鐘昌茂， 萬(wàn)旭升， 龔富茂， 慎嘉賓， 汪祾海， 鄧世磊

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 四川 成都 610500； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司)

當(dāng)土中的易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性時(shí)，應(yīng)判定為鹽漬土。中國(guó)鹽漬土分布面積約占全球鹽漬土(鹽土、堿土、鹽化土及堿化土)總面積的3.8%，居世界第4位。西北地區(qū)是中國(guó)鹽漬土分布面積最廣的地區(qū)，同時(shí)也是中國(guó)“一帶一路”國(guó)際戰(zhàn)略國(guó)內(nèi)前沿段，其道路、渠道和機(jī)場(chǎng)跑道等工程建設(shè)需求必將進(jìn)一步加大，對(duì)該地區(qū)分布廣泛且鹽脹工程危害明顯的硫酸鹽漬土物理特性的研究顯得極其迫切。

目前，關(guān)于硫酸鹽漬土物理特性已有大量研究，張飛、付江濤等通過(guò)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硫酸鹽漬土黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量增加表現(xiàn)出先減小后增大的變化特征；文桃等認(rèn)為含鹽量對(duì)硫酸鹽漬土最大干密度和最優(yōu)含水率的影響規(guī)律并不是單一不變的，它取決于土中硫酸鈉及3種狀態(tài)間的相對(duì)含量，張偉等進(jìn)行的CT-三軸剪切試驗(yàn)表明硫酸鈉的溶解和降溫結(jié)晶都會(huì)影響鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并且造成土體干密度減小，引起強(qiáng)度降低；文桃等進(jìn)一步研究表明十水硫酸鈉晶體具有支架作用，其含量的增加使硫酸鹽漬土的擊實(shí)性能大幅降低；邴慧等對(duì)硫酸鹽漬土洗鹽前后物理力學(xué)性質(zhì)的變化進(jìn)行了研究，認(rèn)為天然鹽漬土洗鹽后，土體液塑限升高，抗剪強(qiáng)度參數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度均增大；錢(qián)曉明等認(rèn)為土體黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減??；陳煒韜等從結(jié)晶體位置變化、微觀結(jié)構(gòu)、鹽類(lèi)性質(zhì)及未凍結(jié)水含量分析了凍融循環(huán)對(duì)鹽漬土黏聚力的作用機(jī)理，結(jié)果表明：凍融循環(huán)過(guò)程中結(jié)晶鹽晶體析出位置的變化是土體黏聚力和干密度減小的主要原因；鄧友生等研究表明：在干重度相同的情況下，滲透系數(shù)隨著含鹽量的增加而減小，硫酸鹽土的滲透系數(shù)要比氯鹽土滲透系數(shù)減小顯著；吳道勇、肖澤岸等開(kāi)展的室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)證明硫酸鹽漬土的鹽脹變形過(guò)程是溫度、水分、鹽分和土體變形之間相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。然而，關(guān)于硫酸鹽漬土因?yàn)楹}量的增大造成其工程物理特性發(fā)生明顯變化的研究還不夠深入和全面。

Taha等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)向土中摻入適量納米材料可以緩解土的膨脹和收縮變形，減少壓實(shí)樣品表面干燥裂縫的發(fā)展，但不會(huì)影響其滲透系數(shù)；Liu等在研究中發(fā)現(xiàn)納米SiO2和高爐礦渣的協(xié)同效應(yīng)可顯著降低水泥基體的孔隙度，提高其抗壓強(qiáng)度；Ren等通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2降低了低溫下土體的凍脹量，而不影響樣品的重度；黃娟等認(rèn)為納米SiO2材料可有效改善路用混凝土的抗鹽凍性能，提高混凝土的耐久性；張洪亮等試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中復(fù)摻一定量的納米CaCO3和納米SiO2可以提高其抗硫酸鹽腐蝕性能。由此可知，納米SiO2是一種良好的多孔介質(zhì)材料改性物質(zhì)，但其在硫酸鹽漬土中的應(yīng)用和研究鮮有報(bào)道。

該文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究含鹽量變化對(duì)充分洗鹽后的硫酸鹽漬土物理特性的影響規(guī)律，并向不同含鹽量鹽漬土中摻入納米SiO2以研究其對(duì)鹽漬土物理特性的改性效果和固化機(jī)理，對(duì)比分析新型改良材料納米SiO2與傳統(tǒng)建筑材料的鹽脹抑制效果，為鹽漬土地區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

以西北河西走廊地區(qū)具有代表性的硫酸鹽漬土為研究對(duì)象，土樣為粉質(zhì)黏土(含水量為18.5%，干密度為1.70 g/cm3)。為研究硫酸鈉含量變化對(duì)鹽漬土物理特性影響規(guī)律，首先對(duì)鹽漬土進(jìn)行脫鹽處理，用去離子水浸泡天然鹽漬土樣并充分?jǐn)嚢?，水變清澈后再換水浸泡，如此重復(fù)10余次。將脫鹽后的土樣置于105 ℃的溫度下烘干，并統(tǒng)一碾碎，對(duì)碾碎后的土樣進(jìn)行粒組分析，結(jié)果見(jiàn)表1，試驗(yàn)用納米SiO2規(guī)格指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 土粒級(jí)配百分比

表2 納米SiO2規(guī)格指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 液塑限試驗(yàn)

液塑限試驗(yàn)試樣配比見(jiàn)表3，共48個(gè)試樣。試樣制備好后立即裝入密封袋并悶料24 h，使試樣中的鹽分和水分分布均勻，試驗(yàn)采用液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法，試驗(yàn)裝置為數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀。

表3 液塑限試驗(yàn)試樣配比

1.2.2 直剪試驗(yàn)

含鹽量和納米SiO2含量配比見(jiàn)表4，共12個(gè)試樣。在電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀中，將悶料后的試樣依次置于50、100、200、300 kPa的垂直荷載下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，剪切速率為4 mm/min。

表4 直剪試驗(yàn)試樣配比

1.2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)試樣配比見(jiàn)表5，每種不同含鹽量和SiO2摻量下的土樣分別加入不同含量蒸餾水而設(shè)置成6個(gè)不同含水率，依次從12%到22%(以2%的含水率遞增)，共72個(gè)試樣，采用輕型擊實(shí)法在多功能電動(dòng)擊實(shí)儀中將悶料后的試樣擊實(shí)，每個(gè)土樣分3層擊實(shí)，每層27擊。

表5 擊實(shí)試驗(yàn)試樣配比

1.2.4 滲透試驗(yàn)

滲透試驗(yàn)試樣配比見(jiàn)表6，將悶料后的試樣裝入TST-55型滲透儀中進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn)，干密度控制為1.5 g/cm3，具體試驗(yàn)步驟及滲透系數(shù)計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[24]中的變水頭滲透試驗(yàn)。

表6 滲透試驗(yàn)試樣配比

1.2.5 鹽脹試驗(yàn)

將悶料后的試樣裝入到特制的有機(jī)玻璃容器中，干密度控制為該種土樣的最大干密度，插入位移測(cè)量器并密封容器，將容器放置到可程式恒濕恒溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行降溫試驗(yàn)，初始溫度控制為30 ℃，最終溫度為0 ℃，降溫速率為0.1 ℃/min，試樣配比見(jiàn)表7。

表7 鹽脹試驗(yàn)試樣配比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 液塑限

硫酸鹽漬土的液限和塑限均隨著含鹽量的增加而微弱增大[圖1(a)]。相對(duì)而言，納米SiO2則會(huì)對(duì)鹽漬土液塑限產(chǎn)生較大影響。如圖1(b)所示，1%和3%含鹽量鹽漬土液塑限均隨著納米SiO2摻入量的增加而增大，并在納米SiO2摻加量為4%時(shí)達(dá)到最大值。1%含鹽量鹽漬土液塑限最大增幅為40%和44.8%；3%含鹽量鹽漬土液塑限最大增幅為34.8%和45.5%。

圖1 鹽漬土液塑限與含鹽量、納米SiO2含量變化關(guān)系

2.2 硫酸鹽漬土強(qiáng)度

2.2.1 硫酸鈉含量對(duì)鹽漬土強(qiáng)度的影響

硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度隨含鹽量增加表現(xiàn)出先減小后增大的變化特征圖。根據(jù)圖2(a)的鹽漬土強(qiáng)度包線圖，相對(duì)于不含鹽土，0.5%、1%、2%、3%含鹽量鹽漬土的抗剪強(qiáng)度均有不同程度降低。當(dāng)垂直壓力從50 kPa到300 kPa的變化過(guò)程中，2%含鹽量鹽漬土的抗剪強(qiáng)度降幅最大，依次下降了24.6%、25.6%、26.4%、28.6%；但4%含鹽量鹽漬土抗剪強(qiáng)度則比不含鹽土分別提升了30.8%、31.4%、32.0%、27.4%，因?yàn)槎嘤嗟柠}以鹽晶體的形式析出，鹽晶體作為固體顆粒的一部分起到填充土中孔隙作用，同時(shí)，鹽晶構(gòu)成了鹽漬土的一部分骨架從而增大抗剪強(qiáng)度。

由圖2(a)中莫爾應(yīng)力圓可知，在保持最小主應(yīng)力σ3為50 kPa不變時(shí)，最大主應(yīng)力σ1隨含鹽量先減小后增大，表明鹽漬土抗壓能力先降低后提高，所以，硫酸鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含鹽量的增加同樣表現(xiàn)出先減小后增大的變化特征[圖2(b)]，4%含鹽量鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均超過(guò)不含鹽土，增幅分別達(dá)到36.3%和22.3%。

圖2 抗剪強(qiáng)度、莫爾應(yīng)力圓和剪切系數(shù)與硫酸鈉含量變化關(guān)系

2.2.2 納米SiO2對(duì)鹽漬土強(qiáng)度影響

納米SiO2對(duì)硫酸鹽漬土抗剪強(qiáng)度的提升效果顯著，當(dāng)鹽漬土中納米SiO2含量依次為1%、2%、3%時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度和抗壓能力呈逐步增大趨勢(shì)，在納米SiO2含量達(dá)到最大摻入量3%時(shí)，含鹽量為1%和3%的鹽漬土在300 kPa垂直荷載下抗剪強(qiáng)度分別提升了63.4%和54.7%[圖3(a)、(c)]。

圖3(b)、(d)分別表示不同含鹽量鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角在納米SiO2摻入量增加時(shí)的變化特征。

圖3 不同含鹽量鹽漬土抗剪強(qiáng)度及剪切系數(shù)與納米SiO2含量變化關(guān)系

1%含鹽量鹽漬土的黏聚力呈下降趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角則呈上升趨勢(shì)，在納米SiO2摻入量為3%時(shí)黏聚力下降了64.1%，內(nèi)摩擦角上升了80.2%[圖3(b)]。當(dāng)含鹽量增大時(shí)，隨著納米SiO2的摻入，土體黏聚力同樣呈下降趨勢(shì)，最大降幅為15.6%，相對(duì)而言，內(nèi)摩擦角上升幅度則較大，最大為58.1%[圖3(d)]。

上述結(jié)果表明：在不同含鹽量鹽漬土中摻入納米SiO2后土體黏聚力均有不同程度降低，但內(nèi)摩擦角均有較大幅度提升，黏性土的抗剪強(qiáng)度由黏聚力和內(nèi)摩擦角決定，由于黏聚力減小的幅度小于內(nèi)摩擦角增大的幅度，故總體表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的顯著增大。

2.3 干密度變化規(guī)律

不同含鹽量鹽漬土的擊實(shí)曲線(圖4)表明，相比于不含鹽土，含鹽土的擊實(shí)曲線較為尖凸，土體最優(yōu)含水量有所減小,鹽漬土擊實(shí)曲線整體隨著含鹽量的增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)含鹽量為0.5%、1%、2%、3%、4%時(shí)，鹽漬土最大干密度依次提升了0.9%、2.5%、2.7%、4.8%、4.4%。

圖4 不同含鹽量硫酸鹽漬土擊實(shí)曲線

在鹽漬土試樣中加入納米SiO2后，鹽漬土的擊實(shí)特性會(huì)受到較大影響(圖5)。不同含鹽量鹽漬土擊實(shí)曲線變化趨勢(shì)相近，其最優(yōu)含水率均隨著納米SiO2摻入量的增大而增大，最大干密度則有顯著下降；當(dāng)含鹽量一定時(shí)，隨著納米SiO2摻入量的增加，特定含水量下鹽漬土干密度呈遞減趨勢(shì)，曲線峰值則逐漸向右移動(dòng)。1%和3%含鹽量鹽漬土在納米SiO2摻加量為1%、2%、3%時(shí)，最大干密度分別依次下降了4.2%、6.0%、13.5%和3.9 %、6.7%、17.7%。

圖5 不同含鹽量與不同納米SiO2摻入量下鹽漬土擊實(shí)曲線

2.4 滲透系數(shù)

含鹽量和納米SiO2含量的增加，均會(huì)造成鹽漬土滲透系數(shù)變差。如圖6(a)所示，黏土滲透系數(shù)隨含鹽量增大而逐漸下降，1%～4%含鹽量鹽漬土滲透系數(shù)分別下降了6.4%、16.7%、25.6%、41.0%。根據(jù)圖6(b)可知：3%含鹽量鹽漬土滲透系數(shù)隨納米SiO2含量增加而下降明顯，隨著納米SiO2含量從1%增加到4%，滲透系數(shù)分別下降了14.0%、19.3%、54.4%、68.4%，即納米SiO2對(duì)降低鹽漬土滲透系數(shù)效果顯著。

圖6 含納米SiO2和硫酸鈉鹽鹽漬土滲透系數(shù)與含鹽量的關(guān)系曲線

2.5 鹽脹抑制

在32.4 ℃以下，隨著溫度降低，硫酸鈉溶液溶解度迅速下降，并伴隨著十水硫酸鈉晶體的析出[圖7(a)]。所以，硫酸鹽漬土鹽脹率隨著含鹽量增加而增大[圖7(b)]，3%含鹽量的鹽漬土鹽脹率達(dá)到最大0.579%。但當(dāng)摻入2%含量的納米SiO2后，鹽漬土鹽脹得到明顯抑制，可見(jiàn)，納米SiO2抑制鹽脹效果顯著。

圖7 硫酸鈉溶解度相圖及納米SiO2抑制鹽脹圖

3 討論

3.1 鹽漬土物理特性與含鹽量關(guān)系

可溶鹽硫酸鈉的存在,使得黏土顆粒附近溶液中充滿(mǎn)鈉離子，鈉離子具有吸水性即水化，水化鈉離子被帶負(fù)電的黏粒吸引而在其表面形成較厚的反離子層，黏粒的擴(kuò)散層厚度增大，使得土體吸附弱結(jié)合水增多，液塑限增大。

較厚的反離子層一方面導(dǎo)致黏粒間的距離增大，土體黏聚力減小；另一方面導(dǎo)致土顆粒間內(nèi)摩擦角減小，故鹽漬土抗剪強(qiáng)度減小。但含鹽量較大時(shí)，黏粒附近溶液中的一個(gè)硫酸鈉分子會(huì)結(jié)合10個(gè)水分子，析出Na2SO4·10H2O晶體并帶走大量水分，黏粒表面反離子層厚度變薄，并且析出的鹽晶會(huì)填充土中空隙，充當(dāng)部分骨架，表現(xiàn)為黏聚力、內(nèi)摩擦角以及抗剪強(qiáng)度的增大。

伴隨著含鹽量增大時(shí)土粒間內(nèi)摩擦角減小，則有利于土顆粒受力時(shí)的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，在相同擊實(shí)功條件下，鹽漬土更加密實(shí)，干密度增大；但含鹽量過(guò)大時(shí)會(huì)析出鹽晶體，消耗大量土中孔隙水，土顆粒表面水膜變薄，不利于相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，干密度減小。鹽漬土干密度的增大及鹽晶體的析出則導(dǎo)致土中空隙的體積減小，空隙連通性減弱，鹽漬土滲透性降低。

3.2 納米SiO2改變鹽漬土物理特性

圖8(a)、(b)表明，相比于非納米土，納米土樣中有大量以納米SiO2為核形成的黏土聚團(tuán)。這些大小不一的黏土聚團(tuán)分散于土體孔隙中，減小了土中孔隙的孔徑，土中孔隙的連通性變差，從而降低了鹽漬土的滲透系數(shù)。

圖8 納米土與非納米土對(duì)比

納米SiO2密度較小，堆積密度僅為0.057 g/cm3。隨著其摻入量的增大，土顆粒單位體積含量逐漸減少，以納米SiO2為核形成的黏土聚團(tuán)增多，土樣呈現(xiàn)蓬松狀，且土體較干燥，難以被擊實(shí)，故最大干密度隨著摻入量的增加而減小。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)硫酸鹽漬土進(jìn)行的物理特性、鹽脹測(cè)試及改良試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著硫酸鈉鹽漬土含鹽量的增加，其液塑限總體呈現(xiàn)增大的特征，但增幅較?。蛔畲蟾擅芏戎饾u增大，但在含鹽量大于3%后，會(huì)有鹽晶體析出導(dǎo)致最大干密度減小。

(2) 黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度隨含鹽量增大均呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征；但鹽漬土滲透系數(shù)卻隨著鹽分增多而減小。

(3) 納米SiO2會(huì)顯著提高硫酸鹽漬土的液塑限、抗剪強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)造成鹽漬土干密度迅速降低。

(4) 添加納米SiO2，減小了土中滲透系數(shù)，使得鹽脹被有效抑制。