鹵水結(jié)合下的鹽漬土膨脹性分析

鄧 波

（新疆交通科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

鹽漬土膨脹的原因主要是由于土體中鹽狀態(tài)發(fā)生變化。鹽漬土的固相組成中不僅有土體顆粒，還有氯鹽、硫酸鹽等成分，鹽漬土內(nèi)部的水隨著外部環(huán)境的變化而變化，從而導(dǎo)致鹽漬土中的鹽分隨著土體液相的變化出現(xiàn)遷移、聚集的特點(diǎn)，從而使鹽漬土的物理力學(xué)特性呈現(xiàn)出劇烈變化的特點(diǎn)［1-2］。

在公路建設(shè)中不可避免的遇到鹽漬土，由于路面結(jié)構(gòu)層的覆蓋效應(yīng)，路基的蒸發(fā)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原地表，從而導(dǎo)致路基土體的含水量高于原地面，出現(xiàn)土體鹽分由高濃度區(qū)向低濃度的路基土體匯集的情況。路基土中鹽分的遷移聚集過程中，土顆粒的空隙以及土體接觸點(diǎn)的鹽分吸水結(jié)晶后體積膨脹，填充孔隙率，擴(kuò)大土顆粒間距，引起土體變形膨脹的效果［3-4］。

目前對于鹽漬土的膨脹特性已有大量的研究，王海春［5］等人研究了不同因素下硫酸鹽的鹽脹程度；袁紅［6］等人分析了硫酸鹽的起脹含鹽量和容許含鹽量；孫輝榮［7］等人對細(xì)粒氯鹽漬土進(jìn)行鹽脹分析；包衛(wèi)星［8］等人研究了在凍融循環(huán)下鹽漬土的鹽脹特性。但是近些年隨著各地環(huán)保意識的強(qiáng)化以及公路建設(shè)的用料緊缺，各地公路建設(shè)不得不采用一些特殊性土［9］，充分利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的土體作為公路建設(shè)的材料，對于缺少筑路材料的公路工程具有十分重要的意義。

1 哈若公路沿線取樣與化學(xué)成分分析

1.1 鹽漬土取樣

哈密至若羌段公路穿越羅布泊盆地，沿線料場和工程用水緊缺，針對項目的特點(diǎn)，研究中選取K287+000（淺層料0 ～2 m）、K324+500（深層料2 m 以下）、K346+000（淺層料0 ～2 m）三組有代表性的鹽漬土樣品，采用不同比例的鹵水進(jìn)行摻配試驗。公路沿線鹽漬土見圖1，水料場見圖2。

圖1 大塊鹽漬土破碎

圖2 水料場

1.2 鹽漬土化學(xué)成分分析

根據(jù)《 公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007），通過室內(nèi)試驗進(jìn)行鹽漬土化學(xué)成分分析，測定沿線水土料場中的離子含量，依據(jù)檢測結(jié)果對鹽漬土進(jìn)行分類，檢測結(jié)果見表1。

表1 離子含量分析試驗結(jié)果 （20℃）

由《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）可知，工程沿線選取的三組鹽漬土均為氯化物過鹽漬土（超氯鹽漬土）。沿線工程用水缺乏，在進(jìn)行土方填筑時采用鹵水替代工程用水，進(jìn)行土方壓實。因此，需對鹵水的含鹽量、鹽漬土的含水率進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 鹽漬土含水量

表3 不同溫度下鹵水含鹽量

可知，K287+000 和K346+000 處淺層鹽漬土的含水量較低，對于埋深較大的K324+500 處，含水量較高；同時對于同一位置的鹽漬土，破碎土的含水量都高于塊狀土含水量。通過表3 可知：在5 ～25℃時，隨著溫度的升高鹵水中結(jié)晶鹽含量增大；在25 ～35℃時，隨著溫度的升高，結(jié)晶鹽含量減少。項目所在區(qū)域的鹵水含鹽量較高。

2 鹽脹試驗與分析

通過對鹵水和鹽漬土的成分分析，可知工程所在區(qū)域的水土中Na+、Cl-、的含量很高，因此研究在不同溫度下噴灑鹵水下的鹽漬土膨脹量成為哈若公路建設(shè)的關(guān)鍵問題。采用室內(nèi)模擬試驗，通過溫控箱調(diào)控鹽漬土樣品的溫度，試驗時按照設(shè)定的溫度啟動溫度循環(huán)冷浴，溫度由上部向下部傳遞，以保證鹽漬土的溫度變化與實際情況一致，試驗通過輸入?yún)?shù)控制，采集儀自動采集數(shù)據(jù)。試驗儀器見圖3。

圖3 鹽脹性試驗分析儀結(jié)構(gòu)

2.1 含水率-膨脹量性能研究

通過圖4 ～圖6 鹽漬土膨脹曲線可以看出：在相同壓實度條件下，隨著溫度降低，3 處鹽漬土土樣膨脹量增大。對于水用量分別為5%、7%、9%、11%的4 組，其膨脹量最大值分別為0.5 mm、1.0 mm、1.3 mm 和1.8 mm。3 組試驗中，膨脹量增加最快的是15 ～－5℃之間，對于20 ～15℃和－5℃～－10℃之間膨脹量相對較緩慢。其中-5℃和-10℃的膨脹量基本相同，土樣表現(xiàn)出微脹和不脹。同時3處鹽漬土土樣的膨脹量隨著鹵水含量增加而增加，其中鹵水含量由5%～7%和9%～11%時，土樣膨脹量增加較多，即當(dāng)鹵水含量在7%～9%之間時，相同溫度條件下，土體膨脹量變化不大。在95%的壓實度條件下，鹵水用量為5%、7%、9%、11%的土樣其膨脹率小于2%［11］。

圖4 K287+000 處鹽漬土膨脹量曲線

圖5 K324+500 處鹽漬土膨脹量曲線

圖6 K346+000 處鹽漬土膨脹量曲線

2.2 壓實度與膨脹量性能研究

2.2.1 擊實試驗

依據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTJ 051—93），結(jié)合現(xiàn)場情況，對3 組鹽漬土進(jìn)行重型擊實試驗。由圖7 ～圖9 曲線變化趨勢可以得出：用鹵水濕潤鹽漬土，然后進(jìn)行擊實試驗，試驗中由于氯鹽漬土的吸濕特性，使得擊實試驗中最優(yōu)含水率結(jié)果偏小，因此需要修正。3 處取樣位置的干密度和最優(yōu)含水率見表4。

圖7 K287+000 含水率-干密度曲線

圖8 K324+500 含水率-干密度曲線

圖9 K346+000 含水率-干密度曲線

表4 3 處取樣位置的干密度和最優(yōu)含水率

2.2.2 壓實度與膨脹量分析

在土樣擊實試驗的基礎(chǔ)上，獲得最佳鹵水含量，同時采用92%、95%、98%的壓實度成型試件，在試驗過程中保持濕度不變，溫度變化的條件下，測得不同壓實情況下的試件膨脹量，從而確定適宜的壓實度。3 組鹽漬土的試驗結(jié)果見圖10 ～圖12。

圖10 K287+000 處鹽漬土膨脹量曲線

圖11 K324+500 處鹽漬土膨脹量曲線

圖12 K346+000 處鹽漬土膨脹量曲線

可以看出，在相同壓實度條件下，隨著溫度的降低，土樣的膨脹量增加，其中在15 ～-5℃時，增加速率相對較快，在20 ～15℃和-5 ～-10℃時，膨脹量增加速率較緩慢；在92%、95%、98%的壓實度下最大膨脹量分別為1.8 mm、2.1 mm 和2.5 mm；在相同的溫度條件下，隨著壓實度的增加膨脹量增大，對于K287+000 和K324+500 兩處，其增加值較小，對于K346+000 處膨脹量增加值較大。

2.3 易溶鹽含量與膨脹量關(guān)系

選取過氯鹽漬土，從水土離子分析中可知，水土中Na+、Cl-、的含量很高，鹽漬土易溶鹽總量很高。在95%壓實度和最優(yōu)含水率條件下，易溶鹽總量和鹽漬土膨脹量的關(guān)系見圖13。可知在95%的壓實度條件下，隨著土樣易溶鹽總量增加，鹽漬土膨脹量不斷增加。當(dāng)易溶鹽總量由63.32%增加到68.43%時，膨脹量增加0.6 mm；當(dāng)易溶鹽總量由68.43%增加到75.59%時，膨脹量增加0.3 mm。前一階段膨脹量增加速率大于后一階段的膨脹量增加速率。由于采用鹵水結(jié)合土樣，使得在不同溫度條件下，土樣中的自由水含量不同，導(dǎo)致土樣中Na2SO4所能結(jié)合的水處于不確定狀態(tài)。同時依據(jù)文獻(xiàn)［3］中提到當(dāng)NaCl 在結(jié)合水分子后土體體積也會增大，因此隨著土樣中易溶鹽總量的增加，土樣呈現(xiàn)出膨脹量增加的趨勢，但是隨著Na2SO4和NaCl 大量結(jié)合自由水后，導(dǎo)致鹵水中的自由水含量降低，土樣膨脹量增加速率緩慢。

圖13 易溶鹽含量與總鹽脹率曲線

3 鹵水結(jié)合料鹽脹機(jī)理分析

鹽漬土出現(xiàn)體積膨脹的主要原因是原有土體顆粒之間的孔隙率以及土體接觸點(diǎn)間距的細(xì)觀變化而反映到宏觀的現(xiàn)象。鹵水結(jié)合料中的易溶鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通土的含量，其膨脹機(jī)理相較于普通土體也更為復(fù)雜。

鹽漬土的體積膨脹主要是由于易溶鹽中的Na2SO4的結(jié)晶膨脹和失水收縮引起。隨著溫度降低，鹵水結(jié)晶含量增大，在鹵水結(jié)合料中，部分土體空隙被鹵水結(jié)晶填充，部分自由水和土體中的Na2SO4結(jié)合形成Na2SO4·10H2O，引起土體體積增大。即在采用鹵水結(jié)合料中，土體體積增大是由鹵水本身的結(jié)晶體和Na2SO4·10H2O 共同引起。在溫度下降過程中，在一定溫度下，鹵水以及鹽漬土本身水分可能結(jié)冰，冰造成水體體積增加10%，因此在15℃～－5℃時，土體體積增加速率最快，隨著所有水分持續(xù)結(jié)冰，溫度繼續(xù)下降，但是土體膨脹量的速率減慢。由于Na2SO4對溫度變化敏感，在15℃～－5℃之間時，大量的Na2SO4與水結(jié)合，形成Na2SO4·10H2O，溫度繼續(xù)下降，Na2SO4與水結(jié)合的趨勢減慢，從而導(dǎo)致溫度越低，土體膨脹量趨勢越平緩。

4 結(jié)語

（1）鹵水結(jié)合料在一定含水量條件下，隨著溫度降低，膨脹量不斷增大，其中在15℃～－5℃之間膨脹量的增加速率相對較大，當(dāng)溫度達(dá)到-10℃時，土體基本沒有膨脹；同時隨著鹵水用量增大，土體膨脹量增大；當(dāng)鹵水含量在7%～9%之間時，相同溫度條件下，土體膨脹量變化不大。（2）在相同壓實度條件下，隨著溫度降低，土體膨脹量增大；在相同溫度條件下，壓實度越大，膨脹量越大。其中在15℃～-5℃時，增加速率相對較快，在20 ～15℃和-5℃～-10℃時，膨脹量增加速率較緩慢。（3）在95%壓實度條件下，土樣易溶鹽總量增加，鹽漬土膨脹量不斷增加。但隨著易溶鹽總量的增加土體膨脹量增加速率減緩，這是由于Na2SO4和NaCl大量結(jié)合自由水后，導(dǎo)致鹵水中的自由水含量降低，因此出現(xiàn)土樣膨脹量增加速率緩慢的情況。