硫酸盐渍土物理特性及纳米SiO2固化机理研究

钟昌茂， 万旭升， 龚富茂， 慎嘉宾， 汪祾海， 邓世磊

(1.西南石油大学 土木工程与建筑学院， 四川 成都 610500； 2.中铁二院工程集团有限责任公司)

当土中的易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性时，应判定为盐渍土。中国盐渍土分布面积约占全球盐渍土(盐土、碱土、盐化土及碱化土)总面积的3.8%，居世界第4位。西北地区是中国盐渍土分布面积最广的地区，同时也是中国“一带一路”国际战略国内前沿段，其道路、渠道和机场跑道等工程建设需求必将进一步加大，对该地区分布广泛且盐胀工程危害明显的硫酸盐渍土物理特性的研究显得极其迫切。

目前，关于硫酸盐渍土物理特性已有大量研究，张飞、付江涛等通过剪切试验发现，硫酸盐渍土黏聚力和内摩擦角随含盐量增加表现出先减小后增大的变化特征；文桃等认为含盐量对硫酸盐渍土最大干密度和最优含水率的影响规律并不是单一不变的，它取决于土中硫酸钠及3种状态间的相对含量，张伟等进行的CT-三轴剪切试验表明硫酸钠的溶解和降温结晶都会影响盐渍土的应力-应变曲线并且造成土体干密度减小，引起强度降低；文桃等进一步研究表明十水硫酸钠晶体具有支架作用，其含量的增加使硫酸盐渍土的击实性能大幅降低；邴慧等对硫酸盐渍土洗盐前后物理力学性质的变化进行了研究，认为天然盐渍土洗盐后，土体液塑限升高，抗剪强度参数和单轴抗压强度均增大；钱晓明等认为土体黏聚力随冻融循环次数的增加而减小；陈炜韬等从结晶体位置变化、微观结构、盐类性质及未冻结水含量分析了冻融循环对盐渍土黏聚力的作用机理，结果表明：冻融循环过程中结晶盐晶体析出位置的变化是土体黏聚力和干密度减小的主要原因；邓友生等研究表明：在干重度相同的情况下，渗透系数随着含盐量的增加而减小，硫酸盐土的渗透系数要比氯盐土渗透系数减小显著；吴道勇、肖泽岸等开展的室内冻融循环试验证明硫酸盐渍土的盐胀变形过程是温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合的复杂过程。然而，关于硫酸盐渍土因为含盐量的增大造成其工程物理特性发生明显变化的研究还不够深入和全面。

Taha等通过试验研究发现向土中掺入适量纳米材料可以缓解土的膨胀和收缩变形，减少压实样品表面干燥裂缝的发展，但不会影响其渗透系数；Liu等在研究中发现纳米SiO2和高炉矿渣的协同效应可显著降低水泥基体的孔隙度，提高其抗压强度；Ren等通过一系列室内试验研究发现，纳米SiO2降低了低温下土体的冻胀量，而不影响样品的重度；黄娟等认为纳米SiO2材料可有效改善路用混凝土的抗盐冻性能，提高混凝土的耐久性；张洪亮等试验结果表明，混凝土中复掺一定量的纳米CaCO3和纳米SiO2可以提高其抗硫酸盐腐蚀性能。由此可知，纳米SiO2是一种良好的多孔介质材料改性物质，但其在硫酸盐渍土中的应用和研究鲜有报道。

该文通过室内试验研究含盐量变化对充分洗盐后的硫酸盐渍土物理特性的影响规律，并向不同含盐量盐渍土中掺入纳米SiO2以研究其对盐渍土物理特性的改性效果和固化机理，对比分析新型改良材料纳米SiO2与传统建筑材料的盐胀抑制效果，为盐渍土地区工程建设提供参考。

1 试验方法

1.1 试验材料

以西北河西走廊地区具有代表性的硫酸盐渍土为研究对象，土样为粉质黏土(含水量为18.5%，干密度为1.70 g/cm3)。为研究硫酸钠含量变化对盐渍土物理特性影响规律，首先对盐渍土进行脱盐处理，用去离子水浸泡天然盐渍土样并充分搅拌，水变清澈后再换水浸泡，如此重复10余次。将脱盐后的土样置于105 ℃的温度下烘干，并统一碾碎，对碾碎后的土样进行粒组分析，结果见表1，试验用纳米SiO2规格指标见表2。

表1 土粒级配百分比

表2 纳米SiO2规格指标

1.2 试验方案

1.2.1 液塑限试验

液塑限试验试样配比见表3，共48个试样。试样制备好后立即装入密封袋并闷料24 h，使试样中的盐分和水分分布均匀，试验采用液限和塑限联合测定法，试验装置为数显式土壤液塑限联合测定仪。

表3 液塑限试验试样配比

1.2.2 直剪试验

含盐量和纳米SiO2含量配比见表4，共12个试样。在电动等应变直剪仪中，将闷料后的试样依次置于50、100、200、300 kPa的垂直荷载下进行直剪试验，剪切速率为4 mm/min。

表4 直剪试验试样配比

1.2.3 击实试验

击实试验试样配比见表5，每种不同含盐量和SiO2掺量下的土样分别加入不同含量蒸馏水而设置成6个不同含水率，依次从12%到22%(以2%的含水率递增)，共72个试样，采用轻型击实法在多功能电动击实仪中将闷料后的试样击实，每个土样分3层击实，每层27击。

表5 击实试验试样配比

1.2.4 渗透试验

渗透试验试样配比见表6，将闷料后的试样装入TST-55型渗透仪中进行变水头渗透试验，干密度控制为1.5 g/cm3，具体试验步骤及渗透系数计算公式参见文献[24]中的变水头渗透试验。

表6 渗透试验试样配比

1.2.5 盐胀试验

将闷料后的试样装入到特制的有机玻璃容器中，干密度控制为该种土样的最大干密度，插入位移测量器并密封容器，将容器放置到可程式恒湿恒温试验箱中进行降温试验，初始温度控制为30 ℃，最终温度为0 ℃，降温速率为0.1 ℃/min，试样配比见表7。

表7 盐胀试验试样配比

2 试验结果与分析

2.1 液塑限

硫酸盐渍土的液限和塑限均随着含盐量的增加而微弱增大[图1(a)]。相对而言，纳米SiO2则会对盐渍土液塑限产生较大影响。如图1(b)所示，1%和3%含盐量盐渍土液塑限均随着纳米SiO2掺入量的增加而增大，并在纳米SiO2掺加量为4%时达到最大值。1%含盐量盐渍土液塑限最大增幅为40%和44.8%；3%含盐量盐渍土液塑限最大增幅为34.8%和45.5%。

图1 盐渍土液塑限与含盐量、纳米SiO2含量变化关系

2.2 硫酸盐渍土强度

2.2.1 硫酸钠含量对盐渍土强度的影响

硫酸盐渍土抗剪强度随含盐量增加表现出先减小后增大的变化特征图。根据图2(a)的盐渍土强度包线图，相对于不含盐土，0.5%、1%、2%、3%含盐量盐渍土的抗剪强度均有不同程度降低。当垂直压力从50 kPa到300 kPa的变化过程中，2%含盐量盐渍土的抗剪强度降幅最大，依次下降了24.6%、25.6%、26.4%、28.6%；但4%含盐量盐渍土抗剪强度则比不含盐土分别提升了30.8%、31.4%、32.0%、27.4%，因为多余的盐以盐晶体的形式析出，盐晶体作为固体颗粒的一部分起到填充土中孔隙作用，同时，盐晶构成了盐渍土的一部分骨架从而增大抗剪强度。

由图2(a)中莫尔应力圆可知，在保持最小主应力σ3为50 kPa不变时，最大主应力σ1随含盐量先减小后增大，表明盐渍土抗压能力先降低后提高，所以，硫酸盐渍土的黏聚力和内摩擦角随含盐量的增加同样表现出先减小后增大的变化特征[图2(b)]，4%含盐量盐渍土的黏聚力和内摩擦角均超过不含盐土，增幅分别达到36.3%和22.3%。

图2 抗剪强度、莫尔应力圆和剪切系数与硫酸钠含量变化关系

2.2.2 纳米SiO2对盐渍土强度影响

纳米SiO2对硫酸盐渍土抗剪强度的提升效果显著，当盐渍土中纳米SiO2含量依次为1%、2%、3%时，土体抗剪强度和抗压能力呈逐步增大趋势，在纳米SiO2含量达到最大掺入量3%时，含盐量为1%和3%的盐渍土在300 kPa垂直荷载下抗剪强度分别提升了63.4%和54.7%[图3(a)、(c)]。

图3(b)、(d)分别表示不同含盐量盐渍土的黏聚力和内摩擦角在纳米SiO2掺入量增加时的变化特征。

图3 不同含盐量盐渍土抗剪强度及剪切系数与纳米SiO2含量变化关系

1%含盐量盐渍土的黏聚力呈下降趋势，内摩擦角则呈上升趋势，在纳米SiO2掺入量为3%时黏聚力下降了64.1%，内摩擦角上升了80.2%[图3(b)]。当含盐量增大时，随着纳米SiO2的掺入，土体黏聚力同样呈下降趋势，最大降幅为15.6%，相对而言，内摩擦角上升幅度则较大，最大为58.1%[图3(d)]。

上述结果表明：在不同含盐量盐渍土中掺入纳米SiO2后土体黏聚力均有不同程度降低，但内摩擦角均有较大幅度提升，黏性土的抗剪强度由黏聚力和内摩擦角决定，由于黏聚力减小的幅度小于内摩擦角增大的幅度，故总体表现为抗剪强度的显著增大。

2.3 干密度变化规律

不同含盐量盐渍土的击实曲线(图4)表明，相比于不含盐土，含盐土的击实曲线较为尖凸，土体最优含水量有所减小,盐渍土击实曲线整体随着含盐量的增加呈上升趋势。当含盐量为0.5%、1%、2%、3%、4%时，盐渍土最大干密度依次提升了0.9%、2.5%、2.7%、4.8%、4.4%。

图4 不同含盐量硫酸盐渍土击实曲线

在盐渍土试样中加入纳米SiO2后，盐渍土的击实特性会受到较大影响(图5)。不同含盐量盐渍土击实曲线变化趋势相近，其最优含水率均随着纳米SiO2掺入量的增大而增大，最大干密度则有显著下降；当含盐量一定时，随着纳米SiO2掺入量的增加，特定含水量下盐渍土干密度呈递减趋势，曲线峰值则逐渐向右移动。1%和3%含盐量盐渍土在纳米SiO2掺加量为1%、2%、3%时，最大干密度分别依次下降了4.2%、6.0%、13.5%和3.9 %、6.7%、17.7%。

图5 不同含盐量与不同纳米SiO2掺入量下盐渍土击实曲线

2.4 渗透系数

含盐量和纳米SiO2含量的增加，均会造成盐渍土渗透系数变差。如图6(a)所示，黏土渗透系数随含盐量增大而逐渐下降，1%～4%含盐量盐渍土渗透系数分别下降了6.4%、16.7%、25.6%、41.0%。根据图6(b)可知：3%含盐量盐渍土渗透系数随纳米SiO2含量增加而下降明显，随着纳米SiO2含量从1%增加到4%，渗透系数分别下降了14.0%、19.3%、54.4%、68.4%，即纳米SiO2对降低盐渍土渗透系数效果显著。

图6 含纳米SiO2和硫酸钠盐盐渍土渗透系数与含盐量的关系曲线

2.5 盐胀抑制

在32.4 ℃以下，随着温度降低，硫酸钠溶液溶解度迅速下降，并伴随着十水硫酸钠晶体的析出[图7(a)]。所以，硫酸盐渍土盐胀率随着含盐量增加而增大[图7(b)]，3%含盐量的盐渍土盐胀率达到最大0.579%。但当掺入2%含量的纳米SiO2后，盐渍土盐胀得到明显抑制，可见，纳米SiO2抑制盐胀效果显著。

图7 硫酸钠溶解度相图及纳米SiO2抑制盐胀图

3 讨论

3.1 盐渍土物理特性与含盐量关系

可溶盐硫酸钠的存在,使得黏土颗粒附近溶液中充满钠离子，钠离子具有吸水性即水化，水化钠离子被带负电的黏粒吸引而在其表面形成较厚的反离子层，黏粒的扩散层厚度增大，使得土体吸附弱结合水增多，液塑限增大。

较厚的反离子层一方面导致黏粒间的距离增大，土体黏聚力减小；另一方面导致土颗粒间内摩擦角减小，故盐渍土抗剪强度减小。但含盐量较大时，黏粒附近溶液中的一个硫酸钠分子会结合10个水分子，析出Na2SO4·10H2O晶体并带走大量水分，黏粒表面反离子层厚度变薄，并且析出的盐晶会填充土中空隙，充当部分骨架，表现为黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度的增大。

伴随着含盐量增大时土粒间内摩擦角减小，则有利于土颗粒受力时的相对错动，在相同击实功条件下，盐渍土更加密实，干密度增大；但含盐量过大时会析出盐晶体，消耗大量土中孔隙水，土颗粒表面水膜变薄，不利于相对错动，干密度减小。盐渍土干密度的增大及盐晶体的析出则导致土中空隙的体积减小，空隙连通性减弱，盐渍土渗透性降低。

3.2 纳米SiO2改变盐渍土物理特性

图8(a)、(b)表明，相比于非纳米土，纳米土样中有大量以纳米SiO2为核形成的黏土聚团。这些大小不一的黏土聚团分散于土体孔隙中，减小了土中孔隙的孔径，土中孔隙的连通性变差，从而降低了盐渍土的渗透系数。

图8 纳米土与非纳米土对比

纳米SiO2密度较小，堆积密度仅为0.057 g/cm3。随着其掺入量的增大，土颗粒单位体积含量逐渐减少，以纳米SiO2为核形成的黏土聚团增多，土样呈现蓬松状，且土体较干燥，难以被击实，故最大干密度随着掺入量的增加而减小。

4 结论

根据对硫酸盐渍土进行的物理特性、盐胀测试及改良试验，得出以下结论：

(1) 随着硫酸钠盐渍土含盐量的增加，其液塑限总体呈现增大的特征，但增幅较小；最大干密度逐渐增大，但在含盐量大于3%后，会有盐晶体析出导致最大干密度减小。

(2) 黏聚力、内摩擦角和抗剪强度随含盐量增大均呈现先减小后增大的变化特征；但盐渍土渗透系数却随着盐分增多而减小。

(3) 纳米SiO2会显著提高硫酸盐渍土的液塑限、抗剪强度，但同时也会造成盐渍土干密度迅速降低。

(4) 添加纳米SiO2，减小了土中渗透系数，使得盐胀被有效抑制。