彭志皓 張武東 高長(zhǎng)軍 田 磊
(1.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000;2.中鐵三局集團(tuán)有限公司,山西 太原 030001;3.中鐵三局集團(tuán)第四工程有限公司,北京 102300;4.長(zhǎng)安大學(xué),陜西 西安 710064)
在我國(guó)鹽漬土種類繁多,其廣泛分布于內(nèi)陸與濱海的干燥地區(qū)[1],當(dāng)其含水率超過(guò)一定界限,則成為具有鹽漬土與軟弱土雙重工程性質(zhì)的鹽漬化軟弱地基。鹽漬化軟弱地基在處治過(guò)程中,大多以借鑒軟土的處治方法為主,治理效果依地理地質(zhì)環(huán)境而各有不同。目前評(píng)價(jià)水泥土處治鹽漬土路基效果的研究[2-3]已屢見(jiàn)不鮮,鹽漬化水泥土強(qiáng)度影響因素的研究也逐步深入[4-5],但將水泥土強(qiáng)度影響因素與固化機(jī)理相結(jié)合的研究還相對(duì)較少。因此,本文針對(duì)水泥土加固鹽漬化軟土強(qiáng)度的影響因素與機(jī)理進(jìn)行分析,為相關(guān)課題的研究提供參考。
新疆若羌至民豐高速公路建設(shè)之初,現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)其項(xiàng)目所在區(qū)域路基土體的基本物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè);針對(duì)地基特有的鹽漬化軟弱問(wèn)題,在考慮經(jīng)濟(jì)、便捷、有效提高地基承載力與控制鹽脹變形的基礎(chǔ)上,提出采用半剛性水泥土板層處治技術(shù)方案(見(jiàn)圖1所示),并對(duì)水泥土加固鹽漬化軟基強(qiáng)度的影響因素與機(jī)理進(jìn)行分析。
圖1 水泥土處治鹽漬化軟基示意圖
在工程現(xiàn)場(chǎng)選取兩個(gè)坑位取土,分別標(biāo)記為1號(hào)取樣點(diǎn)與2號(hào)取樣點(diǎn),在室內(nèi)對(duì)其易溶鹽含量、液塑限指標(biāo)、級(jí)配組成進(jìn)行檢測(cè),相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1~表3所示。
表1 易溶鹽含量與分類
表2 液塑限指標(biāo)
表3 顆粒級(jí)配試驗(yàn)
2.1.1 含鹽量對(duì)水泥土強(qiáng)度影響機(jī)理
有關(guān)水泥與鹽漬土的作用機(jī)理,已有不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入研究[6]。根據(jù)水泥水化反應(yīng)的化學(xué)方程式,可知實(shí)際參與反應(yīng)的離子主要包括:Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO4
2-、OH-、Al3+等,因此可將鹽分含量較高時(shí)水泥土處治效果減弱的機(jī)理歸納為3個(gè)原因,分別為:硫酸鹽的反應(yīng)、鎂鹽的反應(yīng)、氯鹽的反應(yīng)。
(1)硫酸鹽的反應(yīng)。
鹽漬化軟弱地基中含有的硫酸鹽會(huì)與水泥中的鈣離子反應(yīng)生成石膏,石膏在孔隙中往往會(huì)產(chǎn)生體積膨脹,進(jìn)而產(chǎn)生膨脹力,其會(huì)對(duì)處治完成的地基土產(chǎn)生破壞作用。此外,反應(yīng)生成的石膏還會(huì)與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成三硫水化硫鋁酸鈣,減少土體中所含自由水分的同時(shí),使得體積進(jìn)一步膨脹,產(chǎn)生的膨脹力亦會(huì)對(duì)地基土體產(chǎn)生破壞作用。因此,當(dāng)硫酸鹽含量適宜時(shí),由于膨脹會(huì)使得土體更加密實(shí)與緊湊,但硫酸鹽含量過(guò)多時(shí),就會(huì)產(chǎn)生過(guò)度的膨脹破壞。
(2)鎂鹽的反應(yīng)。
當(dāng)土體中含有硫酸鎂與氯化鎂時(shí),易與水泥產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成石膏(硫酸鈣)與氫氧化鎂,其中,石膏的膨脹作用在前已有闡述,氫氧化鎂則因其本身材質(zhì)的柔軟與弱膠結(jié)性而使得加固土強(qiáng)度減弱。因此,可知鎂鹽對(duì)鹽漬化軟弱土的加固存在雙重侵蝕作用。
(3)氯鹽的反應(yīng)。
若土體中含有較多的氯化物時(shí),易與水泥產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)生成氯化鈣,因此也會(huì)使得加固土的強(qiáng)度減弱。但另一方面,由于反應(yīng)生成的氯離子會(huì)溶解硫鋁酸鈣,一定程度上也會(huì)減弱膨脹,從而減少對(duì)地基土的破壞作用。
2.1.2 試驗(yàn)方案
為探究鹽分含量對(duì)水泥加固硫酸鹽類軟土強(qiáng)度的影響,以32.5級(jí)水泥摻量10%(質(zhì)量比)為不變因子,設(shè)計(jì)鹽分含量為1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%(質(zhì)量比)的水泥硫酸鹽漬加固土,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d、14d、28d,對(duì)養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
2.1.3 結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)不同含鹽量、不同齡期水泥硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),可以得到如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖,見(jiàn)圖2所示。
圖2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含鹽量關(guān)系圖
由圖2可以看出,隨著齡期的增加,其強(qiáng)度逐漸增加,但其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸減弱;在齡期與水泥摻量相同的情況下,水泥硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含鹽量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),具體從初值→峰值→末值的強(qiáng)度趨勢(shì)來(lái)看:當(dāng)其為7d齡期時(shí),從1.07MPa→1.27MPa→1.15MPa;當(dāng)其為14d齡期時(shí),從1.77MPa→2.23MPa→2.01MPa;當(dāng)其為28d 齡期時(shí),從2.22MPa→2.78MPa→2.52MPa;其均存在峰值點(diǎn),且峰值點(diǎn)均為3.5%的含鹽量處。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于水泥土處治硫酸鹽漬化軟弱地基意義較大,意味著采用水泥處治硫酸鹽漬化軟弱地基方案時(shí),原地基土體鹽分含量不宜太高,否則難以取得預(yù)期效果。如若鹽分確實(shí)較高,可選用一些抗硫酸鹽水泥、礦渣類水泥、外摻劑等提高水泥土強(qiáng)度。
2.2.1 試驗(yàn)方案
為探究水泥含量對(duì)水泥加固硫酸鹽類軟土強(qiáng)度的影響,以天然鹽分含量為不變量,設(shè)計(jì)水泥含量為6%、8%、10%、12%、14%(質(zhì)量比)的水泥硫酸鹽漬加固土,養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d、14d、28d,對(duì)養(yǎng)護(hù)后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。
由于水泥遇水會(huì)立刻發(fā)生水化反應(yīng),其強(qiáng)度逐漸增加,因此在摻配不同比例的水泥并拌合后,立刻進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)而不考慮齡期的影響,可以得出如下關(guān)系圖,見(jiàn)圖3所示。
圖3 擊實(shí)試驗(yàn)曲線圖
2.2.2 結(jié)果分析
根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)曲線圖可以看出,隨著水泥摻合比的不同,水泥硫酸鹽漬土的最大干密度與最佳含水率呈現(xiàn)上下擺動(dòng)趨勢(shì),并無(wú)明顯規(guī)律,但其波動(dòng)數(shù)值都較小。其中水泥摻和比為10% 時(shí),最大干密度值最大,為1.95g/cm3;水泥摻和比為8%時(shí),最佳含水率最高,為12.6%;綜合上述條件,可考慮采用水泥摻和比為10%進(jìn)行鹽漬土軟基處治,此時(shí)最大干密度最大,但需水量較小。
通過(guò)對(duì)不同水泥摻量、不同齡期水泥硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),可以得到如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖,見(jiàn)圖4所示。
對(duì)圖4進(jìn)行分析可知,隨著齡期的增加,其強(qiáng)度逐漸增加,且其強(qiáng)度增長(zhǎng)速率也逐漸增加;在齡期與含鹽量相同的情況下,水泥硫酸鹽漬土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的逐漸增加,呈現(xiàn)出先快速增加后緩慢增加最后又快速增加的變化趨勢(shì),對(duì)其不同的三個(gè)增長(zhǎng)速度階段進(jìn)行劃分,可選擇三個(gè)重要的“代表點(diǎn)”進(jìn)行分析,如圖中28d處的A、B、C三點(diǎn),即:A→B→C;當(dāng)其為7d齡期時(shí),從1.09MPa→1.8MPa→2.7MPa;當(dāng)其為14d齡期時(shí),從1.23MPa→2.08MPa→3.12MPa;當(dāng)其為28d 齡期時(shí),從2.33MPa→4.73MPa→5.63MPa。此外,同一齡期對(duì)比谷值A(chǔ)點(diǎn)與峰值C點(diǎn)(即6%水泥摻量與14%水泥摻量),可知:7d齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度共增加1.61MPa;14d齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度共增加1.89MPa;28d齡期的水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度共增加3.3MPa;7d齡期與14d齡期的水泥硫酸鹽漬土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量相近,28d齡期的增長(zhǎng)量較前兩者更大,這表明采用32.5級(jí)水泥在硬化初期起到了緩慢凝固的作用,即為現(xiàn)場(chǎng)水泥土處治鹽漬化軟弱地基提供了較為寬裕的作業(yè)時(shí)間。
圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系圖
綜上所述,水泥土處治軟弱鹽漬化地基時(shí),地基土體的含鹽量應(yīng)在3.5%以內(nèi),否則應(yīng)當(dāng)采用一些抗硫酸鹽水泥、礦渣類水泥、外摻劑等提高水泥土強(qiáng)度。
從凝固時(shí)間、水泥摻量對(duì)鹽漬土的固化強(qiáng)度等角度綜合考慮,加固的水泥宜采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其摻量為10%。
鹽分含量較高時(shí)水泥土處治效果減弱的機(jī)理可歸納為:硫酸鹽的反應(yīng)、鎂鹽的反應(yīng)、氯鹽的反應(yīng)。