凍融條件下應用粉煤灰改良鹽漬土性能研究綜述

程 卓 楊 政 李雨桐

(1.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.長安大學，陜西 西安 710064)

鹽土和堿土及鹽化、堿化后的土壤總稱為鹽漬土。在公路工程中鹽漬土一般指，地表下1.0 m深的土層易溶鹽平均含量大于0.3%的土[1]，其具有融陷、鹽脹以及腐蝕等工程特性[2]。鹽漬土在我國分布廣泛，但主要分布于西北、華北和東部沿海地區，其中西部六省(陜、甘、寧、青、蒙、新)分布最為集中，其鹽漬土總面積約占全國鹽漬土面積的66%以上[2]，見表1。

表1 中國部分省鹽漬土面積

近年，我國的公路、鐵路的建設蓬勃發展，隨之公路和鐵路穿越鹽漬土區域所面臨的問題愈發突出。含鹽量較高地區，鹽分會使路面強度降低、封層作用減弱，從而破壞路面。鹽脹、翻漿、溶陷和腐蝕等是修建于鹽漬土地區的公路最常面臨的問題。路基遭受破壞后會出現不規則變形，瀝青面層起皮、脫落和網裂等病害，嚴重削弱道路的耐久性和穩定性[3]。目前大量學者基于鹽漬土開展了許多研究，在鹽漬土病害機理、鹽漬土路基的抗性、凍融循環作用對鹽漬土特性的影響以及應用鹽漬土對鹽漬土特性改良方面較多，但多從工程效應出發，對于鹽漬土病害產生機理以及改良后的綜合特性研究較少，且研究所用的鹽漬土具有一定的區域局限性[4]。本文嘗試通過總結目前凍融作用對鹽漬土特性影響以及粉煤灰對鹽漬土特性改良情況，以期對相關鹽漬土地區道路工程建設提供借鑒。

1 凍融循環作用對鹽漬土特性影響

在凍融循環作用下，土粒間水分發生凍結與融化，鹽分發生結晶與溶解，造成土體內部結構發生變化，導致土體強度下降，穩定性和耐久性降低。路基長期如此會導致其整體結構發生破壞，從而嚴重影響其工程性質。在微觀上主要表現為，土粒間空隙發生不均勻變化，土體的整體密實度降低。凍融循環作用所導致的土體凍脹和鹽脹會改變土體內部結構，在凍融過程中發生的水鹽遷移在影響鹽漬土工程性質的同時，也會在土體局部也加劇鹽脹和凍脹[5]，從而對土體工程造成性質更大的影響。

鹽脹大多發生在硫酸鹽含量較高的鹽漬土中，由于硫酸鈉晶體吸水發生體積膨脹，導致土粒間孔隙增大，表現為土體松散，體積膨脹[7]。凍脹是由于土粒間水分在凍融循環的作用下，不斷發生凍結融化，造成土粒粒間距離發生改變，其宏觀表現為土體膨脹、地表出現不均勻隆起[8]。大量學者基于硫酸鈉含量較高的鹽漬土，在反復凍融條件下，開展大量研究土體變形規律。鹽漬土發生凍融作用時的溫度、顆粒級配、所受荷載大小、含鹽量以及凍融循環次數均被證明影響鹽漬土的鹽脹和凍脹。

1.1 溫度

溫度的高低會影響鹽漬土鹽脹和凍脹的發生。牛璽榮等[6]研究發現凍融循環的溫度會影響鹽漬土的鹽—凍脹，依據鹽漬土體的變形情況劃分其變形溫度區間，在第一階段10 ℃～20 ℃，鹽漬土體積變化主要為鹽脹；第二階段-3 ℃～10 ℃，土體變形包括鹽脹及凍脹；當土體位于溫度低于-3 ℃的階段，凍脹為其主要體積變化。并得出以下關系式，表達單位土體鹽脹量。

(1)

其中，Δ為鹽脹引起的體積變化；θ1為初始含水率；n為土體原始孔隙率；r1,r2分別為降溫前后的溶解度。

楊鵬等[7]使用粒粒漬土開展試驗，結果表明試樣處于負溫狀態不會立即凍結，溫度低于-0.2 ℃時，試樣出現鹽—凍脹現象，并且此時試樣鹽—凍脹力增長劇烈。張磊，吳亞萍等[8]，研究表明當鹽漬土屬于細粒土時，其鹽脹臨界溫度相交較同條件下粗粒鹽漬土更高，且細粒粘性土的鹽脹臨界溫度明顯高于同條件下其他類型土。類似的，萬旭升等[9]試驗發現，鹽漬土硫酸鹽含鹽量小于4%時，在-4 ℃～13 ℃之間時土樣更容易發生鹽脹，在其他溫度范圍內鹽脹現象不明顯或者不發生鹽脹。

1.2 含鹽量

含鹽量被認為是直接影響鹽漬土的鹽脹程度的因素，在一定條件下含鹽量的增加會促進鹽漬土鹽脹現象的發生。李國玉等[10]試驗發現在凍融循環過程中，含鹽量較大時變形以鹽脹為主；含鹽量較小時，變形以凍脹和融沉為主，雖然可能存在鹽脹，但其對土體變形影響遠小于鹽脹造成的影響。同樣的結論也在張莎莎，楊曉華等[11,12]研究中得到證明。張莎莎等[5]進一步研究發現，在凍融循環工況下，含鹽量3.0%的鹽漬土試樣凍融循環初期變形大于含量為1.5%的鹽漬土試樣。然而，在第五個周期之后結果則發生了翻轉，含鹽量1.5%的土樣變形較大。方建紅等[13]從微觀上對鹽漬土發生鹽脹現象進行分析，建立了計算硫酸鈉結晶量的理論公式，并推導得出了如下計算公式:

(2)

其中，ΔV為鹽漬土體積膨脹量;hmax為土壤試樣上邊界高度;dy為試樣y方向位移；R為試樣橫截面半徑；x為試樣橫截面所求點到圓心的距離。

1.3 荷載

現有研究表明，荷載的施加可以對鹽漬土的鹽—凍脹起到一定的抑制作用。董曉明[14]，文桃[15]，劉凱[16]，Huang L等[17]研究均表明：在其他條件均恒定的情況下，荷載對鹽漬土凍脹及鹽脹具有一定的抑制作用，且抑制程度隨荷載的增加呈現出遞增的趨勢。同時試驗結果表明，鹽漬土所受荷載的增減對于凍結溫度的影響較小。Zhao Y等[18]應用硫酸鈉鹽漬土在動荷載條件下開展相關試驗，進一步研究了動荷載作用對鹽漬土的粘聚力、內摩擦角以及強度等參數的影響，并提出了考慮圍壓、加載動應力比和含鹽量的動態臨界狀態函數。

1.4 凍融循環次數

很多學者對鹽漬土在凍融循環條件下開展了大量試驗，凍融循環次數被證明會影響鹽漬土的粒間距離進而改變其工程性質。文桃[15]基于西北地區硫酸鹽漬土開展的凍融循環次數單變量試驗表明，在荷載一定的情況下，試樣鹽—凍脹量隨凍融循環次數的增加呈現出先增加后減小的趨勢，在此過程中試樣的干密度呈現出逐漸減小趨勢，并且取土深度的增加會削弱土樣干密度的變化速率。董曉明等[14,19,20]研究發現，隨著凍融循環次數的增加，早期鹽漬化土壤迅速結晶，破壞了土體原有的膠結結構或點接觸結構，從而部分破壞了大孔隙結構，導致鹽漬化土壤鹽膨脹率先增大后減小。Zhang S等[21]研究中也得到了類似關于凍融次數和鹽膨脹率的結論。

綜上所述，鹽漬土在凍融循環條件下的鹽—凍脹性質受溫度、含鹽量、所受荷載以及凍融循環次數等因素的影響，不同因素對于其影響程度的大小也各有不同。目前，在單因素影響的條件下的有關鹽漬土凍脹和鹽脹的研究，已經取得了較多的試驗成果，可以較好地解釋在該因素影響下鹽漬土發生凍脹和鹽脹機理。借助計算機軟件建立的相關擬合計算公式可在單因素的條件下得到較好地擬合結果。但是在實際工況下，各因素很少單獨影響最終鹽漬土的性質，大多共同作用影響鹽漬土的最終性質，而且不同因素共影響鹽漬土性質的規律和作用機理相對復雜。一定情況下，不同影響因素間也存在著相互制約的關系，例如當荷載增加到一定程度，凍融次數的增加不會導致鹽漬土試樣凍—鹽脹量增加。目前，對于多因素相耦合的鹽漬土凍脹和鹽脹性質試驗研究仍是研究的重點。

2 凍融循環條件下鹽漬土的水鹽遷移

凍融循環作用會加劇路基土中水和鹽分的遷移速率。水鹽向上層路基土快速遷移會導致上層路基鹽漬化速率加快，破壞道路的路基結構，增加后期道路運營維護成本，降低道路的安全性和使用壽命[22-24]。

Muyen等[25]結合澳大利亞西南部的土質特性，開展大量室內滲流實驗，基于貝葉斯公式結合實驗數據對所取試樣的溶質遷移特性開展研究，并在已有研究基礎上基于該地區土質進行了細化。張學飛等[26]基于吉林省農安地區鹽漬土土樣開展研究，實驗結果表明：該地水鹽遷移受季節影響，春季土體干旱，環境溫度升高，土中水分已蒸發,可溶鹽隨水分遷移至地表并在地表聚集;夏季降水較多，可溶鹽隨雨水下滲，地表可溶鹽含量降低。張彧[23]，張敬曉等[27]分別基于不同地區的鹽漬土開展有關水鹽遷移的實驗，實驗結果均表明鹽漬土場地的水鹽遷移情況會受到季節影響。季節改變，造成所在地區的降水量以及天氣干事情可發生改變，土體的含水率也隨之變化，鹽漬土中水分的遷移方向發生變化，其中的可溶性鹽也隨之發生季節性遷移。在冬季環境溫度低，鹽漬土體發生凍融，其內部孔隙水由液相變為固相，同時體積也發生膨脹。由于凍融作用發生時，土體內部凍結帶與未凍結帶存在土水勢差，當凍結時水鹽由未凍結帶遷移至凍結，反之則為融化時狀態。

在計算機數值模擬方面，A Asgari等[28]使用Maple 計算軟件應用理查茲方程，對非線性滲流問題進行求解。求解過程中大量使用非線性偏微分(或代數)方程，也被證明是符合實際工況可行有效。Swami D等[29]提出采用具有尺度依賴擴散函數的柔性多處理非平衡傳輸方程的方法，對層狀多孔介質中反應溶質傳輸進行模擬，比較不同尺度相關分散性的模擬結果，實驗發現對于分散性估計的場尺度，漸近和指數分散性函數有著較好的相合性。馮瑞玲等[30]均開展了大量有關鹽漬土水鹽熱力四場耦合效應的相關試驗研究。張軍艷探討了水分、鹽分、溫度以及荷載對鹽脹的影響機理。馮瑞玲等在三場耦合的基礎上，引入鹽場方程，并確立了鹽場與原有三場的關系方程，結合實際工況對理論方程進行修正擬合得到更加符合實際工況的方程。以下兩式為擬合后的試驗斷面鹽漬土劇烈相變區間分區方程。應用新的擬合方程，馮瑞玲等成功對當時在建的新疆的某地公路溫度場和鹽分場等進行擬合，對后續設計施工有極大指導意義。

H(T)1=fllc2hs(T+2.5,7.5)

(3)

H(T)2=fllc2hs(T+0.5,0.5)

(4)

其中，fllc2hs( )為二階連續導數的階躍平滑函數；T為溫度變量。

綜上所述，對于水鹽遷移方面的研究，目前專家學者普遍認為鹽漬土體所處環境的溫度和濕度等其他因素變化導致土體內部水分發生遷移，溶解在水中的可溶性鹽也隨之發生遷移。在自然條件下，季節的改變通過影響環境溫度、濕度和降水量等因素，導致土體內部水分發生遷移，可溶鹽隨之發生遷移。目前，對于一定條件下，影響因素較少的條件下水鹽遷移已經可以通過計算機軟件進行擬合，并且得到的結果有較好的擬合性，可以指導實際工程。目前對于鹽漬土水鹽遷移研究大多仍為單因素或者雙因素，而關于多因素耦合的試驗依舊是研究的重點。

3 粉煤灰改良鹽漬土物理力學性質

粉煤灰一般為發電時燃燒產生的渣滓，粒徑一般處于1 μm～100 μm之間，球形或微珠的集合體，SO2,Al2O3,Fe2O3三種成分占70%左右。粉煤灰摻入鹽漬土后，會和鹽漬土發生一系列化學反應和物理反應，實現改良鹽漬土工程性能的目的。楊曉松[31]實驗結果表明，粉煤灰摻入氯鹽漬土后解離出的二價鈣和鎂離子會與鹽漬土中原有成分發生離子交換，降低鹽漬土分散性，從而提高鹽漬土的強度。實際工程摻入一定量的粉煤灰后，鹽漬土在各養護齡期內，融陷變形均得到較好的改善。吳廷榮等[32]對于鹽漬土摻加粉煤灰開展大量實驗，認為粉煤灰的摻加可以通過改變鹽漬土內部的膠結情況，改變土體內部骨架結構，進而改變包括抗側限壓縮性能、抗壓強度和抗壓回彈強度等一系列工程性能指標，使鹽漬土性能達到路用施工要求。李學德[33]開展雙灰的實驗，發現粉煤灰的摻入通過改變土體的微觀結構，可以在一定程度上提升土體的抗凍性，有助于提升道路的耐久性。無獨有偶，Bin-Shafique S等[34]在凍融循環條件下開展對摻入粉煤灰后鹽漬土性質的研究，研究發現應用粉煤灰固化后的鹽漬土較同條件下未摻加粉煤灰的鹽漬土，經歷相同凍融循環周期土體的強度至少是未穩定土壤強度的3倍，且穩定后土體的溶脹潛力也有75%左右的下降。Bin-Shafique S等通過配合比實驗，確定了改良當地鹽漬土抗凍脹性能的最佳粉煤灰摻量。Zhang S等[21]對硫酸鹽漬土摻加固化劑進行微觀試驗，研究結果表明粉煤灰的摻入對原有膠結結構進行改良，骨架化學成分由硫酸銨變為硫酸鈣和碳酸鈣，使土體微觀上層狀結構明顯減少，土粒更加容易聚集。鹽漬土土體顆粒間連接更加緊密，土體骨架強度整體得到提高，因此鹽漬土的飽和抗壓強度等其他性能路用性能。同時其研究也發現，在一定范圍內，隨著粉煤灰等改良劑的摻入量增加，鹽膨脹降低，無側限抗壓強度升高。

由以上研究可知，在鹽漬土中摻入一定量的粉煤灰，可以將鹽漬土中骨架成分變為硫酸鈣和碳酸鈣，提高鹽漬土骨架強度。同時粉煤灰的摻入也可以通過減小土顆粒間距離和雙電層厚度的方式，改良鹽漬土原有的空隙結構，從而提高鹽漬土在凍融循環條件下的強度和抗鹽脹、抗凍脹等抗性。在一定范圍內，隨著粉煤灰摻入比例的改變，鹽漬土的強度也會呈現出類似的改變趨勢。有關不同工況下鹽漬土摻量的配合比設計研究仍是目前對于改良鹽漬土性能研究的一個方向。

在應用粉煤灰改良鹽漬土路用性能方面，許多學者對于不同地區的鹽漬土開展研究，得到大量工程路用粉煤灰改性的成功經驗。例如，郭立葉[35]對于應用粉煤灰改良鹽漬土處理方法和施工工藝進行研究，提出了相應的施工技法，應用該方法改性后的鹽漬土路用性能良好。張永康等[36]對青海省海西州境內敦格鐵路紅柳站附近鹽漬土路基土，開展摻加粉煤灰等配合比設計，在滿足工程需求的基礎上也降低了施工難度和造價；Zhang S等[21]就地取材在德伊沿線的路基土摻加當地出產的火山灰和粉煤灰，使路基鹽漬土性質得到改良成果達到路用指標，并且壓縮了工期。

4 展望

本文通過對近年相關學者關于鹽漬土凍融循環條件下，鹽—凍脹影響因素以及水鹽遷移的相關研究進行總結，著重分析不同因素對于鹽漬土體的影響，得出以下結論：

1)在凍融循環條件下，鹽漬土溫度、含鹽量、所受荷載以及凍融循環次數均會對其鹽—凍脹發生影響，各因素對于土體的影響均不是簡單的線性關系，具體的影響機理仍需深入研究。不同因素之間也不是相互獨立的，在一定程度上存在著復雜的相互影響的關系，具體的影響機理以及相互作用規律仍需深入研究。

2)凍融循環以及季節變化均被證明會對鹽漬土中的水鹽遷移造成影響。在一定條件下，具體的水鹽遷移規律以及路徑可以通過計算機相關軟件進行模擬，且和實際工況具有較好相合性。對于鹽漬土水鹽遷移的作用機理仍有待深入研究，同時計算機模擬水鹽遷移的路徑具有條件局限性，適用范圍更廣，準確度更高的模擬算法仍有待深入研究。

3)在道路施工中粉煤灰的摻加，可以通過改變鹽漬土的微觀結構，提升土骨架的強度，提升其強度和抗凍融的能力，提高鹽漬土的路用性能。目前對于鹽漬土的特性和應用粉煤灰對鹽漬土工程特性改良研究，已經得到了階段性的成就，得出的很多結論以及可以很好地指導實際工程。

在某些地區，鹽漬土中同時含有多種鹽類。因此，目前對于鹽漬土的研究，具有一定局限性。結合實際工程對于鹽漬土特性和應用粉煤灰對鹽漬土工程特性改良的試驗研究工作，應該深入到不同地區，含鹽類別不同的鹽漬土和同時含有多種鹽分的鹽漬土中。為了更好地改良鹽漬土路用性能，對于應用粉煤灰改良鹽漬土路用性能的配合設計比研究，也有待深入研究。