冻融循环对钙剂改良土体分散性效果的影响

苑晓青,吴泽炬,王 清,陈慧娥,林 森,牛岑岑,徐 鑫

1.吉林大学建设工程学院,长春 130026

2.吉林省水利水电勘测设计研究院,长春 130021

0 引言

分散性土是一种钠离子含量高的特殊黏性土。在水的作用下,黏土颗粒的双电层厚度增加,导致排斥力大于吸引力,土颗粒会分散成原级颗粒[1]。由于这种土体的抗冲蚀能力差较弱,会对水利工程,如堤坝、渠道边坡、道路边坡等造成严重的冲蚀和管涌破坏。近年来,吉林西部地区实施了多项引水工程项目,在这些工程的建设过程中,出现了一些渠道边坡因冲蚀而发生塌陷的现象[2]。经研究发现,该地区的土体具有明显的分散性特征。因此,在工程中需重视分散性土对水利工程的威胁,采取相应改良和防护措施来确保工程的安全可靠。

为了防止分散性土在工程中产生危害,学者们对分散性土进行了深入研究,采用各种方法来对分散性土进行改良。传统改良剂如石灰[3-5]、水泥[6]、粉煤灰[7-8]和明矾[9-11]已被证明在适当掺量下可以有效降低土体的分散性,同时提高力学性能。新型改良剂如仿岩溶碳酸氢钙[12]、木质素磺酸钙[13-14]和纳米黏土[15]也被用于改良分散性土,它们通过不同机制改善土体性质,在降低土体分散性的同时提高了土体的稳定性和抗水侵蚀能力。但是,在季节性冻土地区,土体会不断受到冻融循环作用而导致工程性质发生劣化。王理想[16]研究了季冻区分散性土冻融循环变形规律,发现在季冻区环境中,分散性土在经历多次冻融循环后,即使其初始孔隙比和含水率与非分散性土相同,其冻胀量也明显超过了非分散性土。王颖[17]研究发现,冻融循环对土体的分散性会产生一定的影响。在冻融循环过程中,盐分迁移和冻胀作用会使土体的分散性呈上升趋势,但不同的密实度会导致冻融循环对分散性的影响程度不同。杨小川[18]在进行降雨冲刷试验时,对经历了7次冻融循环的分散性土模型进行观察发现,土体表面出现了冲沟,这表明冻融循环后土颗粒之间的黏结力减弱,导致土体更加分散。刘乐青等[19]研究了冻融循环对黄土无侧限抗压强度的影响,发现在冻融循环过程中,土体内部的大颗粒逐渐变小,同时小孔隙的含量逐渐增加,颗粒排列方式发生变化,使土体结构变得疏松,从而降低了强度。王中攀等[20]研究了冻融循环对重塑碳酸盐渍土不排水强度的影响,发现随着冻融循环次数的增加,碳酸盐渍土的不排水强度和抗剪强度逐渐降低,而冻融循环前3次的土样强度下降在整个劣化过程中占比较大。

钙离子剂改良分散性土的原理是通过钙离子置换土颗粒表面的钠离子,减小土颗粒双电层厚度,增强土颗粒之间连结,从而降低土体的分散性。关于钙剂改良土体分散性已有刘杰等[21]、赵高文等[22]证实有较好的效果,但大部分研究未考虑冻融循环作用对改良后土体分散性及强度的影响。由于吉林西部地区处于季节性冻土地区,土体将长年遭受冻融循环,冻融循环作用会使土体发生劣化。在实际工程应用中,改良后的土体在经过数次的冻融循环后分散性的变化情况仍不清晰。因此,在进行土体改良剂选择时,需要综合考虑冻融循环作用对土体性质的影响。本文选择吉林省松原市的分散性土样为研究对象,采用氧化钙和氯化钙两种钙剂对其进行改良,根据对两种钙离子剂不同掺量的土样进行分散性鉴定,选择最优掺量的改良土样,并进行了不同次数的冻融循环试验,以探究冻融循环对改良土的分散性和力学性能的影响。

1 试验材料

1.1 试验土样基本性质

试验土样取自吉林省松原市,位于松嫩平原内,属于典型的分散性土分布区和季节性冻土区,取样地点位于123°47′05″E, 45°02′29″N,取样深度为地表以下0.4 m。研究区地貌如图1a所示。由于研究区内年降水量较少,蒸发作用较强,导致盐分在地表逐渐积累,因此,研究区的土体表面呈现灰白色(图1b),且土体盐碱化程度较高。

图1 研究区地貌图(a)及出现的冲蚀破坏(b)

试验土样的粒度成分见表1,颗粒组成中黏粒(粒径<0.005 mm)质量分数为32.50%,粉粒(0.005～0.075 mm)质量分数为61.20%,砂粒(0.075～2.000 mm)质量分数为6.30%,按照《岩土工程勘察规范(GB 50021—2001)》[23]定名为黏土。土样矿物成分组成见表2。矿物成分中伊蒙混层的体积分数为14.62%,在黏土矿物中体积分数最高,这代表着蒙脱石矿物在土中占有一定的比例。土样基本物理性质化学性质见表3、表4,土样的钠离子质量摩尔浓度为2.234 9×10-5mol/g,易溶盐质量分数达到了0.43%,pH值为8.03。同时具备高pH和高含量钠离子是黏性土具有分散性的本质原因[24],据此可初步判定土样具有分散性特征,但仍需进行分散性鉴定试验进一步判别试验土样的分散性。

表1 研究区试验土样的粒度成分

表2 研究区试验土样的矿物体积分数

表3 研究区试验土样的物理性质

表4 研究区试验土样的化学性质

1.2 试验土样分散性鉴定

土样分散性鉴定试验包括针孔试验、碎块试验、双比重计试验和交换性钠离子百分比试验。其中:针孔试验使用直径为38.1 mm、高度为62 mm的圆柱样品,通过观察在50 mm水头下小孔受水流冲蚀情况及水流量和浑浊情况判断分散性;碎块试验采用边长为1 cm的正方体土块,通过观察土块在蒸馏水浸泡下的崩解情况判断分散性;双比重计试验是取30 g试验土样进行常规和非常规2次比重计试验来测定黏粒的质量分数,并通过2次试验黏粒质量分数的比值确定土样的分散度,以此判断分散性;交换性钠离子百分比试验通过测定可交换性钠离子和孔隙水溶液可交换性阳离子的质量摩尔浓度,确定土样的交换性钠离子百分比(RESP)来判断分散性。以上4种分散性鉴定试验的方法和判别标准参照美国材料与试验协会(ASTM)[24-27]及《分散性土研究》[28]中提出的方法和判别标准。由于试验土样中含有较高的易溶盐和钠离子,为了更准确地评估土样的分散性,主要通过针孔试验和碎块试验的结果对土样进行判别,双比重计试验和交换性钠离子百分比试验的结果则作为参考[29]。

本文进行了以下分散性鉴定试验:由针孔试验结果,观察到针孔试验集水容器侧视图和俯视图中的水体都呈现较浑浊状态(图2a),流量为1.76 mL/s,终了孔径为2 mm,判定土样为高分散性土;由碎块试验结果可见,土块放入蒸馏水中后立即出现了云雾状物质,经过1 h后土样已完全崩解,6 h后状况几乎不再发生变化,最终云雾状物质布满杯底(图2b),判定土样为分散性土;双比重计试验结果分散度为96.62(>50),判定土样为高分散性土;交换性钠离子百分比试验结果RESP为18.78(>15),判定土样为高分散性土。

a. 针孔试验结果;b. 碎块试验结果。

不同分散性鉴定试验的结果可能会存在一定差异,因此采用分散性综合判别方法[30-31]对土样的分散性进行判别。该方法确定各分散性鉴定试验结果的可信度从大到小为针孔试验、碎块试验、双比重计试验、交换性钠离子百分比试验,分别赋予4种分散性鉴定试验40%、25%、20%和15%的权重;并把土样的分散性等级分为高分散性、分散性、过渡性、非分散性4个等级,同时对4种分散性等级分别赋分10.0、7.5、5.0、2.5。根据各试验所占权重及各等级赋分计算分散性等级值R,并将其划分为4个级别:07.5,因此判定土样为高分散性土(表5)。

表5 试验土样分散性综合判定

2 试验方法

2.1 钙剂改良土体分散性室内试验

采用氯化钙和氧化钙2种钙剂对吉林西部地区分散性土进行改良。具体试验步骤如图3所示:首先称取一定质量过2 mm筛的风干土样,按照掺量为0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%分别加入氯化钙和氧化钙并搅拌均匀,喷撒蒸馏水至最优含水率18.87%,浸润后拌合均匀,装入密封袋放置24 h,使水分充分扩散;接着将准备好的土样通过静压法以95%的压实度制成直径39.1 mm、高80 mm的圆柱样品;最后将制好的试样用保鲜膜密封包裹防止水分蒸发,并放置在保湿器中养护24 h。

图3 改良试验具体操作步骤

土样完成养护后,分别进行4种分散性鉴定试验,通过分散性综合判别方法确定2种钙剂的最优掺量。之后采用最优掺量的改良土进行冻融循环条件下室内模拟试验。

2.2 冻融循环条件室内模拟试验

冻融循环条件室内模拟试验在自制超冷环境下岩土冻融试验综合模拟平台(图4)上进行,该平台能够模拟-35 ℃的低温环境,并具有0.1 ℃的温度控制精度。根据改良土的分散性鉴定试验和无侧限抗压强度试验结果得出最优掺量,选择最优掺量的改良土进行冻融循环试验。冻融循环试验中,设定冻结温度为-20 ℃,融化温度为室温(约25 ℃)。先将试样密封在保鲜膜中,放置于该仪器中连续冷冻12 h,然后将试样从仪器中取出,放置于工作台上解冻12 h,即完成1次冻融循环。本次试验设定了不同次数的冻融循环次数,分别为0、1、3、5、7、9、10、15和20次。完成冻融循环试验后,对土样进行分散性鉴定试验、无侧限抗压强度试验以及微观结构试验。

图4 自制超冷环境下岩土冻融试验综合模拟平台

2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验在YYW-2型应变控制式无侧限压力仪(图5)上进行。试样采用静压法制备,制成直径为39.1 mm、高度为80 mm的圆柱样品,达到95%的压实度。试验操作按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)[32]进行,通过该试验可获得土样的无侧限抗压强度。

图5 应变控制式无侧限压力仪

2.4 扫描电镜试验

扫描电镜试验选择经过冻融循环试验后具有代表性的试样。先将其置于液氮中进行冷冻,持续时间为12 h。然后将试样转移到真空冷冻干燥仪中进行冻结干燥,持续时间为8 h,以确保样品完全脱水并保持其初始形态和结构不变。完成干燥后将样品掰开以获得新鲜的断面并用导电胶将样品粘在样品台上,随后使用离子溅射仪进行喷金处理。最后将处理完成的试样使用扫描电镜(图6)进行试验,扫描倍数设置为800倍,从微观角度观察土样内部结构的变化。

3 试验结果与分析

3.1 不同改良剂对土体分散性改良效果的影响

针孔试验结果显示:0.2%氧化钙掺量(图7a)下的改良土孔径为1.2 mm,集水容器内水体呈轻微浑浊,鉴定土样为过渡性土;0.3%～1.6%氧化钙掺量(图7b—f)和0.2%～1.6%氯化钙掺量(图7g—l)下土样的孔径均为1.0 mm且集水容器内水体完全清澈,鉴定土样均为非分散性土。

碎块试验结果表明:氧化钙掺量为0.2%(图8a)的土块崩解且周围产生轻微的胶粒悬浮物,水体微浑浊,鉴定土样为过渡性土;而采用氧化钙掺量为0.3%～1.6%(图8b—f)和氯化钙掺量为0.2%～1.6%(图8g—l)改良的土块崩解后水体未出现浑浊,鉴定土样均为非分散性土。

a—f. 氧化钙改良土碎块试验结果;g—l.氯化钙改良土碎块试验结果。掺量依次为0.2%、0.3%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%。

从双比重计试验结果(图9)可以看出:随着掺量的增加,两种钙剂改良土的分散度均呈下降趋势:掺量0.2%氧化钙改良土样的分散度为32.2%,鉴定土样为过渡性土,而掺量0.3%～1.6%的氧化钙和掺量0.2%～1.6%氯化钙改良土样的分散度均小于30.0%,鉴定土样均为非分散性土。

图9 改良土样双比重计试验结果

图10为交换性钠离子百分比试验结果,从图10可以看出:氯化钙改良土的交换性钠百分比在相同掺量下均低于氧化钙改良土;氧化钙改良土在掺量为0.2%～1.2%的交换性钠离子百分比属于过渡性土的范围内,仅掺量为1.6%时属于非分散性土;氯化钙改良土在0.2%和0.3%掺量下的交换性钠离子百分比属于过渡性土,在0.4%～1.6%的掺量下交换性钠离子百分比都属于非分散性土的范围内。

图10 改良土样交换性钠离子百分比试验结果

结合4种分散性鉴定试验可以计算出不同掺量改良土的分散性等级值:掺量0.2%氧化钙改良土的分散性等级值为5.0×0.40+5.0×0.25+5.0×0.20+5.0×0.15=5.000,判定土样为过渡性土;掺量0.3%～1.2%氧化钙改良土和掺量0.2%～0.3%氯化钙改良土的分散性等级值都为2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+5.0×0.15=2.875,为过渡性土;掺量1.6%氧化钙改良土和掺量0.4%～1.6%氯化钙改良土的分散等级值为2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2+2.5×0.15=2.500,为非分散性土。从表6的分散性综合判定结果可以看出,氧化钙改良土在掺量为1.6%时才改良为非分散性土,而氯化钙改良土在掺量为0.4%时4种分散性鉴定结果就为非分散性土。上述试验结果说明氯化钙对分散性的改良效果优于氧化钙,氧化钙改良分散性土的最优掺量为1.6%,氯化钙改良分散性土的最优掺量为0.4%。

表6 改良土样分散性综合判定

3.2 冻融循环作用对改良土分散性的影响

由于氯化钙对土体分散性的改良效果优于氧化钙,因此选择氯化钙改良的最优掺量0.4%的土样进行冻融循环试验。对经历1、3、5、7、9、10、15、20次冻融循环的改良土进行针孔试验,结果见图11。由图11可见试样孔径为1.0 mm,小于1.5 mm,集水容器内水体完全清澈,可鉴定为非分散性土。

n为土样经历的冻融循环次数。

经历不同次数冻融循环的改良土的碎块试验结果见图12。从图12可以看出,所有土样在崩解后周围都没有出现浑浊,可鉴定为非分散性土。

图12 冻融循环后改良土的碎块试验结果

经历不同次数冻融循环的改良土的双比重计试验结果见图13。从图13可以看出,所有土样分散度均小于30%,可鉴定为非分散性土。

图13 冻融循环后改良土的双比重计试验结果

由于试验土样的含盐量较高,冻融循环作用会导致土样发生盐胀,使得测定的可交换性钠离子和孔隙水溶液可交换性阳离子的质量摩尔浓度不准确,且孔隙水溶液可交换性阳离子的质量摩尔浓度的测定受多种因素影响[33],这些原因都会导致交换性阳离子百分比试验结果与实际不符;因此对经历不同次数冻融循环的改良土仅采用碎块试验、针孔试验和双比重计试验这3种分散性鉴定试验来判断土样分散性。结合3种分散性鉴定试验结果可计算经历冻融循环的改良土分散性等级值均为2.5×0.4+2.5×0.25+2.5×0.2=1.525,判定为非分散性土。从双比重计试验结果(图13)可以看出,随着冻融循环次数的增加,土样的分散度呈上升趋势,说明冻融循环作用会增强土样的分散性。冻融循环作用对土体的分散性产生影响主要体现在两个方面:一是土在冻融循环过程中,在温度梯度、浓度梯度、水分对流共同作用下水分和盐分会发生迁移。水盐迁移的过程中可能会引起盐分逐渐积聚,进而产生盐胀效应,使土体结构松散化[34]。土样的取样深度为0.4 m,是长期处于上层渗透淋滤与下层毛细作用的水盐运移的目标深度,使其具有更多的黏粒和盐分析出结晶的条件[35],在冻融循环的作用下盐胀效应会更明显,会进一步增大土体的分散性。二是土在冻融循环过程中会使土体中的水发生相变,即从固态到液态或从液态到固态的转变。当土体中的水由液态转变为固态时,固态冰的体积比相同质量的液态水大。这种情况下,土颗粒受到挤压,导致土颗粒之间的间距增大,从而减弱了它们之间的连结力,进而对土体的分散性产生了影响[36]。此外,固态冰的形成还会增加土体的孔隙比和松散度,降低土体的致密程度,进而增加土体的分散性。

从表7分散性鉴定试验结果可以看出,改良土的冻融循环次数在20次以内时,土样仍为非分散性土,说明采用氯化钙改良的土样在经历有限次数的冻融循环仍具有良好的改良效果。氯化钙在冻融循环的劣化作用下仍能抑制土样产生分散的原因是:冻融循环主要破坏土体的物理力学性质,不改变土体的化学性质,而是通过物理过程对土体结构造成影响[37];氯化钙主要通过钙离子置换土体中的钠离子来降低土颗粒的双电层厚度,进而增加土颗粒之间的吸引力,促使土颗粒聚集形成较大的团聚体,从而使土颗粒难以分散成原始的颗粒级别。因冻融循环而产生的冻胀作用和盐胀作用对氯化钙改良土的分散性影响较小,因此氯化钙可以作为一种良好的土体改良剂用于季冻区土体分散性的治理。

表7 冻融循环作用下改良土样分散性综合判定

3.3 冻融循环作用对改良土力学性能的影响

冻融循环是一种强风化作用,它使土中的水分状态反复变化,引起冻胀和融沉,破坏土体结构,从而改变土体的力学性质[38]。根据图14中无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系曲线可以看出,随着冻融循环次数的增加,改良土的抗压强度持续下降。在经历了20次冻融循环后,改良土的抗压强度下降了约40%,表明冻融循环对改良土的抗压性能产生了显著影响。值得注意的是,在冻融循环次数从0次增加到5次的过程中,改良土的抗压强度下降速度较快;这可能是由于初始冻融循环引起的冻胀作用使得土体结构发生破坏,导致抗压强度的明显降低。然而,在冻融循环次数从5次增加到20次的过程中,改良土的抗压强度下降趋势逐渐变缓,并且在10次以上的冻融循环中,改良土的抗压强度基本保持在60 kPa左右。在一定次数的冻融循环后,改良土的抗压强度基本稳定在一个较低的水平。

图14 不同冻融循环次数下改良土的无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验结果表明,氯化钙改良土的无侧限抗压强度受到冻融循环次数的影响,由于黏土颗粒具有双电层结构,通常带有一定数量的负电荷,会在土颗粒四周形成电场,而水是一种极性分子,水中有各种带正电的盐离子,这些水分子和盐离子在电场中定向排列。在冻融循环过程中,土中的自由水首先发生冻结,随着温度降低,土颗粒周围的结合水会发生冻结,结合水的冻结使原来的电化学力失去平衡,为了维持电场的平衡,土颗粒的未冻的自由水分子会被不断地吸引,土样中的水分发生反复的相变和迁移,土颗粒和土孔隙受土中水分的状态变化而不断调整和变化[39];因此初期的冻融循环会导致土体结构不稳定,使得抗压强度迅速下降。然而,随着冻融循环次数的增加,土体结构逐渐趋于稳定,抗压强度下降的速率减缓。这可能是由于土样在经历多次冻融循环后,土颗粒的排列方式达到一种稳定的状态,土颗粒之间的连结更加牢固,减少了进一步的结构破坏和强度损失。冻融循环作用对改良土的力学性能的劣化较明显,因此氯化钙不宜单独用于改良季冻区土体的力学性能。

3.4 土体微观结构特征

土的孔隙特征是土体微观重要结构特征之一,也是影响土体工程地质性质的重要因素[40],孔隙的变化反映着土体结构的变化。冻融循环后土样放大800倍的图像如图15所示。从图15可以看出,随着冻融循环次数的增加,土体的裂隙宽度增大,数量增加。未改良的土孔隙和裂隙较大(图15a);未经历冻融循环的土样裂隙和孔隙数量较少,土颗粒之间的胶结较密实,没有明显贯通的裂隙,土体整体性较好(图15b);经历1次和5次冻融循环后的土样,裂隙和孔隙的数量都有增加,裂隙宽度与未经历冻融循环的土样相比稍有增加,颗粒之间的接触方式主要以面-面接触为主(图15c、d);经历10次及20次冻融循环后的土样,裂隙和孔隙的数量以及裂隙宽度都有明显的增加,小裂隙宽度增加并且相互连接形成大裂隙,导致大颗粒由于裂隙的增加逐渐转变为小颗粒,颗粒之间的接触方式由面-面接触向点-面接触和点-点接触发展(图15e、f)。

a. 素土;b. n =0;c. n =1;d. n =5;e. n =10;f. n =20。

土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的三相体系。固体颗粒构成了土的骨架,颗粒之间通过相互之间的接触和排列形成了土的结构框架。水和气体填充在固体颗粒之间的孔隙中,占据了土体积的一部分。冻融循环过程中由于土体的裂隙和孔隙不断增加,使土样的无侧限抗压强度不断下降,但下降的趋势逐渐变小。造成土样无侧限抗压强度下降的因素主要在两方面:一方面是水分相变时冰晶生长对颗粒产生挤压,引起颗粒之间产生位移并相互挤压,大颗粒破碎成小颗粒,同时改变孔隙的形态,使中、小孔隙合并成大孔隙,从而导致土中的大孔隙增加;另一方面是由于水分在土颗粒的毛细力和吸附力作用下发生迁移,水对土体产生的反作用力对孔隙形态和颗粒排列产生影响[39]。这些因素都导致土体的结构性发生改变,使土样的抗压强度下降。根据对冻融循环10次和20次的扫描电镜图像的比较,可以观察到裂隙和孔隙的差别并不显著;这表明在这个循环次数范围内,土颗粒和孔隙的状态已经达到了一种相对稳定的水平,意味着随着冻融循环次数的增加,土样的裂隙和孔隙的形成和分布变化逐渐减少。由于裂隙和孔隙已达到稳定状态,土样的无侧限抗压强度受到冻融循环作用的影响逐渐减小。因此,土样在经历一定次数的冻融循环后,其无侧限抗压强度的变化趋势逐渐减弱。

4 结论

1)氯化钙对分散性的改良效果要优于氧化钙,氧化钙改良分散性土的最优掺量为1.6%,氯化钙改良分散性土的最优掺量为0.4%。

2)氯化钙改良土改良土样在经历不同次数冻融循环后,土样的分散性几乎不发生改变,说明氯化钙可以用于改良季冻区土体的分散性。在经历20次冻融循环后,土样的抗压强度下降了约40%。由于冻融循环作用对改良土的力学性能的劣化较明显,因此氯化钙不宜单独用于改良季冻区土体的力学性能。

3)通过扫描电镜图像观察,可以发现随着冻融循环次数的增加,土体的裂隙和孔隙逐渐增多。改良土初期受到冻融循环的影响较大,但在超过10次循环后,土颗粒的裂隙和孔隙状态趋于稳定。这也导致颗粒组成、孔隙组成和分布等特征趋于稳定。