李 威 齊 軍 王亞靜 劉樹閣 王丁丁 趙 凱

(河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000)

0 引言

鹽漬土是一種易溶鹽含量大于0.3%，并具有融陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土[1]，天然狀態(tài)下，鹽漬土是良好的地基土，由于四季氣溫周期性變化過程中土中的鹽分發(fā)生反復結晶與溶解，其力學性質發(fā)生劇烈變化，引發(fā)建筑裂縫、公路翻漿、橋梁腐蝕等嚴重工程災害。隨著西部大建設的不斷開展，鹽漬土對工程建設的影響已經成為難以避開的課題。

為了解決上述問題，已有諸多學者對凍融循環(huán)作用后鹽漬土的工程性質展開研究。包衛(wèi)星等[2]得出三種典型鹽漬土在凍融循環(huán)過程的水分，鹽分遷移規(guī)律以及鹽脹后各層土體的力學強度變化規(guī)律；呂擎峰、孟惠芳等[3]研究了溫度對改性水玻璃固化鹽漬土的強度和凍融循環(huán)耐久性的作用機理；包衛(wèi)星等[4]選取典型天然鹽漬土，在開放系統(tǒng)中進行反復凍融循環(huán)條件下的試驗研究，從鹽漬土的類別角度研究了天然鹽漬土的鹽脹規(guī)律；陳煒韜等[5]從結晶體位置變化，微觀結構，鹽類性質及凍結水含量三個方面測試了凍融循環(huán)對不同含鹽量和不同含鹽類別鹽漬土黏聚力的影響規(guī)律。

本文在前人研究的基礎上，采用天然風干素土為研究對象，添加不同濃度的NaCl溶液對土樣進行飽和固結以模擬不同含鹽量鹽漬土，在凍融循環(huán)作用后，借助德國蔡司體式顯微鏡記錄凍融前后試樣的微觀特征，并通過單軸抗壓試驗獲取凍結鹽漬土基本宏觀力學特性，定性認知凍融循環(huán)對鹽漬土微觀結構劣化機理及宏觀單軸抗壓強度變化本質，以此探究鹽漬土微觀結構性與宏觀力學特性的關系。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗采用的土樣均為張家口橋東區(qū)本地重塑黃土，將風干土樣碾碎篩分后，摻合NaCl，每次摻合量為0%,0.9%,3.25%,6.5%和10%。以擊實試驗測定最優(yōu)含水量，依其最優(yōu)含水量拌制試驗試樣，將配好的NaCl溶液加入稱好的土體中，混合均勻后分多層擊實使之充分固結，然后裝入直徑為50 mm，高100 mm的圓柱體標準模具中制備試樣。試樣制成后，放入恒溫箱內養(yǎng)護24 h后進行試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)設備為全自動低溫凍融試驗機，試驗凍融循環(huán)溫度參照西部溫度氣象局數據西部地區(qū)典型溫差，最終確定凍結溫度為-20 ℃，融化溫度為20 ℃，氣凍4 h，水融4 h，對同一工況試件經過編號、表觀觀察、尺寸測量、稱重記錄后，放進凍融循環(huán)試驗機開始試驗。

1.2.2 微觀特征采集

試樣的微觀特征記錄采用德國蔡司體式顯微鏡，見圖1，觀測記錄凍融試驗前后試件表面鹽析、裂縫發(fā)育情況，觀察過程用如圖2所示的坐標網格定位凍融試驗前后試件表面點位，保證凍融前后顯微鏡觀測的視野為同一個區(qū)域。試驗結束對比篩選出視野內鹽析量及裂縫發(fā)育良好的圖像。

1.2.3 單軸抗壓試驗

本試驗所采用MQS-2型路面材料強度試驗儀，該試驗機的最大加載能力為100 kN，精度為1%，加載速率快速50 mm/min和慢速1 mm/min。本試驗采用控制加載速率方式加載，當試樣壓力峰值隨加載速率無變化時停止試驗。試驗所得的試驗荷載及試驗數據均由數顯壓力計自動控制、采集。

2 試驗結果

本次試驗主要在不同含鹽量的試件經過不同梯度的凍融循環(huán)次數后，以控制一定加載速率方式的單軸無側限強度試驗，試驗結果見圖3～圖6。

2.1 含鹽量與凍融循環(huán)次數對抗壓強度的影響

由圖3，圖4中抗壓強度隨含鹽量與凍融循環(huán)次數變化曲線趨勢可以看出，在試驗條件相同時，試件經凍融循環(huán)次數越高，其抗壓強度越小。在拌合不同摻量NaCl后，所有試件的抗壓強度均隨含鹽量的增加而減少。隨凍融循環(huán)次數增加，含鹽量0.9%～6.5%試件的抗壓強度下降趨勢明顯，超過6.5%試件的抗壓強度下降減緩，趨于平穩(wěn)甚至部分略有增加。

試件中NaCl鹽分為易溶鹽，其溶解度會因溫度變化而改變，當鹽分相態(tài)發(fā)生變化時，土的體積和顆粒分散性隨之變化。各試件含水量不變，可溶解在水里的鹽是一定量的，隨試件含鹽量增加，降溫時結晶析出，促使土顆粒間發(fā)生錯位、滑移，使土體膨脹；升溫時，其溶解度增大，溶于水中，土體積變小，致使土體疏松。如此反復，使得土密實度越低，土體強度降低越快。

2.2 鹽漬土經凍融循環(huán)作用后部分試件表面微觀結構特征和抗壓強度的關系

經過對顯微鏡采集各點位圖像進行對比篩選，為不失一般性結果列于圖5，圖6。由圖5可得含鹽量0.9%低鹽漬土在凍融循環(huán)10次以內表面鹽析量肉眼無法識別，在顯微鏡下可見少量晶體析出，有零星裂縫產生，但裂縫發(fā)育情況隨凍融循環(huán)次數隨機性較大；經10次凍融循環(huán)后，試件表面有斑點狀晶體析出。由圖6肉眼可見含鹽量6.5%高鹽漬土在各狀態(tài)下都有一層白色粉狀的薄鹽霜，顯微鏡視野內有大量晶體析出，裂縫因表面鹽膜的覆蓋不易觀察，但鹽析量隨凍融循環(huán)次數具有良好的累加性。試件的破壞形態(tài)隨凍融循環(huán)次數的增加，破壞時表面的主貫穿裂縫數量增加，裂縫寬度變大，甚至出現片狀、塊狀剝落現象。

在0次～5次凍融循環(huán)內，隨著凍融循環(huán)次數的增加，鹽對土體抗壓強度的弱化作用顯著；經5次凍融循環(huán)后，此時土中鹽分累加析出，土體水分的作用占主導地位，而析出晶體在土中成為土骨架的一部分，局部起到一定支撐作用，鹽分對土體抗壓強度的影響會因此削弱。

3 結語

凍融循環(huán)次數越高，各狀態(tài)土抗壓強度越小，當凍融循環(huán)次數為0次～5次，含鹽量為0%～6.5%的土隨含鹽量增加其抗壓強度衰減明顯；在經歷5次～15次凍融循環(huán)作用后，試件的單軸抗壓強度下降不明顯趨于平穩(wěn)，甚至部分略有增加，凍融循環(huán)次數一定時，含鹽量對抗壓強度影響較大。

由裂縫發(fā)育和鹽析程度表明，凍融循環(huán)作用加劇了鹽漬土的鹽析過程，鹽析量在凍融循環(huán)次數具有一定累加性，但因鹽析量的增加，表面裂縫被填充表現為隨機性較大。

綜上所述:試件在經過多次凍融循環(huán)作用后，其抗壓強度整體損失明顯，凍融循環(huán)次數和含鹽量的不同都會對此產生較大影響，且影響作用并不是單一的，而是相互聯系的。試件單軸抗壓強度損失規(guī)律與表觀微觀特征變化機理映射良好，反映凍融循環(huán)對鹽漬土結構的損傷弱化作用。