天然強(qiáng)氯鹽漬土鹽—凍脹性試驗(yàn)研究

那姝姝

0 引言

鹽漬土地基的鹽—凍脹一般分為兩類:結(jié)晶鹽—凍脹和非結(jié)晶鹽—凍脹。結(jié)晶鹽—凍脹是指鹽漬土因溫度的減小或鹽漬土土體含水率的減小，使溶解在鹽漬土孔隙中的鹽溶液濃縮，并析出、結(jié)晶造成鹽漬土土體體積膨脹，硫酸鹽漬土具有這種代表性;非結(jié)晶鹽—凍脹是因?yàn)橛H水性比較強(qiáng)的吸附性陽(yáng)離子在鹽漬土中大量存在，大量陽(yáng)離子遇水后和膠體顆粒之間互相作用，使黏土顆粒與膠體顆粒的周圍產(chǎn)生較穩(wěn)定的強(qiáng)結(jié)合水薄膜，導(dǎo)致顆粒間的粘聚力減小，顆粒間相互分離，造成土體體積膨脹，碳酸鹽漬土具有這類代表性［1］。

鹽漬土的鹽—凍脹作用是鹽漬土中硫酸鈉的含量、黏土礦物含量、含水率、溫度、土密實(shí)度等因素綜合作用的結(jié)果［2］。自然條件下硫酸鈉的存在形式受溫度、含水率的影響較大，在土體溫度或含水率變化時(shí)，同一鹽漬土地層中硫酸鈉的存在形式會(huì)相互轉(zhuǎn)化。隨著季節(jié)的交替，鹽漬土溫度或濕度的變化使鹽漬土表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，引起建筑地基的膨脹與沉降建筑的開(kāi)裂，道路開(kāi)裂等危害。為了預(yù)防鹽漬土對(duì)建筑物及道路產(chǎn)生的鹽—凍脹破壞，研究鹽漬土的鹽—凍脹規(guī)律，有著非常重要的意義。

1 鹽—凍脹性試驗(yàn)

試驗(yàn)選取天然強(qiáng)氯鹽漬土為研究對(duì)象，考慮了不同含水率和不同干密度對(duì)鹽漬土鹽—凍脹力的影響，試驗(yàn)在不同含水率和不同干密度條件下進(jìn)行。

1．1 試樣制備

試驗(yàn)研究對(duì)象選取天然強(qiáng)氯鹽漬土，取土深度約1．0 m～1．5m。鹽漬土含鹽量約6．0%，土的類型以粉土為主，屬于細(xì)粒土，且粒徑較均勻，由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)獲得鹽漬土的最大干密度約1．90 g/cm3，最優(yōu)含水率約 13．0%。

試驗(yàn)采用室內(nèi)試驗(yàn)，采用風(fēng)干土樣加無(wú)離子水，在室溫充分拌勻后裝入塑料袋密封(24 h)［3］。待試樣水分充分均勻后，采用擊實(shí)試驗(yàn)將土分三層直接擊實(shí)到環(huán)刀中(擊實(shí)過(guò)程中做到土樣密度的均勻性)，擊到試驗(yàn)所需的干密度。

1．2 試驗(yàn)方法

向試驗(yàn)儀器中依次放置透水石、塑料紙、護(hù)環(huán)、環(huán)刀、量力環(huán)、帶孔有機(jī)玻璃板、百分表，使玻璃板與百分表良好接觸(為避免試驗(yàn)裝置在冰箱降溫過(guò)程中結(jié)霜對(duì)試驗(yàn)造成大的誤差，在量力環(huán)、帶孔玻璃板的側(cè)壁及百分表的推桿上薄薄的涂一層凡士林)。開(kāi)始凍融循環(huán)試驗(yàn)［4，5］。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 不同初始含水率的土樣，其累加鹽—凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律

在不同含水率下隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的累加鹽—凍脹率的變化規(guī)律見(jiàn)圖1～圖3。從圖中可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，所有土樣的累加鹽—凍脹率都不斷增大;凍融循環(huán)過(guò)程中，含水率為13%(即最優(yōu)含水率)的土樣累加鹽—凍脹率最大。土樣中的鹽溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是產(chǎn)生鹽—凍脹率的主要組成部分［5］。土樣孔隙中的硫酸鈉溶液隨溫度的降低硫酸鈉吸水結(jié)晶，硫酸鈉需吸收10個(gè)H2O由Na2SO4轉(zhuǎn)變?yōu)镹a2SO4·10H2O。Na2SO4變成Na2SO4·10H2O結(jié)晶體所需要的水分約為Na2SO4重量的1．27倍。含水率為10%的土樣孔隙中的鹽溶液濃度最大，含水率13%的土樣次之，含水率16%的土樣硫酸鈉溶液濃度最小。由孔隙比公式我們知道，土樣干密度相同時(shí)，孔隙比也相等，即孔隙體積相同。含水率為10%的土樣水分含量最少，且硫酸鈉溶液主要存在于孔隙中，生成的Na2SO4·10H2O大部分充填在孔隙中，土樣體積膨脹量小，土樣的鹽—凍脹量小。由于含水率為16%的土樣Na2SO4溶液濃度小，在前5次凍融循環(huán)過(guò)程中析出的Na2SO4·10H2O晶體最少，土樣的鹽—凍脹率最小。含水率為13%的土樣硫酸鈉溶液主要處于土粒接觸間，溫度降低過(guò)程中產(chǎn)生的硫酸鈉結(jié)晶主要處于土粒接觸間，土樣鹽—凍脹率大，所以隨凍融次數(shù)的遞增，含水率為13%的土樣累加鹽—凍脹率最高。

圖1 干密度為1.46 g/cm3的土樣變化曲線

圖2 干密度為1.56 g/cm3的土樣變化曲線

從圖1～圖3中還可以得出，含水率為10%的土樣在前3次凍融循環(huán)時(shí)鹽—凍脹量增長(zhǎng)率較高，4次凍融循環(huán)后，鹽—凍脹增量減小，鹽—凍脹率增長(zhǎng)速度減緩。這是因?yàn)榍?次凍融循環(huán)過(guò)程中大部分水分子被硫酸鈉吸收結(jié)晶，土樣中僅剩余少部分水分，且隨土樣融化次數(shù)的增加土樣含水率不斷減小，所以在3次凍融循環(huán)之后產(chǎn)生的Na2SO4·10H2O逐漸減少，即鹽—凍脹率增量降低。

圖3 干密度為1.66 g/cm3的土樣變化曲線

2．2 不同初始干密度的土樣，其累加鹽—凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律

不同干密度土樣的累加鹽—凍脹率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律見(jiàn)圖4～圖6，由圖可以得到，不同含水率、不同干密度的土樣經(jīng)多次凍融循環(huán)作用，土樣隨凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，累加鹽—凍脹量逐漸增大;相同含水率不同干密度的土樣，累加鹽—凍脹率相差很小。

圖4 含水率為10%的土樣變化曲線

圖5 含水率為13%的土樣變化曲線

圖6 含水率為16%的土樣變化曲線

土樣在凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生變形的過(guò)程可以分三個(gè)階段，第一階段——鹽脹，由于溫度的降低引起土樣冷縮，土中的硫酸鹽結(jié)晶體積膨脹，土樣冷縮與體積膨脹的共同作用造成土樣產(chǎn)生鹽脹;第二階段——鹽—凍脹，由于溫度降低水結(jié)冰，同時(shí)，土中的硫酸鹽結(jié)晶體積膨脹造成土樣產(chǎn)生鹽—凍脹;第三階段——融沉，隨溫度升高土樣內(nèi)Na2SO4·10H2O晶體溶解、冰融化造成土樣體積減小，土樣產(chǎn)生下沉。綜上所述，土樣凍融循環(huán)時(shí)在一、二階段產(chǎn)生的體積膨脹，在第三階段時(shí)土樣體積均不能恢復(fù)為原土樣體積［5］。也就是說(shuō)，在每次凍融循環(huán)后土樣體積都較上次大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，土樣體積遞增即土樣累加鹽—凍脹量遞增，但最終土樣的累加鹽—凍脹率趨于穩(wěn)定。

土樣中的鹽溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是產(chǎn)生鹽—凍脹量的主要組成部分。含水率較最優(yōu)含水率小時(shí)，土樣中的鹽溶液主要處于孔隙間，凍融循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的硫酸鈉結(jié)晶主要處于孔隙間;含水率較最優(yōu)含水率大時(shí)土樣中的自由水和毛細(xì)水含量增多，處于孔隙間的Na2SO4含量多，凍融循環(huán)時(shí)在孔隙間的Na2SO4·10H2O結(jié)晶含量大;土樣含水量為最優(yōu)含水量時(shí)，土樣中的鹽溶液主要處于土粒接觸間，凍融循環(huán)時(shí)在土粒接觸間的Na2SO4·10H2O含量大。含水率相同的土樣，硫酸鈉結(jié)晶體所處位置相同，隨干密度的增加，累加鹽—凍脹率相差不大。含水率比干密度更能影響土樣的鹽—凍脹率，含水率為影響土樣鹽—凍脹率的主要因素。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)強(qiáng)氯鹽漬土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，可得到以下結(jié)論:

1)羅布泊強(qiáng)氯鹽漬土在每次的凍融過(guò)程中隨著溫度的不斷降低，土樣的鹽—凍脹率逐漸增大且漸趨于穩(wěn)定。

2)相同干密度情況下，土樣的含水率為最優(yōu)含水率時(shí)，其累加鹽—凍脹率達(dá)到峰值;當(dāng)土樣含水率較小時(shí)，土樣的累加鹽—凍脹率隨含水率的增大而增加;當(dāng)含水率超出土樣的最優(yōu)含水率后，隨含水率的增大其累加鹽—凍脹率減小。

3)含水率比干密度更能影響土樣的鹽—凍脹率，含水率為影響土樣鹽—凍脹率的主要因素。

［1］徐攸在．鹽漬土地基［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993:7-10．

［2］高江平．鹽漬土工程與力學(xué)性質(zhì)研究進(jìn)展［J］．力學(xué)與實(shí)踐，2011，33(4):1-7．

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［5］王俊臣．新疆水磨河細(xì)土平原區(qū)硫酸(亞硫酸)鹽漬土填土鹽脹和凍脹研究［D］．吉林:吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，2005:48-100．