硅微粉改良鹽漬土凍融循環試驗研究

栗勇 唐瑞兆

摘? 要：文章以雙洮公路沿線碳酸鹽漬土為研究對象，采用恒溫箱和壓力機測量碳酸鹽漬土的凍融循壞耐久性。對鹽漬土摻入2%、4%、6%的硅微粉進行改良，將試樣分別進行0、3、5、7、10次凍融循環，通過無側限抗壓試驗測量其凍融循壞耐久性。經試驗研究，試樣在經過5次凍融循環之后強度衰減程度基本平穩，普通鹽漬土試樣強度衰減71.22%，摻加硅微粉試樣強度衰減約10%，硅微粉對鹽漬土耐久性提升幅度較高。

關鍵詞：碳酸鹽漬土;硅微粉;改良試驗;凍融循環耐久性

中圖分類號：TU448 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）04-0098-03

Abstract： In this paper， the carbonated soil along the Shuangtao highway is taken as the research object， and the freeze-thaw cycle durability of the carbonated soil is measured by constant temperature box and press. The saline soil was improved by adding 2%， 4% and 6% silica powder. The samples were frozen and thawed for 0， 3， 5， 7 and 10 times respectively. The durability of freeze-thaw cycle was measured by unconfined compression test. After five freeze-thaw cycles， the strength of the sample decreased steadily， 71.22% of the ordinary saline soil sample， 10% of the sample mixed with silica powder， and the durability of the saline soil improved by silica powder.

Keywords： carbonate soil; silica powder; improvement test; freeze-thaw cycle durability

1 概述

鹽漬土是指土中易溶鹽含量在0.3%～20%之間，而且隨外界環境變化容易產生溶陷和鹽脹等工程性質的土[1]。本文依托的雙洮高速公路項目位于吉林省通榆縣境內，該地區冬季寒冷溫度較低，最低溫度接近零下30℃，在低溫情況下，鹽漬土內的鹽分會與水結合形成晶體，造成土體結構膨脹，同時土中自由水也會結冰;當溫度升高時，土中水分融化，會溶解一部分鹽晶體，這樣往復的凍融循環過程中，鹽漬土中的鹽分在固態和液態之間來回轉化，使土顆粒間孔隙率增大，土體整體結構變的松散[2]，土的工程性質在長期的凍融循環過程中就會變的越來越弱。尤其考慮實際的工程環境，作為高速公路路基土，長期承受自重及路面車輛的靜-動荷載，很容易在若干次凍融循環之后發生破壞，一旦路基土體結構發生破壞，會產生翻漿、開裂等一系列危害[3]，因此對改良鹽漬土路基的凍融循環耐久性研究至關重要。

2 試驗土樣選取

結合工程勘探資料及線路現場地形地貌，本試驗取樣地點位于雙洮公路K130+720～K131+300標段內。取樣點較為干旱，地形地貌為荒草地和鹽堿地。取樣點植被分布多為雜草，未見莊稼，鹽漬土呈條狀或塊斑狀分布，地表干旱且返鹽現象明顯，呈現有淺黃色或灰白色的易溶鹽結晶。挖土時可見地下鹽漬土體主要呈現黃褐色，局部穿插白色斑狀，可見少量砂柱，有蟲孔發育及少量殘余根系，主要分布于地表下1.2m范圍內。該范圍內土體觸感較散，多年凍融循環導致的土體裂隙使土體整體結構強度較低，裂隙漸漸發育導致貫通，形成蒜瓣土。本文選用60cm深度的鹽漬土作為研究對象。其天然含水率為12.36%，天然密度為1.625g/cm3，液限為23%，塑限為16%，塑性指數為7，為含砂低液限粉土，最佳含水量為12.80%，對應的最大干密度為1.96g/cm3，PH值為10.51，呈弱堿性。土樣的粒徑組成及易溶鹽含量見表1和表2。

3 試驗方案

采用硅微粉對鹽漬土進行改良試驗研究，其摻量分別為2%、4%、6%，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中T 0858-2009 無機結合料穩定材料凍融試驗方法[4]。試樣制作及養護參考無側限抗壓試驗，養護完成后，將試件置于低溫恒溫箱中，調溫度至-20℃，冰凍12h，待試樣完全冰凍后取出，于20℃室溫情況下融化12h，此為一次凍融循環。在此過程中將試樣包裹聚乙烯薄膜，保證試樣含水率不變。凍融循環次數設定為0、3、5、7、10次，試樣達到凍融循環次數后，取出試件測量質量損失，如試件損失率超過5%，即停止其凍融循環試驗。取出質量損失小于規范要求的試件，將其置于萬能試驗機上，以1mm/min的速率進行無側限抗壓試驗。

4 試驗結果分析

經歷不同凍融循環次數的試件經無側限抗壓試驗后結果如表3所示：

圖1為素土試樣與摻硅微粉試樣在經歷不同次凍融循環之后的無側限抗壓強度。從圖中可以明顯看出素土試樣在經歷凍融循環之后的無側限抗壓強度有大幅下降，素土試樣在經歷3次凍融循環之后強度損失55.09%，5次凍融循環之后強度損失71.22%，5次凍融循環以后試樣無側限抗壓強度變化趨勢基本保持平緩。摻加硅微粉試樣整體強度下降范圍較小，試樣S1、S2、S3在經歷3次凍融循環之后強度損失分別為10.21%、11.45%、10.14%，5次凍融循環之后強度損失分別為11.87%、12.53%、11.56%，強度損失較素土試樣降低幅度較大，即硅微粉可以有效提升鹽漬土的凍融循環耐久性。

圖2為素土和硅微粉改良土試樣的破壞形態圖，在試驗過程中，可以明顯看出隨凍融循環次數的增加，土樣破壞的速度變得更快，即在應力增長的過程中，應變的增長要比未經歷凍融循環的土樣更大，也即是在應力應變彈性增長階段的斜率變小，說明隨著凍融循環次數的增加，不光降低了土樣的無側限抗壓強度，也降低了土樣的彈性模量。在凍融循環的過程中，土中水分和鹽分狀態的反復轉變，改變了土體的結構性和滲透性。不僅僅是增大了孔隙率，而且使土體的孔隙率達到一個非常平衡的狀態，即孔隙在土體內部非常均勻的分布，從而導致整個土體結構變的非常“松散化”，雖然表面上還是一塊完整的試樣，但是隨著外界荷載的增大，土體結構破壞非常迅速，破壞形態也呈現出非常多的碎片。

如圖3所示為硅微粉改良鹽漬土試樣的破壞形態圖。試驗過程中，硅微粉土樣的應力增長速度也要快于未經凍融循環的硅微粉改良土試樣，但是試件破壞形態較為完整，總體強于素土試樣與水泥土試樣，未見大量脫落的碎片。在實驗過程中可以看到試樣的頂部出現大量裂縫，相近的土顆粒之間相互粘聚，形成一塊一塊的“團聚體”，但是各個“團聚體”之間結合并不緊密，呈現出大大小小的裂縫。常規情況下，這種結構應該呈現出一種破碎的狀態，但是結果恰恰相反。分析原因，在凍融循環的作用下，土體內部水力傳導率加快，土中水在土中流動一方面使土體孔隙率變大，使土體變松散，另一方面帶動細小的硅微粉粉末在土體中充分流動和粘結、填充，一部分的硅微粉粘結土顆粒形成團聚體，另一部分的硅微粉在團聚體之間粘結填充，使整體結構保持穩定。因此硅微粉改良土試樣在應力達到峰值之后還能相互粘結在一起，這也是其在經過凍融循環后強度不會大幅度下降的主要原因。

5 結論

（1）該地區鹽漬土凍融循環耐久性較差，5次凍融循環之后強度損失71.22%。

（2）硅微粉能有效提升鹽漬土耐久性，摻加硅微粉的試樣在5次凍融循環之后強度損失約為10%。

（3）硅微粉在土體內部通過粘結和填充使土體整體結構保持穩定，是其耐久性提升的主要原因。

參考文獻：

[1]徐攸在，等.鹽漬土地基[M].中國建筑工業出版社，1993.

[2]劉天寶.凍融循環作用下碳酸鹽、硫酸鹽及其含量變化對農安碳酸鹽漬土抗剪強度影響研究[D].吉林大學，2017.

[3]黃立度，席元偉，李俊超.硫酸鹽漬土道路鹽脹病害的基本特征及其防治[J].中國公路學報，1997，10（2）：39-47.

[4]行業標準.JTGE51-2009.公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2009.