含鹽量對固化硫酸鹽漬土抗壓強度的影響

呂擎峰，賈夢雪，王生新，周剛，王慶棟

含鹽量對固化硫酸鹽漬土抗壓強度的影響

呂擎峰1，賈夢雪1，王生新2，周剛1，王慶棟1

(1. 蘭州大學 西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000； 2. 甘肅省科學院 地質自然災害防治研究所，甘肅 蘭州，730000)

對石灰粉煤灰固化不同含鹽量硫酸鹽漬土28 d試件進行無側限抗壓強度試驗，探討含鹽量對石灰粉煤灰固化土抗壓強度的影響。并采用界限含水率試驗、X線衍射儀(XRD)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)和物理吸附試驗等方法研究石灰粉煤灰固化不同含鹽量硫酸鹽漬土的稠度特征、物相特征、化學成分和微觀結構，分析含鹽量對石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土抗壓強度影響的機理。研究結果表明：含鹽量在0.3%~5.0%范圍內，不同石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的強度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強度對應的含鹽量為1.8%；同一含鹽量時，當含鹽量低于2.8%時，固化土強度隨石灰粉煤灰含量的增加先增大后減小，當含鹽量高于2.8%時，固化土強度隨石灰粉煤灰含量的增加而增大。

硫酸鹽漬土；固化機理；含鹽量；抗壓強度

鹽漬土是易溶鹽含量(質量分數)大于或等于0.3%的不同程度鹽堿化土的總稱，并具有溶陷性、鹽脹性和腐蝕性[1]。我國西北地區(qū)廣泛分布著大量的內陸鹽漬土，常見的類型有氯鹽漬土、硫酸鹽漬土和碳酸鹽漬土，其中硫酸鹽漬土分布最廣，硫酸鹽漬土通常指土中Cl?和SO42?物質的量比小于0.3的鹽漬土[2?3]。硫酸鹽在溫度、含水率等環(huán)境條件改變時造成土體膨脹變形，使公路等產生翻漿、鹽脹、腐蝕、凍脹等病害[4?5]。在硫酸鹽含量超過設計標準的場地修建公路，當采用換填土、強夯等措施難以適用時，可以通過改性的方法加以解決。在傳統無機固化劑中，多以石灰、粉煤灰等按比例組成膠凝材料固化鹽漬土。由于分布地點、周圍環(huán)境的不同而使得鹽漬土含鹽量有很大的不同。鹽漬土中硫酸鹽對固化反應的影響以及含鹽量對固化效果的影響，是硫酸鹽漬土采用石灰和粉煤灰固化處理所要涉及的研究內容。柴壽喜等[6?7]進行了氯鹽含鹽量對石灰固化濱海鹽漬土力學強度、物理及水理性質影響的試驗研究，發(fā)現隨著含鹽量的增加，石灰固化濱海鹽漬土的無側限抗壓強度和抗剪強度均降低，鹽分不斷結晶導致粗大顆粒越來越多，總比表面積越來越小，吸附水膜較薄，總體上導致液限、塑限和塑性指數越來越低，土懸液的電導率隨固化土含鹽量的增加在同步增加，氯鹽沒有參與石灰的固化反應。內陸硫酸鹽漬土的物理力學性質顯然有別于易吸濕軟化的濱海鹽漬土。因此，研究硫酸鹽含鹽量對石灰粉煤灰固化土強度的影響，對鹽漬土地區(qū)工程的設計施工及安全運行評估有著十分重要的意義。為了研究內陸硫酸鹽漬土地區(qū)因硫酸鹽含量變化而引起石灰粉煤灰固化土物理力學性質的變化規(guī)律，本文作者進行了不同配比的石灰粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的抗壓強度測試，并對破壞后的試件進行界限含水率試驗、X線衍射(XRD)試驗、傅里葉變換紅外光(FTIR)試驗和物理吸附試驗，將宏觀強度特性和微觀結構特點相結合，探索含鹽量對石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土抗壓強度影響的機理。

1 試件制備和試驗方法

試驗用鹽漬土取自甘肅酒泉飲馬農場附近，現場取土樣的含鹽量測試結果顯示，取樣區(qū)內多為含鹽量1%~3%的硫酸、亞硫酸鹽漬土。為利于分析鹽分對石灰粉煤灰固化土強度的影響，按照取樣區(qū)內硫酸鹽漬土含鹽量的變化范圍，特采用洗鹽素土(物理性質指標見表1)摻加純度99%的無水硫酸鈉人工制備含鹽量分別為0.3%，0.8%，1.3%，1.8%，2.3%，2.8%和5.0%的鹽漬土。試驗所用石灰為有效鈣鎂質量分數90%的生石灰粉，試驗所用粉煤灰取自蘭州市西固熱電廠，主要化學成分為SiO2，Al2O3和Fe2O3等，在制樣前均過2 mm標準篩。參考以往試驗結果[8]，石灰的摻入比為5%，7%，9%，11%，粉煤灰的摻入比是石灰的2倍，用于研究不同含鹽量條件下石灰粉煤灰的固土效果，并得出石灰粉煤灰的最優(yōu)摻入比，在石灰粉煤灰為最優(yōu)摻入比條件下研究含鹽量對固化土性質的影響。

無側限抗壓強度試件直徑×高為5 cm×5 cm，根據擊實試驗得到的最優(yōu)含水率和最大干密度按設計配比計算出每個試件所需素土、石灰、粉煤灰、水和無水硫酸鈉的用量。配樣時，將石灰、粉煤灰用內摻法與素土先拌和均勻，然后將無水硫酸鈉溶于蒸餾水，用噴壺噴灑的方法使混合料拌勻后放置密封袋內悶料24 h后，按設計指標稱取相應的質量并迅速制樣。此方法旨在使固化鹽漬土試件中的水分布均勻并與固化劑充分接觸反應。制樣時采用雙向靜力壓實法將混合土料分層壓入試模內，穩(wěn)定壓力維持3 min，以消減土樣的回彈，再用脫模器械將土樣脫出，迅速編號并用保鮮膜包好放入保濕器中以保持其含水率不變，在室內室溫條件下養(yǎng)護28 d。養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件分別用于無側限抗壓強度試驗、界限含水試驗、X線衍射試驗、傅里葉變換紅外光試驗和物理吸附試驗。

2 無側限抗壓強度試驗

固化土試件的無側限抗壓強度是其力學性能指標的集中反映，它不僅與試件材料的性質有關，而且與試件的其他物理力學性質密切相關。取28 d固化土圓柱體試件進行無側限抗壓強度試驗，試驗操作過程嚴格參照GB/T 50123—1999“土工試驗方法標準”。本試驗采用CSS?WAW300型電液伺服萬能試驗機，應變速率設定為1%/min，試驗數據由計算機自動采集，應力應變曲線的峰值強度或者15%應變對應的強度為試件的無側限抗壓強度。

表1 鹽漬土洗鹽后的部分物理性質指標

圖1所示為不同石灰摻入比條件下固化鹽漬土的無側限抗壓強度與含鹽量的關系曲線。由圖1可知：含鹽量在0.3%~5.0%范圍內，不同石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的強度與含鹽量的關系曲線變化規(guī)律基本一致，無側限抗壓強度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強度對應的含鹽量為1.8%。當土體含鹽量小于1.8%時，隨著SO42?含量的增加，石灰粉煤灰固化土的強度升高，但當含鹽量超過1.8%時，隨著SO42?含量的增加，石灰粉煤灰固化土的強度又會降低。以上試驗結果說明土中含有一定量的SO42?有利于提高石灰粉煤灰固化土的抗壓強度。

圖1 固化土的無側限抗壓強度與含鹽量的關系曲線

圖2所示為不同含鹽量條件下固化鹽漬土的無側限抗壓強度與石灰摻入比的關系曲線。從圖2可以看出：當含鹽量小于2.8%時，固化土的無側限抗壓強度隨石灰摻入比的增加先增大后減小，峰值點位于石灰摻入比9%處，石灰粉煤灰最優(yōu)摻入比分別為9%和18%；當含鹽量大于等于2.8%時，固化土的無側限抗壓強度隨石灰摻入比的增加而非線性增大。試驗結果表明在低含鹽量情況下，添加的石灰和粉煤灰并不是越多越好。過量的石灰堆積在孔隙中，不能與粉煤灰充分結合，使得粉煤灰的活性不能被充分激發(fā)出來，兩者之間的火山灰反應不完全，導致固化硫酸鹽漬土試件抗壓強度降低[9]。

圖2 固化土的無側限抗壓強度與石灰摻入比的關系曲線

3 界限含水率試驗

界限含水率的測定是一種評估各種固化劑固化土性能改善的快速簡單的試驗方法。界限含水率和改良土的其他物理化學性質相關[10?11]。按照GB/T 50123—1999“土工試驗方法標準”，取28 d固化土加水攪拌后裝入調土杯，放進保濕缸中靜置24 h，采用圓錐質量76 g，錐角為30°的JDS?2型數顯式液塑限聯合測定儀進行測試。圓錐下沉深度為17 mm所對應的含水率為液限，圓錐下沉深度為2 mm所對應的含水率為塑限。

圖3所示為9%石灰和18%粉煤灰固化鹽漬土界限含水率與含鹽量的關系曲線。從圖3可以看出：與含鹽量為0.3%的二灰固化土比較，其他含鹽量的二灰固化土的液塑限都增大；含鹽量為0.3%~1.8%時，液限和塑限逐漸增大，且塑限增加的幅度較液限的大；含鹽量為1.8%~2.8%時，液限保持穩(wěn)定，塑限逐漸下降。因此，固化土的塑性指數隨含鹽量的增加呈現先減小后增大的趨勢，含鹽量為1.8%時取得最小值(圖4)。

液塑限取決于土的礦物成分、粒度組成、表面交換能力以及吸附水膜的厚度。一般情況下，土體液限和塑限是由土中黏土礦物含量決定的。對于石灰粉煤灰固化不同含鹽量的硫酸鹽漬土，黏土礦物的含量不會發(fā)生較大的改變，因此液塑限的增大不是黏土礦物含量增加的結果。由于石灰粉煤灰固化土反應可生成比表面積大、分散度高、吸附水能力較強的C—S—H等具有凝膠性能的產物，只有在較大的含水率條件下才能達到流動或可塑狀態(tài)[12]，所以含鹽量為0.3%~1.8%時固化土液塑限隨含鹽量的增加而增大，說明固化土體系中C—S—H凝膠類物質增加。一方面，Na2SO4可與Ca(OH)2反應生成NaOH，增加固化土的堿性，粉煤灰呈弱酸性，因而在堿性環(huán)境中其活性易被激發(fā)生成更多的C—S—H；另一方面，SO42?能置換出C—S—H凝膠中的部分SiO42?，被置換出的SiO42?在外層又與Ca2+作用生成C—S—H[13]。已有研究[14]表明：低塑性指數材料通常擁有更好的性能，含鹽量為0.3%~1.8%時，固化土塑性指數不斷降低，說明含鹽量在一定的范圍內，石灰粉煤灰固化硫酸鹽漬土的固化效果隨著含鹽量的增加越來越好，這與無側限抗壓強度試驗得出的結論基本一致。

圖3 固化土的液塑限與含鹽量的關系曲線

圖4 固化土的塑性指數與含鹽量的關系曲線

4 X線衍射分析

采用荷蘭生產的PANalytical X’Pert Pro 型X線衍射分析儀對含鹽量分別為0.3%，1.8%和2.8%的石灰粉煤灰固化土樣進行X線衍射分析，以探討不同含鹽量固化土生成產物的化學成分、物相特征。圖5所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的衍射譜圖。從圖5可以看出：土樣主要礦物成分為石英、方解石、鈣礬石和白云石等，不同含鹽量固化土的衍射譜圖基本匹配，部分礦物衍射強度發(fā)生變化。當含鹽量從0.3%~1.8%，鈣礬石的衍射強度增至最大。由于硫酸鈉和石灰共同存在，SO42?在Ca2+的作用下可與在粉煤灰顆粒表面的凝膠及溶解于液相中的AlO2?反應生成具有較高強度的鈣礬石Aft[15]，鈣礬石在粉煤灰顆粒表面形成纖維狀或網狀的包裹層，其緊密度小，有利于離子的擴散滲透，使石灰堿激發(fā)粉煤灰活性的反應得以繼續(xù)進行[16]，因此在含鹽量為1.8%時，固化土的無側限抗壓強度最大。當含鹽量為1.8%~2.8%時，鈣礬石的衍射強度降低，說明隨著含鹽量的繼續(xù)增加，鈣礬石的含量減少，從而導致固化土強度降低。

圖5 不同含鹽量固化土的XRD譜圖

5 傅里葉變換紅外光譜分析

與XRD相比，FTIR可以測出不同類型的化學分子，并且對于同時出現的不同化學物質的鑒別效果非常好[17]。FTIR可有效用于極性基團的鑒定，適宜確定結合水、Si—O和Al—O等有關特征峰的位置。本試驗采用Nicolet NEXUS?670型傅里葉變換紅外光測定儀進行化學成分分析。將不同含鹽量的二灰固化土搗碎、研磨過孔徑為0.075 mm篩，以KBr壓片法測試土樣的FTIR圖。

圖6所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的FTIR譜圖。在3 436 cm?1處吸收峰是由水分子O—H鍵的伸縮振動引起的，在1 445 cm?1附近鋁氧四面體和硅氧八面體的Si—O或Al—O鍵產生的對稱伸縮峰、在1 026 cm?1處的Si—O伸縮振動峰、876 cm?1處的Si—O—Si或Si—O—Al對稱峰、528 cm?1處的Si—O彎曲振動峰和469 cm?1處的Si—O—Si鍵的對稱振動峰等吸收峰均在含鹽量為1.8%時峰強最強，這表明在含鹽量為1.8%時固化土結構相對最完整，因此具有較高的強度。

圖6 不同含鹽量固化土的FTIR譜圖

6 物理吸附試驗

土的比表面積是固態(tài)物質的表面積與其質量的比值，是土重要的物理化學性質。已有研究表明，比表面積不僅與土的礦物組成和含量密切相關，同時也與土的基本力學和物理性質存在明顯的聯系[18]。土的孔隙性質包括土的孔隙總量及孔隙分布，同樣對土的物理力學性質有著重要的影響。使用美國麥克(Micromeritics)儀器公司生產的ASAP 2020M和TriStar II 3020 V1.04全自動比表面與孔隙分析儀對不同含鹽量土樣的微觀結構進行了測試。

表2所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的BET比表面積和直徑1.7~300 nm的BJH孔隙體積、BJH平均孔徑。從表2可以看出：隨著含鹽量的增加，固化土的比表面積和納米級孔隙體積先增大后減小，納米級孔徑先減小后增大，均在含鹽量為1.8%處達到最值。比表面積和孔隙特征的變化取決于石灰與粉煤灰中活性氧化鋁、氧化硅發(fā)生水化反應生成的C—S—H，C—S—H凝膠類物質具有發(fā)達的比表面積，孔表面的吸附水吸引外界其他離子以趨于平衡，構成空間網架結構，從而改善了孔隙結構，提高了強度[19]。

表2 不同含鹽量固化土的微觀孔結構

圖7所示為9%石灰和18%粉煤灰固化不同含鹽量鹽漬土的孔徑小于100 nm的孔隙體積與孔徑的關系曲線。從圖7可以看出：含鹽量0.3%，1.8%和2.8%的固化土孔隙體積分布基本相同，峰值位于小于5 nm范圍內，但是相對于含鹽量為0.3%和2.8%的固化土，含鹽量為1.8%的固化土孔隙體積峰值更大，說明固化過程形成了更多的孔徑小于5 nm的孔隙。孔徑大于5 nm孔隙體積隨著孔徑增大而先增大后減小，但是對于1.8%含鹽量的固化土，孔徑大于50 nm的孔隙消失。說明當含鹽量從0.3%到1.8%，固化土形成了較多的小孔徑的介孔孔隙，改善了孔隙分布特征，因此無側限抗壓強度增大。

圖7 固化土的孔體積與孔徑的關系曲線

7 結論

1) 同一石灰粉煤灰含量下，無側限抗壓強度隨含鹽量的增加先增大后減小，峰值強度對應的含鹽量為1.8%。同一含鹽量下，當含鹽量小于2.8%時，固化土的無側限抗壓強度隨石灰摻入比的增加先增大后減小，峰值點位于石灰摻入比9%處，石灰粉煤灰最優(yōu)配比為9%和18%；當含鹽量大于等于2.8%時，固化土的無側限抗壓強度隨石灰摻入比的增加而非線性增大。

2) 含鹽量為0.3%~1.8%時，液限和塑限逐漸增大，且塑限增加的幅度較液限大；含鹽量為1.8%~2.8%時，液限保持穩(wěn)定，塑限逐漸下降。固化土的塑性指數隨含鹽量的增加呈現先減小后增大的趨勢，含鹽量為1.8%時取得最小值。

3) 不同含鹽量固化土的衍射譜圖基本匹配，鈣礬石的衍射強度發(fā)生變化，是強度發(fā)生變化的原因之一。含鹽量為1.8%時固化土結構相對最完整。

4) 隨著含鹽量的增加，固化土的比表面積和納米級孔隙體積先增大后減小，納米級孔徑先減小后增大，均在含鹽量為1.8%處達到最值。不同含鹽量的固化土孔隙體積分布基本相同，峰值位于小于5 nm范圍內。孔徑大于5 nm孔隙體積隨著孔徑增大而先增大后減小，但是對于1.8%含鹽量的固化土，孔徑大于50 nm的孔隙消失。

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(編輯 趙俊)

Effect of salt content on compressive strength of solidified sulphate saline soil

Lü Qingfeng1, JIA Mengxue1, WANG Shengxin2, ZHOU Gang1, WANG Qingdong1

(1. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment Mechanics of Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2. Geological Hazards Research and Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

To discuss the effect of salt content on compressive strength, the unconfined compressive strength test for sulphate saline soil solidified by lime and flyash was performed after curing 28 d. Also, limit moisture content, X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) and physical adsorption tests were carried out to reaearch the consistency characteristics, phase characteristics, chemical composition and microstructure of the sulphate saline soil with different salt contents solidified by lime and flyash and analyze the mechanism of the effect of salt contents on compressive strength. The results indicate that the strength of solidified sulphate saline soil with different content of lime and flyash increases firstly and then decreases with the increase of salt contents within the scope of 0.3%?5.0% , and peak strength corresponds to the salt content of 1.8%. Under the condition of the same salt content, the strength of solidified soil increases firstly and then decreases with the increase of the content of lime and flyash when the salt content is lower than 2.8%, but the strength of solidified soil increases with the increase of the content of lime and flyash when the salt content is higher than 2.8%.

sulphate saline soil; solidification mechanism; salt content; compressive strength

TU448

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.027

1672?7207(2018)03?0718?07

2017?03?05；

2017?06?07

國家自然科學基金資助項目(51469001) (Project(51469001) supported by the National Natural Science Foundation of China)

王生新，博士，研究員，從事黃土地基處理與地質災害研究；E-mail: wangshx@lzu.edu.cn