凍融循環(huán)下石灰硅灰改良鹽漬土理化特性研究

張?jiān)?孟凡香 付啟陽(yáng) 王宗梁

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

近幾十年，隨著氣候變化環(huán)境問(wèn)題及人類對(duì)自然的破壞，東北地區(qū)松嫩平原鹽漬土面積不斷擴(kuò)大，鹽漬化程度越來(lái)越嚴(yán)重。而且隨著社會(huì)的發(fā)展，工程建設(shè)問(wèn)題已經(jīng)涉及鹽漬土地區(qū)，所以研究鹽漬土理化特性具有重要意義。由于研究區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，一年溫差較大，所以應(yīng)考慮凍融循環(huán)。但對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良時(shí)，改良劑的選擇尤為重要。不僅要考慮到在工程建設(shè)時(shí)，對(duì)土體抗凍融穩(wěn)定性和強(qiáng)度的增強(qiáng)效果要好，也要考慮改良劑帶來(lái)的不良影響是否在可控范圍內(nèi)。保證改良劑對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)良好效果和減小開(kāi)支的同時(shí)，也要保證減小對(duì)自然環(huán)境的破壞。

目前，對(duì)于在凍融循環(huán)條件下鹽漬土的理化特性改良鹽漬土的研究，已經(jīng)有很大的進(jìn)展。張建鋒等［1］通過(guò)石灰-粉煤灰-煤矸石混合料和水泥混合后對(duì)土體抗凍性進(jìn)行研究，得出抗凍性大幅度增強(qiáng)。龔建清等［2］研究硅灰和粉煤灰對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)砂漿抗凍性的影響，得出砂漿的抗凍性隨著硅灰摻量的增加先增加后降低，隨著粉煤灰摻量的增加而降低。陸敬文等［3］分析了單摻硅灰、單摻石灰石粉以及雙摻硅灰和石灰石粉對(duì)磷酸鉀鎂水泥抗鹽凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙摻硅灰和石灰石粉對(duì)提高磷酸鉀鎂水泥的抗凍性有一定的協(xié)同增效作用。李作恒等［4］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)石灰、水泥、SH 綜合改良后的鹽漬土路基有較好的水穩(wěn)性和抗凍性。Gong等［5］通過(guò)對(duì)混凝土摻入硅灰和粉煤灰，研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)達(dá)到25 次時(shí)，6%硅灰與30%粉煤灰質(zhì)量損失最少，抗凍性最佳。Cheng等［6］用硅灰代替水泥對(duì)混凝土加固，研究發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)破壞后質(zhì)量損失僅有0.17%。陳超等［7］摻入硅灰對(duì)水泥漿性能進(jìn)行研究，得出少量硅灰摻入可以減少電導(dǎo)率帶來(lái)的危害。溫勇等［8］通過(guò)研究硅灰對(duì)水泥Zeta 電位的影響，發(fā)現(xiàn)硅灰對(duì)于早期反應(yīng)時(shí)電導(dǎo)率的下降有很大影響，且硅灰摻量越多電導(dǎo)率下降越多。

從以上文獻(xiàn)中可以看出，石灰、硅灰對(duì)于鹽漬土理化特性改良效果顯著，但是對(duì)于東北地區(qū)碳酸型鹽漬土用石灰、硅灰混合改良研究較少，所以本次試驗(yàn)用石灰和硅灰來(lái)改良碳酸型鹽漬土。為研究?jī)鋈谘h(huán)作用下石灰、硅灰作為碳酸鹽漬土改良劑的可行性，本研究設(shè)置了不同石灰摻量和不同硅灰摻量改良鹽漬土試樣，對(duì)試樣進(jìn)行凍融循環(huán)前后的電導(dǎo)率和抗凍性分析，并且闡述石灰、硅灰改良土在凍融循環(huán)作用下的變化規(guī)律及內(nèi)在機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的鹽漬土是從黑龍江省綏化肇東地區(qū)取土，該地區(qū)鹽漬化表現(xiàn)明顯，植被稀少，土體表面呈現(xiàn)鹽白色并出現(xiàn)裂痕裂縫的現(xiàn)象，表現(xiàn)出較嚴(yán)重的鹽漬化特征。取土深度為10～40 cm，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行基本特性試驗(yàn)［9］。具體土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

石灰的主要成分為氧化鈣，此外還有氧化鎂以及鋁酸鈣、硅酸鈣、鐵鋁酸四鈣等，由主要成分為碳酸鈣的天然巖石經(jīng)高溫煅燒得到。硅灰是工業(yè)冶煉的副產(chǎn)物，主要成分是二氧化硅，火山灰反應(yīng)強(qiáng)烈，顆粒粒徑小且改良效果好，并且具有價(jià)格低廉、環(huán)保、耐酸堿腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)。石灰和硅灰的主要成分分別見(jiàn)表2和表3。

表2 石灰主要成分表

表3 硅灰主要成分表

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在對(duì)石灰和硅灰的摻量選擇問(wèn)題上，因考慮到石灰與粉煤灰最佳配比為1∶2～1∶4.5，但硅灰的火山灰反應(yīng)比粉煤灰要?jiǎng)×遥虼耸遗c硅灰的配比為1∶1～1∶4。當(dāng)土樣經(jīng)過(guò)5～7 次凍融時(shí)，土樣理化特性趨于穩(wěn)定，并且前幾次凍融循環(huán)對(duì)土樣理化特性影響較大，因此，本研究設(shè)計(jì)1、3、5、7 次凍融循環(huán)次數(shù)。考慮到綏化肇東地區(qū)夏季平均溫度為13～24 ℃、冬季平均溫度為-21～-10 ℃，所以凍結(jié)溫度和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃。具體配比方案見(jiàn)表4。

表4 改良材料摻量配比設(shè)計(jì)方案

1.3 試樣制備

對(duì)研究區(qū)的鹽漬土先進(jìn)行自然風(fēng)干處理，然后將粉碎土繼續(xù)放入烘箱中烘干6 h。將烘干土按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）進(jìn)行處理，過(guò)0.5 mm 篩子，石灰和硅灰均過(guò)篩子處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，壓實(shí)度為85%～95%更具有實(shí)際意義，所以根據(jù)測(cè)定出的最優(yōu)含水率和最大干密度90%為標(biāo)準(zhǔn)，加入提前設(shè)定好的石灰、硅灰的摻量，配置出試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)作用下改良土抗凍性的研究

本次試驗(yàn)先按照標(biāo)準(zhǔn)配置改良土試樣尺寸直徑39.1 mm、高度80 mm，將試樣放入水中分別浸泡12 h 和24 h，并記錄吸水后的質(zhì)量計(jì)算吸水率。然后把試樣放入凍融循環(huán)裝置中，凍結(jié)溫度和融化溫度分別為-20 ℃和20 ℃，每次凍融循環(huán)后稱其質(zhì)量，并記錄計(jì)算出質(zhì)量損失。

由表5 可知，石灰改良土吸水率比硅灰改良土和雙灰改良土吸水率低，原因是一般石灰耐水性很差，但是和鹽漬土混合后會(huì)發(fā)生離子交換和碳酸反應(yīng)生成穩(wěn)定的物質(zhì)，耐水性反而升高，導(dǎo)致吸水性降低［10］。而雙摻混合改良土，加入石灰和硅灰與鹽漬土發(fā)生火山灰反應(yīng)生成氧化物凝膠，凝膠吸水性強(qiáng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行生成結(jié)晶物質(zhì)，導(dǎo)致雙灰改良土吸水率升高。從以往經(jīng)驗(yàn)可知，吸水性越高的材料抗凍性越差。吸水率間接反映了土粒間的孔隙度，吸水性越高，破壞現(xiàn)象越明顯。但是從無(wú)機(jī)改良鹽漬土試驗(yàn)結(jié)果表面可知，規(guī)律并不明顯。

表5 各配比土樣吸水率

從圖1（a）研究發(fā)現(xiàn)，隨著石灰摻量的增加，質(zhì)量損失不斷減小。石灰摻量從0%到3%的質(zhì)量損失下降速率比石灰摻量從3%到6%的質(zhì)量損失下降速率要快。當(dāng)凍融循環(huán)一定時(shí)，摻入硅灰改良土的質(zhì)量損失比沒(méi)有摻入硅灰改良土的質(zhì)量損失要少。從圖1（b）研究發(fā)現(xiàn)，隨著硅灰摻量的增加，質(zhì)量損失不斷減小。硅灰摻量從0%到3%的質(zhì)量損失下降速率比硅灰摻量從3%到6%的質(zhì)量損失下降速率要快。當(dāng)凍融循環(huán)一定時(shí)，摻入石灰改良土的質(zhì)量損失比沒(méi)有摻入石灰改良土的質(zhì)量損失要少。由圖1（c）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失的損失率越來(lái)越大。并且素土、單摻石灰和單摻硅灰改良土抗凍性沒(méi)有石灰、硅灰混合改良土抗凍性好，質(zhì)量損失較多。石灰、硅灰混合改良土凍融循環(huán)第5 次時(shí)才出現(xiàn)質(zhì)量損失的情況，而素土和單摻石灰改良土凍融循環(huán)第3 次就有質(zhì)量損失的情況出現(xiàn)。改良土中單摻3%石灰改良土隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行質(zhì)量損失最早，質(zhì)量損失最多，抗凍性最差，而6% L+12% SF 改良土隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行質(zhì)量損失最晚，質(zhì)量損失最少，抗凍性最好。

圖1 抗凍性影響因素變化規(guī)律

2.2 凍融循環(huán)作用下改良土電導(dǎo)率的研究

本次試驗(yàn)先按照標(biāo)準(zhǔn)配置改良土試樣，放入凍融循環(huán)裝置中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，取凍融后的上層土樣，稱好后放入盛有去離子水的試管中。然后用震蕩機(jī)振蕩30 min使其均勻溶解在去離子水中，并靜置1 h。將靜置后的試樣放入校準(zhǔn)后的電導(dǎo)率測(cè)定儀中，記錄試驗(yàn)結(jié)果。

由圖2（a）可知，隨著石灰摻量的增加，土體電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且摻入硅灰試樣的電導(dǎo)率比沒(méi)有摻入硅灰試樣的電導(dǎo)率要小；單摻6%L的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于單摻6%SF的電導(dǎo)率，而當(dāng)石灰、硅灰混合摻入后，石灰摻量從3%增加到6%后電導(dǎo)率得到大幅度提升，但同一石灰摻量下，隨硅灰摻量的增加，電導(dǎo)率出現(xiàn)減小的情況。從圖2（b）研究發(fā)現(xiàn)，隨著硅灰摻量的增加，土體電導(dǎo)率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，并且摻入石灰試樣的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于沒(méi)有摻入石灰試樣的電導(dǎo)率；單摻6%SF 的電導(dǎo)率遠(yuǎn)小于單摻6%L 的電導(dǎo)率，而當(dāng)石灰、硅灰混合摻入后，硅灰摻量從6%增加到12%后電導(dǎo)率出現(xiàn)減小的情況，但同一硅灰摻量下，隨石灰摻量的增加，電導(dǎo)率大幅度增加。從圖2（c）可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良土的電導(dǎo)率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大而增大，但增加幅度很小，而且凍融循環(huán)5次后趨于穩(wěn)定。

圖2 電導(dǎo)率影響因素變化規(guī)律

3 討論

季節(jié)性凍土區(qū)的鹽漬土理化特性較為復(fù)雜，對(duì)工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)耕地影響很大。通過(guò)試驗(yàn)得出，土體雙摻石灰、硅灰的抗凍性比單摻石灰、硅灰的抗凍性提升效果明顯，主要原因是石灰、硅灰摻入后發(fā)生一系列反應(yīng)，包括火山灰反應(yīng)、離子交換、碳酸反應(yīng)及石灰水解反應(yīng)［11］。石灰遇水后水解產(chǎn)生Ca（OH）2，Ca（OH）2與硅灰中的SiO2和Al2O3在堿性條件下發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成一種氧化物凝膠。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氧化物凝膠變成硬度更高的結(jié)晶

物質(zhì)，大大增強(qiáng)了土體水穩(wěn)定性和抗凍性。而且土體內(nèi)發(fā)生離子交換，導(dǎo)致結(jié)合水膜變薄，土顆粒相互吸引發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使土體內(nèi)面更加穩(wěn)定，抗凍性更強(qiáng)。由于碳酸鹽漬土經(jīng)改良劑的作用使游離的Ca2+與CO32-、Ca（OH）2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)生成CaCO3結(jié)晶，也大大增強(qiáng)了土體的抗性。凍融循環(huán)導(dǎo)致土體內(nèi)部骨架發(fā)生破壞，使得土體內(nèi)部體積變大，土粒間孔隙率變大，密實(shí)度降低，抗凍性隨之降低［12］。并且一般加固材料孔隙為毛細(xì)孔，毛細(xì)孔一般含有孔隙水，孔隙水是導(dǎo)致凍融破壞、降低抗凍性的重要因素。

對(duì)電導(dǎo)率的研究得出，石灰、硅灰混合摻入比單摻石灰電導(dǎo)率要低，但比單摻硅灰電導(dǎo)率要高，而且石灰對(duì)于電導(dǎo)率的提升起到?jīng)Q定性作用，硅灰有阻礙電導(dǎo)率提升的作用，凍融循環(huán)對(duì)于電導(dǎo)率的影響較小，主要原因是石灰水解產(chǎn)生的大量離子處于活躍狀態(tài)［13］，游離的離子數(shù)量增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。加入硅灰后，硅灰與石灰發(fā)生火山灰反應(yīng)和離子交換，硅灰在堿性條件下硅氧鍵斷裂，與石灰水解產(chǎn)生的Ca2+結(jié)合生成C-S-H 凝膠，剩余Ca2+、Mg2+與CO32-反應(yīng)生成CaCO3和MgCO3，消耗土中的離子，大大降低了土樣中的電導(dǎo)率［14］。并且硅灰中含有大量SiO2，SiO2的絕緣性較好，阻礙了土粒間的傳導(dǎo)性［15］。并且加入硅灰后使得導(dǎo)電活躍離子Na+、Ca2+、HCO3-等的有效濃度降低，導(dǎo)電離子間距離增大，使得各導(dǎo)電離子間遷移路程變長(zhǎng)，電解質(zhì)電阻變大，導(dǎo)電性下降，電導(dǎo)率減小。凍融導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的原因是土體受到凍融影響，土體中的水分運(yùn)動(dòng)變慢，下層水分?jǐn)y帶大量易溶鹽分向上遷移，融化時(shí)蒸發(fā)使鹽分留在表面，造成表層鹽分升高，導(dǎo)致或加重土壤的鹽堿化［16］。而且凍融循環(huán)導(dǎo)致土內(nèi)外部出現(xiàn)溫度差，水鹽遷移不斷進(jìn)行，使得游離的離子更加活躍，也是導(dǎo)致電導(dǎo)率升高的重要原因。

4 結(jié)論

①隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失隨之增大，并且石灰、硅灰混合改良土抗凍性比單摻石灰和單摻硅灰改良土抗凍性要好，質(zhì)量損失較少，抗凍融穩(wěn)定性更強(qiáng)。

②凍融循環(huán)一定時(shí)，石灰、硅灰混合摻入比單摻石灰電導(dǎo)率要低，但比單摻硅灰電導(dǎo)率要高。而且石灰對(duì)于電導(dǎo)率的提升起到?jīng)Q定性作用，硅灰有阻礙電導(dǎo)率提升的作用。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致電導(dǎo)率升高，但影響較小。