凍融循環對鹽漬土單軸強度影響的微觀機理研究★

李 威 齊 軍 王亞靜 劉樹閣 王丁丁 趙 凱

(河北建筑工程學院土木工程學院,河北 張家口 075000)

0 引言

鹽漬土是一種易溶鹽含量大于0.3%，并具有融陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土[1]，天然狀態下，鹽漬土是良好的地基土，由于四季氣溫周期性變化過程中土中的鹽分發生反復結晶與溶解，其力學性質發生劇烈變化，引發建筑裂縫、公路翻漿、橋梁腐蝕等嚴重工程災害。隨著西部大建設的不斷開展，鹽漬土對工程建設的影響已經成為難以避開的課題。

為了解決上述問題，已有諸多學者對凍融循環作用后鹽漬土的工程性質展開研究。包衛星等[2]得出三種典型鹽漬土在凍融循環過程的水分，鹽分遷移規律以及鹽脹后各層土體的力學強度變化規律；呂擎峰、孟惠芳等[3]研究了溫度對改性水玻璃固化鹽漬土的強度和凍融循環耐久性的作用機理；包衛星等[4]選取典型天然鹽漬土，在開放系統中進行反復凍融循環條件下的試驗研究，從鹽漬土的類別角度研究了天然鹽漬土的鹽脹規律；陳煒韜等[5]從結晶體位置變化，微觀結構，鹽類性質及凍結水含量三個方面測試了凍融循環對不同含鹽量和不同含鹽類別鹽漬土黏聚力的影響規律。

本文在前人研究的基礎上，采用天然風干素土為研究對象，添加不同濃度的NaCl溶液對土樣進行飽和固結以模擬不同含鹽量鹽漬土，在凍融循環作用后，借助德國蔡司體式顯微鏡記錄凍融前后試樣的微觀特征，并通過單軸抗壓試驗獲取凍結鹽漬土基本宏觀力學特性，定性認知凍融循環對鹽漬土微觀結構劣化機理及宏觀單軸抗壓強度變化本質，以此探究鹽漬土微觀結構性與宏觀力學特性的關系。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗采用的土樣均為張家口橋東區本地重塑黃土，將風干土樣碾碎篩分后，摻合NaCl，每次摻合量為0%,0.9%,3.25%,6.5%和10%。以擊實試驗測定最優含水量，依其最優含水量拌制試驗試樣，將配好的NaCl溶液加入稱好的土體中，混合均勻后分多層擊實使之充分固結，然后裝入直徑為50 mm，高100 mm的圓柱體標準模具中制備試樣。試樣制成后，放入恒溫箱內養護24 h后進行試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 凍融循環試驗

凍融循環設備為全自動低溫凍融試驗機，試驗凍融循環溫度參照西部溫度氣象局數據西部地區典型溫差，最終確定凍結溫度為-20 ℃，融化溫度為20 ℃，氣凍4 h，水融4 h，對同一工況試件經過編號、表觀觀察、尺寸測量、稱重記錄后，放進凍融循環試驗機開始試驗。

1.2.2 微觀特征采集

試樣的微觀特征記錄采用德國蔡司體式顯微鏡，見圖1，觀測記錄凍融試驗前后試件表面鹽析、裂縫發育情況，觀察過程用如圖2所示的坐標網格定位凍融試驗前后試件表面點位，保證凍融前后顯微鏡觀測的視野為同一個區域。試驗結束對比篩選出視野內鹽析量及裂縫發育良好的圖像。

1.2.3 單軸抗壓試驗

本試驗所采用MQS-2型路面材料強度試驗儀，該試驗機的最大加載能力為100 kN，精度為1%，加載速率快速50 mm/min和慢速1 mm/min。本試驗采用控制加載速率方式加載，當試樣壓力峰值隨加載速率無變化時停止試驗。試驗所得的試驗荷載及試驗數據均由數顯壓力計自動控制、采集。

2 試驗結果

本次試驗主要在不同含鹽量的試件經過不同梯度的凍融循環次數后，以控制一定加載速率方式的單軸無側限強度試驗，試驗結果見圖3～圖6。

2.1 含鹽量與凍融循環次數對抗壓強度的影響

由圖3，圖4中抗壓強度隨含鹽量與凍融循環次數變化曲線趨勢可以看出，在試驗條件相同時，試件經凍融循環次數越高，其抗壓強度越小。在拌合不同摻量NaCl后，所有試件的抗壓強度均隨含鹽量的增加而減少。隨凍融循環次數增加，含鹽量0.9%～6.5%試件的抗壓強度下降趨勢明顯，超過6.5%試件的抗壓強度下降減緩，趨于平穩甚至部分略有增加。

試件中NaCl鹽分為易溶鹽，其溶解度會因溫度變化而改變，當鹽分相態發生變化時，土的體積和顆粒分散性隨之變化。各試件含水量不變，可溶解在水里的鹽是一定量的，隨試件含鹽量增加，降溫時結晶析出，促使土顆粒間發生錯位、滑移，使土體膨脹；升溫時，其溶解度增大，溶于水中，土體積變小，致使土體疏松。如此反復，使得土密實度越低，土體強度降低越快。

2.2 鹽漬土經凍融循環作用后部分試件表面微觀結構特征和抗壓強度的關系

經過對顯微鏡采集各點位圖像進行對比篩選，為不失一般性結果列于圖5，圖6。由圖5可得含鹽量0.9%低鹽漬土在凍融循環10次以內表面鹽析量肉眼無法識別，在顯微鏡下可見少量晶體析出，有零星裂縫產生，但裂縫發育情況隨凍融循環次數隨機性較大；經10次凍融循環后，試件表面有斑點狀晶體析出。由圖6肉眼可見含鹽量6.5%高鹽漬土在各狀態下都有一層白色粉狀的薄鹽霜，顯微鏡視野內有大量晶體析出，裂縫因表面鹽膜的覆蓋不易觀察，但鹽析量隨凍融循環次數具有良好的累加性。試件的破壞形態隨凍融循環次數的增加，破壞時表面的主貫穿裂縫數量增加，裂縫寬度變大，甚至出現片狀、塊狀剝落現象。

在0次～5次凍融循環內，隨著凍融循環次數的增加，鹽對土體抗壓強度的弱化作用顯著；經5次凍融循環后，此時土中鹽分累加析出，土體水分的作用占主導地位，而析出晶體在土中成為土骨架的一部分，局部起到一定支撐作用，鹽分對土體抗壓強度的影響會因此削弱。

3 結語

凍融循環次數越高，各狀態土抗壓強度越小，當凍融循環次數為0次～5次，含鹽量為0%～6.5%的土隨含鹽量增加其抗壓強度衰減明顯；在經歷5次～15次凍融循環作用后，試件的單軸抗壓強度下降不明顯趨于平穩，甚至部分略有增加，凍融循環次數一定時，含鹽量對抗壓強度影響較大。

由裂縫發育和鹽析程度表明，凍融循環作用加劇了鹽漬土的鹽析過程，鹽析量在凍融循環次數具有一定累加性，但因鹽析量的增加，表面裂縫被填充表現為隨機性較大。

綜上所述:試件在經過多次凍融循環作用后，其抗壓強度整體損失明顯，凍融循環次數和含鹽量的不同都會對此產生較大影響，且影響作用并不是單一的，而是相互聯系的。試件單軸抗壓強度損失規律與表觀微觀特征變化機理映射良好，反映凍融循環對鹽漬土結構的損傷弱化作用。