冻融作用下固化盐渍土的强度劣化及微观机理研究

张卫兵， 雷过， 周瑞璞， 李晓

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 银川 750021； 2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心， 银川 750021)

土中易溶盐含量超过0.3%，并具有特殊工程特性的土称为盐渍土[1]，主要分布在西藏、青海、宁夏、甘肃以及内蒙古等地区[2]，因其易受外界环境温度的影响引发地基盐胀、融沉、溶陷等问题，给上述地区的工程设施造成了较大的损害。为此，大量学者从硫酸盐渍土盐胀特性及其工程固化处理方面进行了研究。李宏波等[3]定性分析固化超盐渍土的耐久性得出，随着粉煤灰的掺量逐渐增加，黏聚力的增长速度由快速趋于平缓而内摩擦角的增长速度由缓慢逐渐加快。吕擎峰等[4]研究表明，随着改性温度的升高，芒硝和白云石的衍射值越高。钱晓明等[5]对硫酸盐渍土的强度进行研究得出冻融循环与含水率对黏聚力影响较大而对内摩擦角影响较小。方秋阳等[6]对盐渍土冻融循环后的抗压强度进行分析得出对抗压强度影响最大的因素是含水率。Ali等[7]、Hotineanu等[8]、Liu等[9]从固化角度对硫酸盐渍土强度或力学性能进行了研究。吕擎峰等[10]通过核磁共振研究了盐渍土的微观结构。陈康亮等[11]研究表明，影响固化盐渍土无侧限抗压强度的主要因素是粉煤灰、生石灰掺量和初始含盐量，且得出初始含盐量为2%时的最优固化方案为17%初始含水率，生石灰和粉煤灰掺量分别为6%、18%。吕擎峰等[12]、Derluyn[13]也对盐渍土的微观结构进行研究。马君泽[14]对长期冻融-干湿循环下硫酸盐渍土内摩擦角与黏聚力进行研究。Lü等[15]研究发现，硫酸钠的加入量越大对氮-硫-氢凝胶的形成有激发作用。张芳等[16]通过X射线衍射(diffraction of X-rays，XRD)对滨岸盐碱土中的碳酸盐进行微观检测分析发现，盐碱土中含有绿泥石会导致对碳酸盐的鉴定出现误差，衍射峰的形状变得复杂。张志丹等[17]研究了水田与旱田的土壤黏粒矿物组成，XRD分析表明，水田与旱田的黏粒组成虽然相似，但衍射峰的峰值与峰状却不相同。冯君等[18]通过衍射分析对盐渍土地区的土壤粘粒组成进行分析并研究了主要物质及比例。

上述关于硫酸盐渍土固化处理的研究主要集中在固化剂种类、盐胀抑制效果及微观机理方面的研究，而针对固化硫酸盐渍土在经历长期冻融循环后的力学性能劣化的研究较少，这直接关系到科学有效地解决硫酸盐渍土工程及节约资源的问题。为此，依托宁夏地区的环境气候条件，选取当地典型硫酸盐渍土，借助三轴试验、XRD衍射试验及电镜扫描试验对其经粉煤灰、氯化钙固化后经历不同冻融循环次数下的强度指标劣化进行研究。旨在为该地区及其他相关地区工程建设中硫酸盐渍土的地基处理提供借鉴与参考。

1 试验方法

1.1 试验材料与方法

试验用土取自宁夏回族自治 区吴忠市红寺堡的扶贫扬黄灌区，该地区属于温带大陆性气候，全年降雨量不足300 mm，昼夜温差较大，地表受长期的环境气候影响出现大量的盐渍化现象(图1)。所取原状土的颗粒组成如图2所示，土壤中易溶盐离子含量如表1所示。

图1 取土地点实景Fig.1 Real view of the land acquisition site

图2 粒径分析Fig.2 Particle size analysis

表1 原状土易溶盐离子含量Table 1 Table of soluble salt ion content of in situ soil

1.2 试验方案

将现场勘查取回的原状土浸泡在蒸馏水中进行洗盐，直至取出的上清液加入BaCl2后无白色沉积物为止，然后风干、过2 mm网筛备用。对洗盐后土样进行击实试验得出最大干密度为1.6 g/cm3，最优含水率为16%。控制压实度为90%，含水率为最优含水率，制成高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体三轴试样。

为探究冻融循环、固化剂掺量及含盐量对强度的影响，本次实验含盐量分别设置为0、2%、5%、8%，粉煤灰掺量设置为0、10%、15%、20%，氯化钙掺量设置为0、2%、4%、6%，冻融次数设置为0、10、20、50次，采用四因素四水平正交试验，如表2所述。

表2 正交试验工况设置Table 2 Orthogonal test condition setting

根据试验要求，三轴试验需制作4组，微观研究制作一组，每组分别对应16个不同工况，共80个试样。采用GDJS-225高低温交变试验箱进行冻融循环试验，参考宁夏地区多年气候条件，冻结温度设定为-20 ℃，融解温度取25 ℃，均经历24 h。对冻融后的试样进行100、200、300、400 kPa的围压下的不固结不排水三轴试验，以偏应力或轴向应变的15%时的主应力差值为强度取值标准，确定黏聚力与内摩擦角。对试验后试样进行烘干处理，并做XRD衍射试验和电镜扫描试验。

2 结果与分析

2.1 三轴试验

不同围压下的不固结不排水三轴试验得到的偏差应力如图3所示。依据莫尔-库伦破坏准则得出各工况下的土的强度指标黏聚力c与内摩擦角φ如图4所示。

图3 强度包络线Fig.3 Intensity envelope

图4 冻融循环对强度指标的影响Fig.4 Effect of freeze-thaw cycles on strength index

如图3所示，随着围压的增大，抗剪强度差值逐渐增大。可以看出，黏聚力最大的为工况G1，最小为G13。而强度最高的为空白组G1，在其余情况下虽添加了固化剂但未能完全抵抗冻融循环和硫酸盐双重作用下的强度劣化。如图4所示，强度主要取决于黏聚力，而黏聚力由土颗粒之间的摩擦力与咬合力决定。在不添加固化剂时黏聚力最高，添加固化剂后反而降低了黏聚力，这是由于冻融循环削弱了固化剂对土体的胶结程度。因此冻融循环是影响强度的首要因素，而冻融循环对内摩擦角的影响较小。

2.2 XRD分析

为研究固化盐渍土强度劣化对微观结构的影响，选取相同冻融循环次数下抗剪强度最大与最小的8组进行微观分析，分别为工况G1、G2；G8、G6；G12、G10；G15、G13。通过Jade6.5对数据进行分析，衍射分析结果如图5所示。可以看出，固化后土样的主要物质包括SiO2、Na2SO4、CaMg[CO3]2、CaCO3、NaCl、Al2O3、CaSi等。

CPS为XRD衍射强度单位图5 衍射图谱Fig.5 Diffraction mapping

如图5所示，主峰均为SiO2，且低矮峰中SiO2仍占比较多。这是由于试验所用材料为砂质土壤，且粉煤灰中也含有大量石英。固化剂反应物为钙、硅、铝组成的离子化合物(CAS)，钙、硅组成的离子化合物(CS)。从衍射峰可以看出当固化剂反应物的低矮峰越多时强度表现越好，证明固化剂与盐的反应生成的凝胶物质对土颗粒覆盖程度越好。

图5(a)为空白对照组，图5(b)对应工况G2。虽有氯化钙与粉煤灰的双重固化作用使得衍射图谱中除主峰外有钠钙离子形成的化合物，但由于含盐量过高，而未经历冻融循环且反应时长过短。导致固化剂与盐反应程度不佳，从而影响黏聚力与内摩擦角，故而其强度表现较差。

图5(c) 为含盐量为2%，复掺固化剂工况，经历10次冻融循环后，在不含盐时，固化剂完全作用于加固土体，从黏聚力和内摩擦角也可知，此时强度最高。但此时的CAS峰值较低，说明15%的粉煤灰可以将6%氯化钙完全反应。此时CAS与剩余的粉煤灰共同固化土体，颗粒整体性好，因此强度值高。图5(d)为含盐量为2%，仅添加氯化钙工况。同样在经历10次冻融循环后，由于仅添加氯化钙且掺量较少未能与盐分完全反应，证明当含盐量为2%时单掺氯化钙掺量需大于2%。因此固化剂与盐分反应不充分，且主峰数值显著降低。氯化钙与盐分反应生成的钙、硅离子化合物衍射峰较少，凝聚效果不强，因而表现出的强度不高。由此可以看出，复掺固化剂固化效果要优于单掺。

图5(e)、图5(f)工况均为复掺，从图5(e)的衍射峰可以看出仅有CAS，证明此时粉煤灰、氯化钙反应较好。此时的强度值仅低于G8，综合其余情况下判断当含盐量为2%时，粉煤灰10%，氯化钙4%较合理。而图5(f)可以看到，此时的主峰峰值远高于其余工况，此时粉煤灰掺量为20%，氯化钙产量为2%，粉煤灰可将氯化钙完全反应并剩余大量的粉煤灰。粉煤灰中主要成分也为SiO2，因此主峰峰值较高。在大量粉煤灰多余的情况下，虽然此时并未含盐，但粉煤灰减小了土颗粒间的摩擦力。在经历20次冻融循环后，此工况下的黏聚力仅为16.82 kPa，远低于工况G12。

图5(g) 为复掺，此时的粉煤灰与氯化钙完全反应生成的CS凝胶物质，此时的强度仅略小于G1，证明此时的固化剂掺量可较大程度抵抗不含盐时冻融循环对土体的劣化行为。而在图5(h)中检测到芒硝的存在，这时由于在进行衍射分析前本该溶于水的盐随着水分流失向表层移动。且没有添加氯化钙，此时大量的粉煤灰存在，未能生成过多的凝胶物质。强化土体主要依靠粉煤灰细颗粒间的吸附作用，在干燥时基质吸力消散，因而强度降低。

2.3 电镜扫描微观分析

为直观观察固化后试样颗粒状态以及固化物质，对上述进行XRD衍射试验[20]的试样同时进行电镜扫描，从微观角度进行观察并剖析。

如图6所示，天然盐渍土颗粒呈单独颗粒，且颗粒大小不一，颗粒表面附着物较少，且未观察到胶结物质存在。土颗粒间缝隙较大，硫酸盐处于缝隙中或少部分附着在较大的颗粒表面。与G1、G2、G6、G8、G10、G12、G13、G15相对应的电镜扫描结果如图7所示。

图6 天然盐渍土SEM图Fig.6 SEM image of natural saline soil

从图7(a)可看到仅存在土颗粒，且土颗粒之间几乎不存在胶结物质，但存在少量孔隙，仅靠土颗粒之间的摩擦力胶结成整体，在不含盐、不经历冻融循环时强度不会遭到破坏。在图7(b)中，出现部分条状物，这是粉煤灰的微观形态，颗粒之间相互胶结不足且此时含盐量未8%，固化剂产量不足导致强度表现较弱。也证明2%的氯化钙加10%粉煤灰不足以固化8%的硫酸钠。虽未进行冻融循环，但大量的硫酸钠对土体的强度劣化影响较大。

图7(c)可以看出，土颗粒大小分布不均匀，颗粒表面附着物较少，土颗粒间距较大。该组含盐量虽较低，但仅添加2%的氯化钙显然不足以抵抗冻融循环下硫酸盐对土体的劣化行为。此时颗粒表面存在少量的附着物，且土颗粒间距较大。可以看出，固化物并未完全填充孔隙，对土体强度造成一定的影响。图7(d)中，固化剂反应良好，生成的胶结物质能有效填充土壤孔隙，可以看出土体形成一整体，故而黏聚力相对于图7(c)得到大幅度提升。

由图7(e)、图7(f)可知，在粉煤灰、氯化钙的共同作用下对削弱冻融循环对土体强度劣化有明显作用。图7(e)显示，部分颗粒形成块状体，但块状体间未相互连接，这是由于粉煤灰掺量过多导致的，大量的粉煤灰降低了土颗粒间的咬合力，使得黏聚力下降。因而土中的块状土体未能相互胶结。反观图7(f)，粉煤灰与氯化钙掺量适中，反应较好，使得土体间的孔隙被凝胶物质所填充，虽存在大颗粒但仍依附于土体上。大颗粒间互相被凝胶物质连接，内摩擦角未发生较大变化，但黏聚力大幅度提升，因此强度得到有效增强。

图7 电镜扫描图Fig.7 Electron microscope scan

由图7(g)可以看出，土体间的孔隙被填充，大量的颗粒附着在土体上。是由于粉煤灰掺量过多，粉煤灰颗粒小于土体孔隙，首先将孔隙填充，但过量的粉煤灰在干燥状态下严重降低了土颗粒的摩擦力。此时的黏聚力仅有8.46 kPa，在所有工况中最低，因此在固化硫酸盐渍土时不能添加过量的固化剂，否则对固化盐渍土只会适得其反。而对于图7(h)，土体形成整体，且表面的附着物较少，证明粉煤灰与氯化钙反应充分。反应生成的CAS在填充孔隙的同时将土体连接起来，极大程度的增强了土体强度，在冻融循环50次后黏聚力达到41.28 kPa，远高于G13的强度。

3 结论

通过三轴试验、XRD衍射试验以及电镜扫描试验，对经历不同冻融周期作用下单掺、复掺粉煤灰、氯化钙固化硫酸盐渍土的强度指标劣化规律及其微观特征分析，得出以下结论。

(1)冻融循环作用对固化硫酸盐土体强度劣化影响较大，主要表现在黏聚力随冻融循环次数增加而减小，但对内摩擦角影响不显著。

(2)从抑制盐胀及提高固化盐渍土体耐久性角度来看，单掺氯化钙优于单掺粉煤灰，且复掺固化剂优于单掺固化剂工况。衍射分析表明，固化效果越好的土样中，凝胶物质对土颗粒的胶结状况越好，表现出固化剂反应物的低矮峰越多；同时电镜扫描分析也表明该土样颗粒结构越紧密，强度指标更优。

(3)实验研究表明，固化剂掺量与含盐量相匹配可使固化效果更佳，过量的粉煤灰会降低土体的黏聚力。在处理硫酸盐渍土地基时，含盐量为2%时，宜掺入10%粉煤灰+4%氯化钙；含盐量为5%时，宜掺入10%粉煤灰+6%氯化钙；含盐量为8%时，宜掺入15%的粉煤灰+6%的氯化钙，处理后土体的强度指标劣化程度较低。