應(yīng) 賽，周鳳璽，文 桃，汪時機，曹亞鵬

(1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730000； 2.長江師范學(xué)院 建筑物全生命周期健康檢測與災(zāi)害防治工程 研究中心，重慶 408100； 3. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000)

1 研究背景

降溫過程中，多孔介質(zhì)材料的鹽脹與凍脹變形行為是材料耐久性、寒旱區(qū)建筑與道路工程建設(shè)與安全運營、古文物保護等領(lǐng)域的熱點問題。大量學(xué)者對土體的鹽脹與凍脹進行了研究。牛璽榮等[1]認(rèn)為鹽脹與凍脹過程中的土體體積變化等于土體中鹽溶液的體積變化，并以此為基礎(chǔ)，給出了鹽脹與凍脹變形的計算公式。肖澤岸等[2]認(rèn)為硫酸鹽漬土降溫過程中的變形由3部分組成：冰結(jié)晶和鹽結(jié)晶壓力所引起的變形、冰鹽結(jié)晶后密度變化所引起的變形及土體熱脹冷縮所引起的變形。利用降溫過程中的鹽結(jié)晶量和冰結(jié)晶量推求鹽脹力和凍脹力，若已知土體模量，可對鹽脹與凍脹變形進行計算。也有許多學(xué)者以結(jié)晶動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，給出了晶體生長導(dǎo)致的結(jié)晶壓力計算公式，繼而建立了結(jié)晶變形模型[3-9]。

在上述的研究中，鹽脹與凍脹的計算是彼此獨立的，但鹽脹發(fā)生在凍脹之前，必定對凍脹過程產(chǎn)生一定影響。Wan等[10]認(rèn)為鹽脹結(jié)晶減少了凍脹結(jié)晶時的孔隙尺寸，并給出了鹽脹結(jié)晶與凍脹結(jié)晶在孔隙中的析出模型。Litvan[11]的研究表明，低濃度的變形主要由凍脹產(chǎn)生，高濃度的變形主要由鹽脹導(dǎo)致，說明鹽脹與凍脹變形二者之間存在聯(lián)系，并非相互獨立。在現(xiàn)有的相關(guān)研究中，對于鹽脹與凍脹變形行為之間的差異與聯(lián)系，缺乏深入的分析與探討。這導(dǎo)致現(xiàn)有理論對降溫過程中水鹽相變機理認(rèn)識不清，難以對鹽漬土的鹽、凍脹變形規(guī)律及混凝土的鹽、凍脹破壞規(guī)律進行合理解釋和準(zhǔn)確預(yù)測。

本文開展了一系列鹽漬土鹽脹、凍脹試驗，通過控制鹽漬土中的水鹽含量，改變降溫過程中鹽脹與凍脹變形的相對大小，在此基礎(chǔ)上對水鹽含量變化引起的鹽漬土鹽脹與凍脹變形規(guī)律進行了研究，旨在揭示鹽脹與凍脹變形行為之間的差異與聯(lián)系，以期對鹽、凍脹變形的機理產(chǎn)生新的認(rèn)識，為建立鹽、凍脹變形計算模型和防治鹽、凍脹病害提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2 鹽脹與凍脹的定義

主流的觀點認(rèn)為，土體的鹽脹與凍脹應(yīng)該根據(jù)引起土體膨脹變形的結(jié)晶種類進行定義，即鹽結(jié)晶引起的土體膨脹為鹽脹，冰結(jié)晶引起的土體膨脹為凍脹[12]。該定義意義明確，容易被理解與接受，但是存在一定的問題。從研究方法上來說，根據(jù)相關(guān)研究可知，在凍結(jié)溫度以下，鹽結(jié)晶與冰結(jié)晶同時產(chǎn)生，在該過程中鹽結(jié)晶與冰結(jié)晶各自產(chǎn)生的膨脹，以現(xiàn)有的試驗手段及理論知識無法進行劃分，從而無法對該過程中的鹽脹與凍脹進行計算。也有學(xué)者嘗試對該定義下的鹽脹與凍脹進行計算[1,13]，但其計算模型認(rèn)為降溫過程中的土體膨脹體積等于該過程產(chǎn)生的晶體體積與孔隙體積之差，該假設(shè)忽略了晶體未完全填充孔隙階段產(chǎn)生的孔隙變形。從研究目的上來說，在凍結(jié)溫度以下產(chǎn)生的晶體為鹽結(jié)晶與冰結(jié)晶的混合物，研究目的應(yīng)是弄清楚混合物的產(chǎn)生與土體膨脹的關(guān)系，而不是對混合物中鹽結(jié)晶和冰結(jié)晶各自產(chǎn)生的膨脹進行劃分。所以筆者認(rèn)為，以引起土體膨脹變形的結(jié)晶種類對土體的鹽脹與凍脹進行定義并不合理。應(yīng)根據(jù)降溫過程對土體的鹽脹與凍脹進行定義，即整個降溫過程，以凍結(jié)溫度為分割點，凍結(jié)溫度以上過程中產(chǎn)生的膨脹變形為鹽脹變形，凍結(jié)溫度以下過程中產(chǎn)生的膨脹變形為凍脹變形。該定義在研究方法上，可以非常方便地對鹽脹與凍脹進行劃分，從研究目的上，明確了在凍脹階段，需要著重研究冰鹽混合物的產(chǎn)生與土體變形的關(guān)系，是合理且可行的。

故本文中所采用的鹽脹與凍脹的定義如下所述。鹽漬土溫度降至凍結(jié)溫度以下時的結(jié)晶膨脹過程分為2個階段：在凍結(jié)溫度以上為鹽脹階段，該階段的結(jié)晶為鹽結(jié)晶；在凍結(jié)溫度以下為凍脹階段，該階段的結(jié)晶為鹽結(jié)晶和冰晶的混合物，且以冰晶為主[14]。

3 試驗方案

3.1 試驗材料

試驗用土為蘭州地區(qū)粉土，土的物理性質(zhì)指標(biāo)和易溶鹽含量分別見表1、表2。試驗中配制硫酸鹽漬土采用的硫酸鈉為有效成分含量≥99%的無水硫酸鈉。將無水硫酸鈉溶解于蒸餾水中，在室溫下(20±3℃)配制成一定濃度的硫酸鈉溶液。硫酸鈉溶液與烘干后的土體拌和均勻后配制成土樣。土樣的含水量為鹽溶液中水的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，控制為18%，土樣中鹽含量為鹽溶液中鹽的質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，由鹽溶液濃度控制。

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of soil

表2 土中的易溶鹽含量Table 2 Contents of soluble salts in soil

3.2 試驗儀器

試驗采用自制的鹽凍脹試驗儀，儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該儀器的位移傳感器型號為YWD-50，靈敏度為200×10-6/mm，控溫所用的高精度低溫槽型號為DL2010，溫控范圍-20～100 ℃，精度±0.1 ℃。

圖1 鹽、凍脹試驗儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of salt-frost heave apparatus

3.3 試驗條件

3.3.1 凍結(jié)溫度測定與溫度控制

鹽脹階段與凍脹階段的溫度分割點為凍結(jié)溫度，利用文獻(xiàn)[15]的凍結(jié)溫度測試儀器與方法，在鹽、凍脹試驗前對不同含鹽量試樣的凍結(jié)溫度進行測定，結(jié)果如圖2所示，試樣凍結(jié)溫度在-2 ℃左右波動，但波動范圍較小。

圖2 凍結(jié)溫度隨含鹽量變化曲線Fig.2 Curve of freezing temperature varying with salt content

本試驗中的含鹽量變化區(qū)間為0.8%～4.0%，選定鹽脹與凍脹的溫度分割點為-2 ℃。由硫酸鈉溶解度相圖(見圖3)計算，硫酸鈉飽和溶液的溫度由-1 ℃降至-1.4 ℃時，十水硫酸鈉結(jié)晶量只增加了0.1%，可見在-2 ℃左右，凍結(jié)溫度的偏差所導(dǎo)致的鹽脹與凍脹變形的偏差十分微小，所以選定鹽脹與凍脹的溫度分割點為-2 ℃是可行的。

圖3 硫酸鈉溶解度相圖Fig.3 Phase diagram of solubility of sodium sulfate

試驗測定的土樣溫度變化如圖4所示，溫度變化過程分3個階段：第1階段為鹽脹階段，溫度從24 ℃降至-2 ℃；第2階段為凍脹階段，溫度從-2 ℃降至-12 ℃；第3階段為升溫階段，溫度從-12 ℃升至24 ℃。其中試驗溫度在-2 ℃保持了一段時間，以便根據(jù)試驗得到的變形曲線對鹽脹與凍脹變形進行劃分。

圖4 溫度變化曲線Fig.4 Curve of temperature variation

3.3.2 變量控制

當(dāng)試樣中的水鹽含量發(fā)生變化時，凍結(jié)過程中鹽脹與凍脹變形的相對大小發(fā)生改變。試驗中的控制變量為試樣含鹽量和含水量，分為3個部分，如表3所示。

表3 變量控制Table 3 Control of variables

4 試驗結(jié)果分析

4.1 含鹽量對鹽漬土變形的影響

由試驗Ⅰ得到的不同含鹽量下降溫-升溫過程中的鹽漬土變形曲線如圖5所示。圖5表明，在一次降溫-升溫過程中試樣變形過程為冷縮(降溫)-膨脹(降溫)-融陷(升溫)。以-2 ℃為分割點，可非常明確地將試驗降溫過程中的總變形分割為鹽脹變形和凍脹變形。如含鹽量為2%時，在104 min(4.6 ℃)時開始產(chǎn)生鹽脹變形，在152 min(-1 ℃)至248 min(-2 ℃)時間段內(nèi)鹽脹變形保持穩(wěn)定，104 min(4.6 ℃)至248 min(-2 ℃)時間段內(nèi)產(chǎn)生的變形即為鹽脹變形；248 min(-2 ℃)以后凍脹變形開始產(chǎn)生，在296 min(-5.5 ℃)至432 min(2.6 ℃)時間段內(nèi)凍脹變形保持穩(wěn)定，在248 min(-2 ℃)至432 min(2.6 ℃)時間段內(nèi)產(chǎn)生的變形即為凍脹變形。可以看到，當(dāng)含鹽量≤1.2%時，降溫膨脹過程只有凍脹沒有鹽脹，當(dāng)含鹽量≥1.4%，降溫膨脹過程表現(xiàn)為鹽脹與凍脹2個階段。當(dāng)含鹽量為0.8%時，降溫階段未發(fā)生膨脹變形，故其變形曲線未在圖5中繪制。

圖5 不同含鹽量下鹽漬土降溫-升溫過程中的 變形曲線Fig.5 Curve of deformation of saline soil in freezing and thawing process varying with salt content

將試驗Ⅰ中鹽脹變形、凍脹變形和總變形與含鹽量的關(guān)系曲線繪于圖6。

圖6 降溫過程中變形與含鹽量關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between salt content and deformation in cooling process

從圖6可以看出：當(dāng)含鹽量>1.2%時，鹽脹變形開始產(chǎn)生，且隨著含鹽量的增大而增大；凍脹變形隨著含鹽量的增大先增大后減小，且在含鹽量0.8%～1.6%區(qū)間內(nèi)大幅波動，在含鹽量0.8%～1.2%區(qū)間內(nèi)大幅增加，在含鹽量1.2%～1.6%區(qū)間內(nèi)大幅減??；當(dāng)含鹽量>1.2%時，鹽脹變形開始產(chǎn)生，與此同時凍脹變形大幅減小?？梢?，鹽結(jié)晶的產(chǎn)生和增加與凍脹變形的大幅增大是同步發(fā)生的，鹽脹變形的產(chǎn)生和凍脹變形大幅減小也是同步的，這反映了鹽脹過程對凍脹過程的影響。

隨著含鹽量的增大，總變形先增大后減小再增大，在含鹽量1.2%處出現(xiàn)峰值，在含鹽量1.8%處出現(xiàn)谷值。其中在含鹽量由1.2%變化至1.6%時，總變形大幅減小了71%，這一現(xiàn)象十分值得關(guān)注，溶液濃度對材料鹽凍變形及破壞的影響規(guī)律的問題，一直存在爭議，各研究成果之間存在很大差異[16-19]，若該現(xiàn)象確實存在，則對解決溶液濃度對材料鹽凍變形及破壞的影響規(guī)律的爭議具有重要意義。為了確認(rèn)該現(xiàn)象的存在，在試驗 Ⅰ 條件下，對含鹽量為1.2%和1.6%的試樣再次進行了降溫變形試驗，且試驗將圖4所示的溫度變化連續(xù)重復(fù)3次，即每個試樣都經(jīng)歷了連續(xù)3次的降溫-升溫變形。試驗結(jié)果如圖7所示，從圖7可以確認(rèn)，當(dāng)含鹽量從1.2%變化至1.6%，降溫總變形確實產(chǎn)生了大幅降低。

圖7 鹽漬土降溫-升溫過程中的變形曲線Fig.7 Deformation curves of saline soil in freezing and thawing process

對于硫酸鈉溶液來說，當(dāng)含水量不變，含鹽量增加時，降溫過程中溶液中的總結(jié)晶體積(鹽結(jié)晶與冰晶體積之和)是減小的[20-21]，說明對于包含鹽脹與凍脹的降溫過程，總變形量與總結(jié)晶體積之間不滿足正相關(guān)關(guān)系。而已有的試驗數(shù)據(jù)及結(jié)晶填充理論表明，在只發(fā)生鹽脹或只發(fā)生凍脹的情況下，變形與結(jié)晶體積之間滿足正相關(guān)關(guān)系[1,3-9,21]。這里將降溫過程中鹽、凍脹總變形與總結(jié)晶體積之間不滿足正相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)象稱為鹽脹與凍脹的疊加效應(yīng)。

從圖6可以明顯觀察到，降溫過程中的鹽脹變形、凍脹變形和總變形隨含鹽量增大的變化規(guī)律存在一個特點，即在含鹽量<1.8%區(qū)間內(nèi)，總變形與凍脹變形的變化規(guī)律相似，在含鹽量>1.8%區(qū)間內(nèi)，總變形與鹽脹變形的變化規(guī)律相似。這說明在整個降溫過程中，鹽脹與凍脹變形的主導(dǎo)地位隨含鹽量的變化而變化。在含鹽量<1.8%區(qū)間內(nèi)，凍脹占主導(dǎo)地位。在含鹽量>1.8%區(qū)間內(nèi)，鹽脹占主導(dǎo)地位。所以在包含鹽脹和凍脹的降溫過程中，總變形隨含鹽量的變化規(guī)律將受鹽脹與凍脹之間的強弱關(guān)系顯著影響。

用鹽脹比來表示鹽脹與凍脹之間的強弱關(guān)系，定義降溫變形過程中鹽脹變形與總變形的比值為鹽脹比?？傋冃魏望}脹比的關(guān)系曲線如圖8所示，當(dāng)鹽脹變形為0時，凍脹變形率在0%和峰值點6.8%之間變化，該過程發(fā)生在含鹽量≤1.2%的區(qū)間，在含鹽量1.2%時凍脹變形達(dá)到峰值，當(dāng)含鹽量不斷減小至0.8%時，凍脹變形減小為0，該階段發(fā)生在含鹽量較小時。

圖8 試驗Ⅰ條件下總變形和鹽脹比關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between total deformation and ratio of salt expansion in testⅠ

當(dāng)鹽脹變形開始產(chǎn)生后，隨著鹽脹比的增大，總變形先減小再增大，在鹽脹比50%左右出現(xiàn)最小值。鹽脹比為50%時，鹽脹變形與凍脹變形相等，此時總變形最小。說明當(dāng)鹽脹過程與凍脹過程處于均勢，沒有一方占主導(dǎo)地位時，總變形最小。此時，若水鹽含量發(fā)生變化，打破鹽脹或凍脹的均勢，使其中一方在降溫過程中變形行為占主導(dǎo)地位時，都會導(dǎo)致總變形增大，這里把該規(guī)律稱為鹽脹與凍脹的均勢規(guī)律。

根據(jù)上述的均勢規(guī)律可知，如果降溫過程同時存在鹽脹變形與凍脹變形，在鹽脹比接近0%和100%時，即凍脹和鹽脹分別占絕對主導(dǎo)地位時，總變形達(dá)到極大值，而當(dāng)鹽脹比為50%，即凍脹和鹽脹處于均勢狀態(tài)時，總變形達(dá)到極小值，總變形與鹽脹比之間滿足“V”形變化規(guī)律。

通過進一步控制水鹽含量，可以將總變形與鹽脹比的關(guān)系曲線向含鹽量極大時的極端情況推廣。鹽脹比接近100%時，鹽脹處于絕對主導(dǎo)地位，如果含鹽量繼續(xù)增大，含水量不斷減少，使孔隙溶液過飽和，未溶解的鹽不斷增加，鹽脹和凍脹變形都將不斷減小，直至溶液消失，鹽脹和凍脹變形減小為0。

由上述分析可知，隨著水鹽含量的變化，鹽、凍脹總變形與鹽脹比之間滿足“M”形變化規(guī)律，總變形隨鹽脹比變化的過程可分為3個階段，如圖9所示。可以看到，該曲線有3個特征點：當(dāng)鹽脹或凍脹占主導(dǎo)地位時，總變形達(dá)到極大值，即鹽脹和凍脹峰值點；當(dāng)鹽脹與凍脹處于均勢時，總變形達(dá)到極小值，即均勢點。在階段 Ⅰ，凍脹占絕對主導(dǎo)地位，此時含鹽量較小，鹽脹為0，凍脹在0到凍脹峰值點之間變化。在階段 Ⅱ，隨著鹽脹比的增大，逐漸由凍脹主導(dǎo)向鹽脹主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，總變形先減小后增大，當(dāng)鹽脹與凍脹均勢時，總變形達(dá)到均勢點。在階段Ⅲ，鹽脹占絕對主導(dǎo)地位時，此時含鹽量較大，土體中有未溶解的鹽，凍脹為0，鹽脹在0到鹽脹峰值點之間變化。

圖9 總變形與鹽脹比的M形變化規(guī)律示意圖Fig.9 Schematic diagram of M-shaped curve relation between total deformation and ratio of salt expansion

4.2 高含鹽量下含水量對鹽漬土變形的影響

將試驗Ⅱ中鹽脹變形、凍脹變形和總變形隨含水量變化的關(guān)系曲線繪于圖10中。可以看到，隨著含水量的增大，凍脹變形逐漸增大，鹽脹變形先增大后減小，在含水量18%時達(dá)到最小值，在含水量≤16%區(qū)間鹽脹變形遠(yuǎn)大于凍脹變形，在含水量達(dá)到18%時，鹽脹變形與凍脹變形趨于相等。隨含水量的增大，總變形先增大后減小，在含水量18%時達(dá)到最小值，其規(guī)律與鹽脹變形隨含水量變化規(guī)律相同，說明試驗Ⅱ條件下，鹽脹過程占主導(dǎo)地位。當(dāng)含水量增大至18%時，鹽脹與凍脹過程達(dá)到均勢，總變形達(dá)到極小值，符合均勢效應(yīng)。

圖10 高含鹽量下變形與含水量的關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between water content and deformation in high salt content condition

圖11為試驗Ⅱ條件下總變形與鹽脹比的關(guān)系曲線，可以看到，在鹽脹比為50%左右時，總變形達(dá)到最小值，在鹽脹比達(dá)到94.44%時，總變形達(dá)到極大值13.45%，符合“M”形變化規(guī)律的階段Ⅱ。當(dāng)鹽脹比進一步增大至100%時，總變形大幅降低，符合“M”形變化規(guī)律的階段Ⅲ，該階段發(fā)生在含水量<8%時，這時土樣中鹽溶液濃度過大，存在大量未溶解的硫酸鹽，這符合對階段Ⅲ產(chǎn)生原因的判斷。

圖11 試驗Ⅱ條件下總變形與鹽脹比關(guān)系曲線Fig.11 Relation between total deformation and ratio of salt expansion in test Ⅱ

4.3 低含鹽量下含水量對鹽漬土變形的影響

將試驗Ⅲ中鹽脹變形、凍脹變形和總變形隨含水量變化的關(guān)系曲線繪于圖12中?？梢钥吹剑S著含水量的增大，凍脹變形逐漸增大，鹽脹變形不斷減小，總變形先減小后增大，在含水量12%左右達(dá)到極小值，此時，鹽脹變形與凍脹變形趨于相等。在含水量8%～10%區(qū)間內(nèi)，總變形和鹽脹變形隨含水量變化的規(guī)律相似;在含水量12%～18%區(qū)間內(nèi)，總變形和凍脹變形隨含水量變化的規(guī)律相似。這說明在含水量8%～12%區(qū)間內(nèi)，鹽脹過程占主導(dǎo)地位；在含水量12%～18%區(qū)間內(nèi)，凍脹過程占主導(dǎo)地位；在含水量12%時，鹽脹與凍脹處于均勢地位，總變形達(dá)到極小值。

圖12 低含鹽量下變形與含水量關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between water content and deformation in low salt content condition

圖13為試驗Ⅲ條件下總變形與鹽脹比的關(guān)系曲線，可以看到，在鹽脹比為50%左右時，總變形達(dá)到最小值，在鹽脹比為0%時，總變形達(dá)到極大值，總變形與鹽脹比之間的關(guān)系符合“M”形變化規(guī)律的階段Ⅱ。

圖13 試驗Ⅲ條件下總變形與鹽脹比關(guān)系曲線Fig.13 Relation between total deformation and ratio of salt expansion in test Ⅲ

通過上述分析可知，當(dāng)硫酸鹽漬土含鹽量不同時，鹽、凍脹的總變形隨含水量變化的規(guī)律并不相同。高含鹽量時，含水量從6%增加至18%，總變形先增大后減??；低含鹽量時，含水量從8%增加至18%，總變形先減小后增大。這說明降溫過程中的鹽脹和凍脹變形大小受孔溶液中的含水量與含鹽量的共同影響，但無論孔溶液中的含水量與含鹽量如何變化，鹽脹與凍脹過程滿足均勢規(guī)律，即鹽、凍脹總變形與鹽脹比之間滿足“M”形變化規(guī)律。這反映了鹽脹與凍脹的強弱關(guān)系對鹽、凍脹總變形的影響，本質(zhì)上體現(xiàn)了鹽脹與凍脹間的內(nèi)在聯(lián)系。

5 結(jié) 論

本文以凍結(jié)溫度作為土體鹽脹與凍脹的分界點，開展了一系列鹽漬土鹽、凍脹試驗，通過控制鹽漬土中的水鹽含量，改變降溫過程中鹽脹與凍脹變形的相對大小，在此基礎(chǔ)上對水鹽含量變化引起的鹽漬土鹽脹與凍脹變形規(guī)律進行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)鹽脹過程對凍脹過程有著很大影響，導(dǎo)致凍脹變形在含鹽量0.8%～1.2%區(qū)間內(nèi)大幅增加，在含鹽量1.2%～1.6%區(qū)間內(nèi)大幅減小，在含鹽量由1.2%變化至1.6%時，總變形大幅減小了71%。

(2)在含鹽量為3%時，隨著含水量的增大，凍脹變形逐漸增大，鹽脹變形先增大后減小，總變形先增大后減小，在鹽脹變形與凍脹變形趨于相等時達(dá)到最小值。在含鹽量為1.4%時，隨著含水量的增大，凍脹變形逐漸增大，鹽脹變形不斷減小，總變形先減小后增大，同樣在鹽脹變形與凍脹變形趨于相等時達(dá)到最小值。

(3)在降溫結(jié)晶過程中，鹽脹與凍脹存在疊加效應(yīng)，即總變形與總結(jié)晶體積之間不滿足正相關(guān)關(guān)系。總變形受鹽脹與凍脹強弱關(guān)系的影響，當(dāng)鹽脹過程與凍脹過程處于均勢時，總變形最小，即鹽脹與凍脹的均勢規(guī)律。受均勢規(guī)律的影響，鹽、凍脹總變形與鹽脹比之間符合“M”形變化規(guī)律。