萬旭升，廖孟柯，杜立群

(1.西南石油大學(xué)　土木工程與建筑學(xué)院,四川　成都　610513;2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所　凍土工程國家重點實驗室, 甘肅　蘭州　730000)

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溫度對硫酸鈉鹽漬土鹽脹影響的試驗研究

萬旭升1，廖孟柯2，杜立群1

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川成都610513;2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室, 甘肅蘭州730000)

為了探究溫度對硫酸鹽漬土鹽脹的影響規(guī)律，保障我國鹽漬土地區(qū)道路工程安全運營，通過室內(nèi)試驗，測試了不同溫度環(huán)境下硫酸鈉鹽漬土的鹽脹率。從樣品降溫前后體積變化、未相變含水量隨溫度變化、以及CT掃描圖像分析了不同溫度下鹽脹對土體各組分的影響。研究結(jié)果表明：隨著溫度不斷降低，鹽脹不斷加劇并趨于穩(wěn)定；鹽脹主要溫度區(qū)間為0 ℃至鹽晶體初始析出溫度，在負溫下鹽晶體析出很少，引發(fā)的鹽脹十分微?。辉谡郎叵潞孰S著溫度降低而減小，其遞減趨勢不斷減小并在0 ℃附近趨于穩(wěn)定；隨著溫度不斷降低，土體結(jié)構(gòu)的損傷也不斷增大；空氣所占孔隙率的變化主要取決于含水率的變化，當(dāng)含水率劇烈變化時，其也會劇烈變化，二者呈現(xiàn)反比關(guān)系。

道路工程；鹽脹；降溫試驗；硫酸鈉鹽漬土；損傷

0　引言

鹽漬土在世界各地均有分布，其中我國鹽漬土面積占全國總面積的2%[1]，西北地區(qū)是我國鹽漬土面積分布最多的地區(qū)[2]，廣泛分布著硫酸鹽漬土，且這些地區(qū)分布有大面積的多年凍土和季節(jié)凍土。由于鹽漬土物理化學(xué)性質(zhì)特殊，不僅制約著該地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展，而且對道路工程、建筑物基礎(chǔ)等危害非常大[3]。隨著我國西部建設(shè)的快速發(fā)展，修筑道路、橋梁、水利、石油等工程的力度加大，硫酸鹽漬土中硫酸鈉由于溫度變化引起的鹽脹和凍脹造成的工程破壞問題愈來愈嚴重。所以，開展低溫下硫酸鈉鹽漬土鹽脹的研究顯得至關(guān)重要。

國內(nèi)有關(guān)鹽漬土鹽脹已有大量研究，袁紅等對硫酸鹽漬土的起脹含鹽量做了試驗研究[4]，對鹽脹等級進行了劃分并給出了不同擊實標(biāo)準下的容許含鹽量。高江平等通過試驗提出了硫酸鹽漬土鹽脹率與五因素之間的計算公式[5]，可通過硫酸鹽漬土的含水量、含鹽量、初始干容重、上覆荷載、離子類型計算其鹽脹率。硫酸鹽漬土的鹽脹特性、凍融循環(huán)的鹽脹累加性、鹽脹敏感性以及其工程應(yīng)用均取得了一些成果[6-10]。硫酸鹽漬土鹽脹成因主要是硫酸鈉結(jié)合水分子形成十水硫酸鈉造成土體體積膨脹，所以溫度是引起鹽脹的主要外界因素。在反復(fù)凍融條件下，鹽脹變形在溫度回升時不能完全恢復(fù)，具有殘留性。牛璽榮等建立了純鹽脹期的鹽脹關(guān)系[11]，可依據(jù)硫酸鈉溶液的飽和度區(qū)間計算鹽晶體在土中的析出量，為正溫下硫酸鈉鹽漬土的鹽脹提供理論依據(jù)。但由于土中硫酸鈉溶液受到土顆粒表面自由能的影響，用溶液飽和度曲線計算土中鹽脹率會造成偏差較大。萬旭升等[12]通過研究土體中與溶液中硫酸鈉晶體的析出，得出了其相似的析出規(guī)律，這說明土體的鹽脹主要由于硫酸鈉溶液的性質(zhì)決定。但對鹽脹過程中土體中各組分的變化分析以及低溫下鹽脹的強弱分析較少。在國外STEIGER[13]研究了多孔介質(zhì)中鹽脹以及鹽脹產(chǎn)生的鹽脹力大小，指出受約束介質(zhì)的鹽脹力大小主要由其溶液的過飽和比決定，過飽和比越大，鹽脹力越大。DERLUYN[14]詳細介紹了鹽晶體析出形態(tài)并推導(dǎo)了鹽晶體生長公式。鹽晶體的形態(tài)不僅受降溫速率的影響，而且在不同濕度下，其晶體形態(tài)也是不一樣的。但其研究的多孔介質(zhì)均為建筑材料如磚、混凝土等，涉及土體中的鹽脹很少。

基于前人已有的研究成果，通過不同階段的硫酸鈉鹽漬土的降溫試驗來研究鹽脹對土體中各組分的影響并結(jié)合CT掃描結(jié)果對鹽脹凍脹引起的損傷進行探討。

1　試驗方法

1.1試樣制作

土樣來自于青藏高原北麓河地區(qū)具有代表性的硫酸鹽漬土，土性為粉質(zhì)黏土(塑限14.5%，液限23.8%，含水量為17%～18%)。為了消除其他離子的影響，事先應(yīng)對土樣進行脫鹽，用蒸餾水浸泡洗土10次，將脫鹽后的土樣烘干并碾碎，最后統(tǒng)一過篩。將硫酸鈉鹽溶解到蒸餾水中配置成特定濃度的硫酸鈉溶液，土樣和硫酸鈉溶液充分混合。工程實踐表明，當(dāng)含鹽量超過2%時，其鹽脹現(xiàn)象比較明顯[6]。配置含鹽量為3.8%，含水量為18%的硫酸鈉鹽漬土。將配置好的硫酸鈉鹽漬土樣密封袋密封并在25 ℃的恒溫箱中放置24h，讓鹽分分布更加均勻。

用壓樣機分別制作3個直徑62.2mm，高度128.0mm的標(biāo)準樣，在壓樣過程中逐層放置土并輕搗，正反壓樣，干密度為控制1.75g/cm3左右，以接近天然干密度。壓好的土樣采用統(tǒng)一編號為1，2，3。并將制好的土樣用保鮮膜密封，以防止水分損失。將樣品放置25 ℃的恒溫箱中，防止外界環(huán)境溫度變化引起鹽脹的發(fā)生。事先記錄穩(wěn)定后的樣品尺寸，做好標(biāo)記，并分別進行試驗前CT掃描。凍土工程國家實驗室現(xiàn)用的醫(yī)用CT機的k值為1 024，其CT數(shù)覆蓋范圍是-1 024～3 071，使用水膜作為標(biāo)準件，水的CT數(shù)為0，空氣的為-1 024[15]。運輸樣品途中均采用恒溫箱恒溫，以防止受環(huán)境溫度影響。將制樣剩余的土樣裝到塑料管中制成一樣的干密度，用核磁共振儀測其未相變含水量與溫度之間的關(guān)系。

1.2降溫條件

降溫儀器采用可程式超低溫儀器，其利用降低空氣溫度的方法達到降溫的效果?？沙淌匠蜏貎x器起始溫度設(shè)為25 ℃，分別對3個土樣均采用0.02 ℃/min降溫速率進行降溫，1號土樣降溫至10 ℃ 并恒溫3h；2號土樣降溫至0 ℃并恒溫3h；3號土樣降溫至-10 ℃并恒溫3h。記錄降溫后的樣品的尺寸，并分別將降溫后的樣品進行CT掃描，由于掃描時間很短，不考慮土樣掃描過程中的溫度變化。

利用核磁共振測量未相變含水量，降溫模式為：

25 ℃→20 ℃→15 ℃→10 ℃→5 ℃→1 ℃→0 ℃→-1 ℃→-2 ℃→-3 ℃→-4 ℃→-5 ℃→-8 ℃→-10 ℃→-15 ℃→-20 ℃

每降至以上溫度時恒溫3h。

2　試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

降溫結(jié)束后，對樣品進行CT掃描，分別提取同一土樣中間層試驗前后的CT圖像，如圖1所示。

圖1　土樣在降溫前后CT掃描圖Fig.1　CT scan images of soil samples before and after cooling

從圖1中可以看出降溫前后土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，孔隙體積明顯增大，依據(jù)硫酸鈉溶解度相圖[16-18]，如圖2所示，在32.4 ℃以下，隨著溫度降低，硫酸鈉溶液溶解度不斷降低，并會有十水硫酸鈉晶體的析出。所以硫酸鈉鹽漬土降溫后會有十水硫酸鈉的生成。其改變了土體組成，十水硫酸鈉的體積是無水硫酸鈉的3.1倍，導(dǎo)致土樣膨脹，體積增大。十水硫酸鈉的形成會結(jié)合溶液中水分子，所以減小了土體中含水量，導(dǎo)致土顆粒之間連接性能降低，以至于降溫后土樣較為松散，同一層面的不同區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)極度不均勻，低密區(qū)增多且圖像明顯變暗。由于土樣為自由膨脹，孔隙沿四周增大，內(nèi)部呈破碎狀分布。

圖2　硫酸鈉溶解度相圖Fig.2　Curve of sodium sulfate solubility

土樣降溫前后尺寸變化如表1所示。用游標(biāo)卡尺測量土樣的平均高度，以及土樣上端、中部和下端的直徑，求取土樣平均直徑，最后計算土樣體積變化。

從表1中可以看出隨著溫度的降低，硫酸鈉鹽漬土土樣的體積增大，對應(yīng)的干密度減小。試驗前后的樣品對比如圖3所示。

表1　試驗前后土樣尺寸變化Tab.1　Dimensional changes of soil samples before and after experiment

圖3　硫酸鈉鹽漬土降溫前后土樣對比Fig.3　Comparison of sodium sulfate saline soil samples before and after cooling

從圖3中可以明顯看出降溫后的土樣高度增加且土樣未相變含水量減小，土樣較干，且表面孔隙增大，有較小裂紋出現(xiàn)，試樣頂?shù)撞恳老】梢姺浅Ｐ〉陌咨w，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較先前松散，依稀可見白色晶體。

由于降溫后的鹽漬土土樣中包含多種物質(zhì)，有土顆粒、硫酸鈉溶液、十水硫酸鈉晶體、冰晶(土樣處在負溫)，所以研究降溫后物質(zhì)成分如何變化顯得至關(guān)重要。以下討論降溫對硫酸鈉鹽漬土土樣各組分的影響。

孔隙率和體應(yīng)變之間的關(guān)系為：

(1)

式中，n0為土樣初始孔隙率；εv為土體的體應(yīng)變。對于土體的體應(yīng)變可用式(2)表達。

(2)

式中，nc為十水硫酸鈉晶體的孔隙率；nl為硫酸鈉溶液的孔隙率；na為空氣所占的孔隙率；ni為冰晶所占的孔隙率。在計算中忽略液體中溶質(zhì)所占的體積，近似認為溶液的體積等于水分的體積。

通過試驗獲取硫酸鈉鹽漬土未相變含水量核磁共振信號強度與溫度之間的關(guān)系，將其轉(zhuǎn)化為未相變含水量與溫度之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4　硫酸鈉鹽漬土不同溫度下未相變含水量Fig.4　Water contents without phase change of sodium sulfate saline soil at different temperatures

從圖4可以看出隨著溫度不斷降低，3.8%含鹽量的硫酸鈉鹽漬土中鹽晶體不斷攜帶水分析出導(dǎo)致含水量減小，在0 ℃以下主要發(fā)生冰水相變導(dǎo)致含水量繼續(xù)減小，最后趨于穩(wěn)定。而未含鹽量的土樣在0 ℃以下發(fā)生冰水相變導(dǎo)致未凍水含量減小并在0 ℃ 到-4 ℃發(fā)生劇烈相變。最終二者含水量在-20 ℃ 趨于一致。

土體含水率和含水量之間存在以下關(guān)系：

(3)

式中，ρd為土體的干密度；w為土體的含水量。

當(dāng)硫酸鈉晶體析出時，由十水硫酸鈉引起的孔隙率變化Δnc為：

(4)

式中，V為土樣的總體積；Vc為鹽晶體析出體積。

由于1mol十水硫酸鈉晶體析出會攜帶10mol水分子，所以存在：

(5)

式中，Δw為未相變含水量的減小量；msoil為土顆粒的質(zhì)量。

則化簡后可得：

(6)

式中ρc為十水硫酸鈉晶體的密度。

式(6)適用于0 ℃以上有降溫引起的十水硫酸鈉晶體的孔隙率變化，對于0 ℃以下存在冰水相變和鹽晶體的析出，從未凍含水量變化曲線可以看出負溫下主要發(fā)生冰水相變，參照硫酸鈉溶液的飽和度曲線以及3.8%含鹽量與未含鹽量的土樣在低溫下的未凍水含量的變化來計算其發(fā)生鹽晶體析出部分的含水量變化以及發(fā)生冰水相變部分的含水量變化。利用溶質(zhì)質(zhì)量變化推導(dǎo):

(7)

式中ΔmNa2SO4為十水硫酸鈉晶體的質(zhì)量增加量。

樣品在降溫結(jié)束恒溫后處于穩(wěn)定狀態(tài)，溶液處于飽和狀態(tài)，有：

(8)

式中，r為溶液的飽和狀態(tài)的濃度，下標(biāo)分別表示不同溫度狀態(tài)；r1，w1分別為溫度T1下的飽和濃度和未凍含水量；r2，w2為溫度T2下的飽和濃度和未凍含水量。

則化簡后可得：

(9)

對于冰水相變而言，冰的體積是水的體積的1.09倍，故冰晶所占孔隙率的變化為：

(10)

式中，n″l為負溫下發(fā)生冰水相變的溶液所占的孔隙率，其大小可由以下公式計算：

(11)

綜合以上公式可以分別計算不同溫度下各組分所占孔隙率變化，若考慮土體各物質(zhì)的整體孔隙變化，近似認為3個土樣的初始各孔隙率相等，其各物質(zhì)所占孔隙率變化如圖5所示。

圖5　土樣中各物質(zhì)所占孔隙率隨溫度變化Fig.5　Porosity ocuppied by each component of soil sample varying with temperature

從圖5 可以看出對于鹽晶體的析出主要發(fā)生在正溫以上，在負溫下鹽晶體的析出較少，此含鹽量在10 ℃以上發(fā)生鹽溶液劇烈相變，為主要鹽脹區(qū)間。鹽晶體的析出導(dǎo)致了含水率的減小，在正溫下其減小規(guī)律與十水硫酸鈉晶體所占孔隙率增加規(guī)律呈現(xiàn)一定的對稱性。在負溫下，冰水相變劇烈發(fā)生，導(dǎo)致含水率急劇減小?？諝馑伎紫堵试谡郎叵码S溫度降低基本呈線性增加，一旦進入冰水相變區(qū)間，其迅速增大，主要是由于含水量迅速減小所致。對于冰晶的生長，當(dāng)土體進入凍結(jié)溫度時，發(fā)生冰水相變，結(jié)合硫酸鈉鹽漬土的未凍水含量與溫度的關(guān)系，可認為在-10 ℃時未凍含水率基本不再變化，冰晶含量基本不再增加，要使其繼續(xù)增加則需更低外界溫度。

含鹽量多少直接影響鹽脹強弱，依據(jù)式(2)以及各組分物質(zhì)在不同溫度條件下的變化量大小，鹽脹率的大小主要由nc和nl變化決定，而nc由發(fā)生相變的水的變化決定。常溫下不同含鹽量鹽漬土鹽脹率大小主要由其未相變含水量決定，對于同一含鹽量的硫酸鈉鹽漬土，未相變含水量隨著溫度非線性減小。隨著含鹽量的減小，未相變含水量相對增大[19]，導(dǎo)致nc減小，從而導(dǎo)致鹽脹率減小。

3　鹽晶體析出及冰晶產(chǎn)生對土體損傷研究

鹽晶體析出和冰晶產(chǎn)生后會導(dǎo)致土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導(dǎo)致土樣斷面的CT數(shù)發(fā)生變化，利用試驗前后的CT數(shù)，探討晶體析出對土體結(jié)構(gòu)的影響。

根據(jù)相關(guān)文獻[15]，凍土損傷公式為：

(12)

式中，m0為空間分辨率；H0為樣品初始CT數(shù)；Hi為樣品損傷后CT數(shù)。

通過軟件計算試驗前后CT數(shù)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6　土樣降溫前后CT數(shù)Fig.6　CT number of soil samples before and after cooling

通過試驗前后土樣的CT數(shù)可以看出，降溫后土樣的CT數(shù)減小，且隨著溫度不斷降低，CT數(shù)不斷減小。土樣1，2，3降溫后其平均CT數(shù)較先前分別減小了133.8，187.7，235.4HU。同一試樣的CT數(shù)在高度的中間段變化最為明顯。

將處理后的數(shù)據(jù)代入式(12)計算降溫對硫酸鈉鹽漬土的損傷，其結(jié)果如圖7所示。

圖7　試驗后各土樣損傷Fig.7　Damages of soil samples after experiment

從圖7中可以看出隨著溫度不斷降低，硫酸鈉鹽漬土樣的損傷增大，土樣分別在10，0，-10 ℃，其平均損傷為0.288，0.390和0.509。其中土樣高度方向的中間區(qū)域變化最劇烈。損傷是密度變化量的函數(shù)[20]，對于同一土樣，采用平均損傷和平均密度，建立其之間的聯(lián)系，通過試驗數(shù)據(jù)可繪得圖8。

圖8　土樣密度與損傷關(guān)系Fig.8　Relation between soil density and damage

從圖8可以看出土樣密度變化量與損傷之間存在很好的線性關(guān)系，若不考慮試驗誤差的影響，硫酸鈉鹽漬土密度與損傷之間的關(guān)系可用式(13)表示。

(13)

式中，ρ0為土樣的初始密度；Δρ=ρ0-ρ，表示密度的變化量。

將式(12)代入式(13)即可得土樣密度變化與CT數(shù)之間的關(guān)系，如式(14)所示。

(14)

由于中間區(qū)域CT數(shù)較小，依據(jù)式(14)，可得出土樣密度較小，這說明鹽脹和凍脹在低密段易于產(chǎn)生并且破壞嚴重，該結(jié)果與吳紫汪等[21]研究結(jié)果相似。

4　結(jié)論

通過對高含鹽量硫酸鈉鹽漬土的降溫試驗可以得出以下結(jié)論：

(1)硫酸鈉鹽脹主要發(fā)生在正溫區(qū)，而負溫下十水硫酸鈉晶體的析出較少，主要發(fā)生凍脹。

(2)鹽脹或凍脹對土體的低密區(qū)間容易產(chǎn)生影響，其變化非常劇烈。

(3)硫酸鈉鹽漬土隨著溫度不斷降低，對土體結(jié)構(gòu)的損傷不斷增大。當(dāng)溫度不變后，相變不再發(fā)生，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(4)硫酸鈉鹽漬土中空氣所占孔隙率的變化主要取決于含水率的變化，當(dāng)含水率劇烈變化時，其也會劇烈變化，二者呈現(xiàn)反比關(guān)系。

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WUZi-wang,MAWei,PUYi-bin,etal.MonitoringtheChangeofStructuresinFrozenSoilinUniaxialCreepProcessbyCT[J].JournalofGlaciologyandGeocryology, 1996, 18(4):306-311.

Experimental Study on Influence of Temperature on Salt Expansion of Sodium Sulfate Saline Soil

WAN Xu-sheng1, LIAO Meng-ke2, DU Li-qun1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,ChengduSichuan610513,China;2.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,ColdandAridRegionEnvironmentalandEngineeringInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China)

Inordertofindtheruleofeffectofdifferenttemperatureconditionsonsaltexpansionofsodiumsulfatesalinesoil,andensurethesaftyoperationofroadengineeringinareaofsalinesoil,thesaltexpansionratioofsodiumsulfatesalinesoilindifferenttemperatureenvironmentsaremeasuredbylaboratorytest.Byanalyzingthevariationofsoilsamplesbeforeandaftercooling,thewatercontentswithoutphasechangeatdifferenttemperature,andCTscanimages,theinfluenceofsaltexpansiononthesoilcomponentsatdifferenttemperaturesisobtained.Theresearchresultshowsthat(1)saltexpansionintensifiesandtendstowardsstabilityasthetemperaturedecreases; (2)themaintemperaturerangeofsaltexpansionisfrom0 ℃totheinitialprecipitationtemperatureofsaltcrystals,itsprecipitationisverylittleatnegativetemperature,sotheinducedsaltexpansionisverysmall; (3)moisturecontentdecreasesastemperaturedecreasesatpositivetemperature,thediminishingtrendisdecreasingandgraduallystabilizingat0 ℃; (4)thedamageofsoilstructureincreasesasthetemperaturedecreases; (5)thechangeofporosityoccupiedbyairismainlydecidedbythechangeofwatercontent,anditchangesacutelyasthewatercontentchangesacutely,inaddition,theyshowainverserelationship.

roadengineering;saltexpansion;coolingdowntest;sodiumsulfatesalinesoil;damage

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金項目(41230630)；西南石油大學(xué)青年教師“過學(xué)術(shù)關(guān)”項目(201599010104)；中國科學(xué)院西部行動計劃項目(KZC2-XB3-19)；西南石油大學(xué)科研起航計劃項目(2015QHZ025)

萬旭升(1987-)，男，甘肅靜寧人，博士.(xinyanwanxxusheng@163.com)

TU448

A

1002-0268(2016)08-0044-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.08.008