤灰摻量設(shè)置為0、10%、15%、20%，氯化鈣摻量設(shè)置為0、2%、4%、6%，凍融次數(shù)設(shè)置為0、10、20、50次，采用四因素四水平正交試驗(yàn)，如表2所述。

表2 正交試驗(yàn)工況設(shè)置Table 2 Orthogonal test condition setting

根據(jù)試驗(yàn)要求，三軸試驗(yàn)需制作4組，微觀研究制作一組，每組分別對應(yīng)16個(gè)不同工況，共80個(gè)試樣。采用GDJS-225高低溫交變試驗(yàn)箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，參考寧夏地區(qū)多年氣候條件，凍結(jié)溫度設(shè)定為-20 ℃，融解溫度取25 ℃，均經(jīng)歷24 h。對凍融后的試樣進(jìn)行100、200、300、400 kPa的圍壓下的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，以偏應(yīng)力或軸向應(yīng)變的15%時(shí)的主應(yīng)力差值為強(qiáng)度取值標(biāo)準(zhǔn)，確定黏聚力與內(nèi)摩擦角。對試驗(yàn)后試樣進(jìn)行烘干處理，并做XRD衍射試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 三軸試驗(yàn)

不同圍壓下的不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)得到的偏差應(yīng)力如圖3所示。依據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則得出各工況下的土的強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ如圖4所示。

圖3 強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.3 Intensity envelope

圖4 凍融循環(huán)對強(qiáng)度指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on strength index

如圖3所示，隨著圍壓的增大，抗剪強(qiáng)度差值逐漸增大?？梢钥闯觯ぞ哿ψ畲蟮臑楣rG1，最小為G13。而強(qiáng)度最高的為空白組G1，在其余情況下雖添加了固化劑但未能完全抵抗凍融循環(huán)和硫酸鹽雙重作用下的強(qiáng)度劣化。如圖4所示，強(qiáng)度主要取決于黏聚力，而黏聚力由土顆粒之間的摩擦力與咬合力決定。在不添加固化劑時(shí)黏聚力最高，添加固化劑后反而降低了黏聚力，這是由于凍融循環(huán)削弱了固化劑對土體的膠結(jié)程度。因此凍融循環(huán)是影響強(qiáng)度的首要因素，而凍融循環(huán)對內(nèi)摩擦角的影響較小。

2.2 XRD分析

為研究固化鹽漬土強(qiáng)度劣化對微觀結(jié)構(gòu)的影響，選取相同凍融循環(huán)次數(shù)下抗剪強(qiáng)度最大與最小的8組進(jìn)行微觀分析，分別為工況G1、G2；G8、G6；G12、G10；G15、G13。通過Jade6.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，衍射分析結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，固化后土樣的主要物質(zhì)包括SiO2、Na2SO4、CaMg[CO3]2、CaCO3、NaCl、Al2O3、CaSi等。

CPS為XRD衍射強(qiáng)度單位圖5 衍射圖譜Fig.5 Diffraction mapping

如圖5所示，主峰均為SiO2，且低矮峰中SiO2仍占比較多。這是由于試驗(yàn)所用材料為砂質(zhì)土壤，且粉煤灰中也含有大量石英。固化劑反應(yīng)物為鈣、硅、鋁組成的離子化合物(CAS)，鈣、硅組成的離子化合物(CS)。從衍射峰可以看出當(dāng)固化劑反應(yīng)物的低矮峰越多時(shí)強(qiáng)度表現(xiàn)越好，證明固化劑與鹽的反應(yīng)生成的凝膠物質(zhì)對土顆粒覆蓋程度越好。

圖5(a)為空白對照組，圖5(b)對應(yīng)工況G2。雖有氯化鈣與粉煤灰的雙重固化作用使得衍射圖譜中除主峰外有鈉鈣離子形成的化合物，但由于含鹽量過高，而未經(jīng)歷凍融循環(huán)且反應(yīng)時(shí)長過短。導(dǎo)致固化劑與鹽反應(yīng)程度不佳，從而影響?zhàn)ぞ哿εc內(nèi)摩擦角，故而其強(qiáng)度表現(xiàn)較差。

圖5(c) 為含鹽量為2%，復(fù)摻固化劑工況，經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，在不含鹽時(shí)，固化劑完全作用于加固土體，從黏聚力和內(nèi)摩擦角也可知，此時(shí)強(qiáng)度最高。但此時(shí)的CAS峰值較低，說明15%的粉煤灰可以將6%氯化鈣完全反應(yīng)。此時(shí)CAS與剩余的粉煤灰共同固化土體，顆粒整體性好，因此強(qiáng)度值高。圖5(d)為含鹽量為2%，僅添加氯化鈣工況。同樣在經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，由于僅添加氯化鈣且摻量較少未能與鹽分完全反應(yīng)，證明當(dāng)含鹽量為2%時(shí)單摻氯化鈣摻量需大于2%。因此固化劑與鹽分反應(yīng)不充分，且主峰數(shù)值顯著降低。氯化鈣與鹽分反應(yīng)生成的鈣、硅離子化合物衍射峰較少，凝聚效果不強(qiáng)，因而表現(xiàn)出的強(qiáng)度不高。由此可以看出，復(fù)摻固化劑固化效果要優(yōu)于單摻。

圖5(e)、圖5(f)工況均為復(fù)摻，從圖5(e)的衍射峰可以看出僅有CAS，證明此時(shí)粉煤灰、氯化鈣反應(yīng)較好。此時(shí)的強(qiáng)度值僅低于G8，綜合其余情況下判斷當(dāng)含鹽量為2%時(shí)，粉煤灰10%，氯化鈣4%較合理。而圖5(f)可以看到，此時(shí)的主峰峰值遠(yuǎn)高于其余工況，此時(shí)粉煤灰摻量為20%，氯化鈣產(chǎn)量為2%，粉煤灰可將氯化鈣完全反應(yīng)并剩余大量的粉煤灰。粉煤灰中主要成分也為SiO2，因此主峰峰值較高。在大量粉煤灰多余的情況下，雖然此時(shí)并未含鹽，但粉煤灰減小了土顆粒間的摩擦力。在經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后，此工況下的黏聚力僅為16.82 kPa，遠(yuǎn)低于工況G12。

圖5(g) 為復(fù)摻，此時(shí)的粉煤灰與氯化鈣完全反應(yīng)生成的CS凝膠物質(zhì)，此時(shí)的強(qiáng)度僅略小于G1，證明此時(shí)的固化劑摻量可較大程度抵抗不含鹽時(shí)凍融循環(huán)對土體的劣化行為。而在圖5(h)中檢測到芒硝的存在，這時(shí)由于在進(jìn)行衍射分析前本該溶于水的鹽隨著水分流失向表層移動。且沒有添加氯化鈣，此時(shí)大量的粉煤灰存在，未能生成過多的凝膠物質(zhì)。強(qiáng)化土體主要依靠粉煤灰細(xì)顆粒間的吸附作用，在干燥時(shí)基質(zhì)吸力消散，因而強(qiáng)度降低。

2.3 電鏡掃描微觀分析

為直觀觀察固化后試樣顆粒狀態(tài)以及固化物質(zhì)，對上述進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)[20]的試樣同時(shí)進(jìn)行電鏡掃描，從微觀角度進(jìn)行觀察并剖析。

如圖6所示，天然鹽漬土顆粒呈單獨(dú)顆粒，且顆粒大小不一，顆粒表面附著物較少，且未觀察到膠結(jié)物質(zhì)存在。土顆粒間縫隙較大，硫酸鹽處于縫隙中或少部分附著在較大的顆粒表面。與G1、G2、G6、G8、G10、G12、G13、G15相對應(yīng)的電鏡掃描結(jié)果如圖7所示。

圖6 天然鹽漬土SEM圖Fig.6 SEM image of natural saline soil

從圖7(a)可看到僅存在土顆粒，且土顆粒之間幾乎不存在膠結(jié)物質(zhì)，但存在少量孔隙，僅靠土顆粒之間的摩擦力膠結(jié)成整體，在不含鹽、不經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)強(qiáng)度不會遭到破壞。在圖7(b)中，出現(xiàn)部分條狀物，這是粉煤灰的微觀形態(tài)，顆粒之間相互膠結(jié)不足且此時(shí)含鹽量未8%，固化劑產(chǎn)量不足導(dǎo)致強(qiáng)度表現(xiàn)較弱。也證明2%的氯化鈣加10%粉煤灰不足以固化8%的硫酸鈉。雖未進(jìn)行凍融循環(huán)，但大量的硫酸鈉對土體的強(qiáng)度劣化影響較大。

圖7(c)可以看出，土顆粒大小分布不均勻，顆粒表面附著物較少，土顆粒間距較大。該組含鹽量雖較低，但僅添加2%的氯化鈣顯然不足以抵抗凍融循環(huán)下硫酸鹽對土體的劣化行為。此時(shí)顆粒表面存在少量的附著物，且土顆粒間距較大?？梢钥闯?，固化物并未完全填充孔隙，對土體強(qiáng)度造成一定的影響。圖7(d)中，固化劑反應(yīng)良好，生成的膠結(jié)物質(zhì)能有效填充土壤孔隙，可以看出土體形成一整體，故而黏聚力相對于圖7(c)得到大幅度提升。

由圖7(e)、圖7(f)可知，在粉煤灰、氯化鈣的共同作用下對削弱凍融循環(huán)對土體強(qiáng)度劣化有明顯作用。圖7(e)顯示，部分顆粒形成塊狀體，但塊狀體間未相互連接，這是由于粉煤灰摻量過多導(dǎo)致的，大量的粉煤灰降低了土顆粒間的咬合力，使得黏聚力下降。因而土中的塊狀土體未能相互膠結(jié)。反觀圖7(f)，粉煤灰與氯化鈣摻量適中，反應(yīng)較好，使得土體間的孔隙被凝膠物質(zhì)所填充，雖存在大顆粒但仍依附于土體上。大顆粒間互相被凝膠物質(zhì)連接，內(nèi)摩擦角未發(fā)生較大變化，但黏聚力大幅度提升，因此強(qiáng)度得到有效增強(qiáng)。

圖7 電鏡掃描圖Fig.7 Electron microscope scan

由圖7(g)可以看出，土體間的孔隙被填充，大量的顆粒附著在土體上。是由于粉煤灰摻量過多，粉煤灰顆粒小于土體孔隙，首先將孔隙填充，但過量的粉煤灰在干燥狀態(tài)下嚴(yán)重降低了土顆粒的摩擦力。此時(shí)的黏聚力僅有8.46 kPa，在所有工況中最低，因此在固化硫酸鹽漬土?xí)r不能添加過量的固化劑，否則對固化鹽漬土只會適得其反。而對于圖7(h)，土體形成整體，且表面的附著物較少，證明粉煤灰與氯化鈣反應(yīng)充分。反應(yīng)生成的CAS在填充孔隙的同時(shí)將土體連接起來，極大程度的增強(qiáng)了土體強(qiáng)度，在凍融循環(huán)50次后黏聚力達(dá)到41.28 kPa，遠(yuǎn)高于G13的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過三軸試驗(yàn)、XRD衍射試驗(yàn)以及電鏡掃描試驗(yàn)，對經(jīng)歷不同凍融周期作用下單摻、復(fù)摻粉煤灰、氯化鈣固化硫酸鹽漬土的強(qiáng)度指標(biāo)劣化規(guī)律及其微觀特征分析，得出以下結(jié)論。

(1)凍融循環(huán)作用對固化硫酸鹽土體強(qiáng)度劣化影響較大，主要表現(xiàn)在黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小，但對內(nèi)摩擦角影響不顯著。

(2)從抑制鹽脹及提高固化鹽漬土體耐久性角度來看，單摻氯化鈣優(yōu)于單摻粉煤灰，且復(fù)摻固化劑優(yōu)于單摻固化劑工況。衍射分析表明，固化效果越好的土樣中，凝膠物質(zhì)對土顆粒的膠結(jié)狀況越好，表現(xiàn)出固化劑反應(yīng)物的低矮峰越多；同時(shí)電鏡掃描分析也表明該土樣顆粒結(jié)構(gòu)越緊密，強(qiáng)度指標(biāo)更優(yōu)。

(3)實(shí)驗(yàn)研究表明，固化劑摻量與含鹽量相匹配可使固化效果更佳，過量的粉煤灰會降低土體的黏聚力。在處理硫酸鹽漬土地基時(shí)，含鹽量為2%時(shí)，宜摻入10%粉煤灰+4%氯化鈣；含鹽量為5%時(shí)，宜摻入10%粉煤灰+6%氯化鈣；含鹽量為8%時(shí)，宜摻入15%的粉煤灰+6%的氯化鈣，處理后土體的強(qiáng)度指標(biāo)劣化程度較低。