固化細粒氯鹽鹽漬土工程特性研究*

郭東悅,劉 浩,楊慶港,李玉豪,莘子健

(1.中交二航局建筑科技有限公司,湖北 武漢 430050; 2.中交第二航務工程局有限公司第五 工程分公司,湖北 武漢 430050; 3.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

濱海區氯鹽鹽漬土是受環境變化影響較大的敏感性特殊土,顆粒較細,塑性指數較大,屬于粉質黏土。鹽漬土與其他普通三相土不同,易溶鹽溶解于土體的液相中,結晶鹽存在于土體的固相內,外部環境變化引起三相物質的轉變,鹽漬土的物理力學性質發生改變,導致土體內結構發生變化,土體結構變得松散,穩定性遭到破壞,工程性質變差[1-2]。

目前,大多學者主要集中于內陸的粗粒硫酸鹽鹽漬土改良研究,雖有部分學者對濱海氯鹽鹽漬土進行了改良研究,但大多只采用石灰、粉煤灰及水泥單摻或石灰+粉煤灰雙摻進行改良,且對改良后鹽漬土工程特性的研究也不夠全面。因此,本文以滄州濱海區鹽漬土為研究對象,分析對比生石灰、粉煤灰及水泥不同組合方式改良下鹽漬土的工程特性,包括固化鹽漬土的擊實特性、承載特性、耐久性及水穩性等,為工程建設提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗所用鹽漬土取自G228滄州段沿線附近,天然鹽漬土的含水率為7.82%,液限為31.2%,塑限為17.0%,重型擊實試驗測得的最大干密度為1.96g/cm3,最優含水率為12.7%。鹽漬土顆粒級配曲線如圖1所示,該鹽漬土屬于細粒土。鹽漬土XRD圖譜如圖2所示。由圖2可知,鹽漬土礦物成分中主要黏土礦物為伊利石,其他主要成分為石英和鈉長石。鹽漬土經過測量得到易溶鹽含量,如表1所示,其中主要為鹽離子Cl-,占比1.05%,根據JTG/T 3610—2019《公路路基施工技術規范》中鹽漬土分類可得,該鹽漬土為中氯鹽鹽漬土。

表1 鹽漬土易溶鹽含量Table 1 Soluble salt content of saline soil %

圖1 濱海鹽漬土顆粒級配曲線Fig.1 Grain gradation curve of coastal saline soil

圖2 濱海鹽漬土XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of coastal saline soil

鹽漬土改良試驗用改良材料為一等鈣質生石灰、二級粉煤灰和P·O 42.5硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗方案

根據國內外學者已有的相關鹽漬土改良試驗研究及工程實踐經驗,對不同摻比的生石灰(A組)、生石灰+粉煤灰(B,C組)、生石灰+粉煤灰+水泥(D,E組)改良的濱海鹽漬土進行擊實試驗、室內承載比(CBR)試驗、干濕循環試驗、不同改良類型下的水穩性試驗,具體配合比方案如表2所示。

表2 鹽漬土改良配合比方案Table 2 Mix ratio scheme of saline soil improvement

1.2.2試驗過程

1)擊實試驗 根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規程》,對固化鹽漬土進行重型擊實試驗。將風干土樣碾碎過2mm篩,采用干土法按表2配合比方案制備試樣,以2%的梯度配置一系列不同含水率的試樣,并悶料12h,再采用標準重型擊實筒,分5層進行擊實,每層27下。根據試驗結果得到各改良配合比條件下固化鹽漬土的最優含水率和最大干密度。

2)室內承載比(CBR)試驗 采用擊實儀重型擊實試驗的操作,按98%的擊實度制備各配合比條件下最優含水率的試樣,并對各試樣進行泡水,水面高于荷載板頂面25mm,浸水4d后測量其膨脹量。采用多功能路面材料強度測試儀以1mm/min的速度進行貫入試驗,得到試樣的單位壓力與貫入量曲線,計算各配合比條件下固化鹽漬土的CBR值。

3)水穩性試驗 試驗制樣采用三軸靜壓膜,制成壓實度為96%、尺寸為φ39.1×80的圓柱樣,利用擊實法分3次擊實成樣。根據上述試驗結果,選擇性制備編號為A0,A3,B3,C3,D3,E3兩組平行試樣,在濕度>90%,溫度為20℃左右的環境中養護7d,第7d將試樣放入20℃的水中浸水24h,然后測定試樣的無側限抗壓強度。

4)干濕循環試驗 試驗制樣與水穩性試驗制樣一致,養護7d后,將試樣切削為39mm高的圓柱體進行干濕循環試驗(見圖3)。先將削切完畢的試樣浸沒在室溫水中,水面高出試樣25mm,浸水12h,再取出試樣擦干表面水分放置在105℃的烘箱中烘干12h,為1次干濕循環,記錄每次干濕循環后試樣的質量。

圖3 干濕循環試樣Fig.3 Sample of dry and wet cycle

2 試驗結果分析

2.1 固化鹽漬土的擊實特性變化規律

不同組合摻量條件下固化鹽漬土擊實特性規律曲線如圖4所示。由圖4可知,鹽漬土素土的最優含水率為12.7%,經改良后固化鹽漬土的最優含水率均高于此值,隨著改良劑的增加,最優含水率總體呈增加的趨勢;鹽漬土素土的最大干密度為1.96g/cm3,經改良后固化鹽漬土的最大干密度均低于此值,隨著改良劑的增加,最大干密度總體呈現減小趨勢。

圖4 固化鹽漬土擊實特性規律曲線Fig.4 Compaction characteristic curve of cured saline soil

單摻生石灰條件下,生石灰摻量為2%～4%時,固化鹽漬土的最優含水率隨石灰摻量增加明顯增大,當石灰含量>4%后,固化鹽漬土的最優含水率變化不明顯,穩定在15%左右;單摻生石灰改良后鹽漬土的最優含水率整體明顯高于其他改良劑組合條件下固化鹽漬土的最優含水率,最大干密度整體低于其他改良劑組合條件下的最大干密度;生石灰和粉煤灰二摻條件下,隨著粉煤灰加入后,固化鹽漬土的最優含水率比單摻石灰時明顯降低,但整體隨生石灰和粉煤灰摻量的增加呈上升趨勢,生石灰與粉煤灰比值為1∶2時,且生石灰摻量>6%后,固化鹽漬土最優含水率隨改良劑摻量的增加明顯增大,最大可達16.2%,最大干密度隨改良劑摻量的增加明顯減小;當鹽漬土摻入水泥后,降低了固化鹽漬土最優含水率在不同生石灰摻量影響下的敏感性,導致最優含水率隨生石灰摻量的增加變化不明顯,最大干密度高于其他未摻水泥條件下氯鹽鹽漬土的最大干密度,另外,隨水泥摻量由2%增加到4%后,固化鹽漬土的最優含水率稍有增大,最大干密度稍有減小,變化不明顯。

生石灰、粉煤灰摻入鹽漬土加水發生水解和水化等各種復雜化學反應,在反應過程中改良劑吸收了大量的水分,使固化鹽漬土的最優含水率增大,同時反應生成蜂窩結構的結晶水化合物,其密度相對于鹽漬土較小,并充當了一部分固化鹽漬土的固體顆粒,占據了一定體積,導致最大干密度呈減小趨勢,且小于鹽漬土素土的最大干密度[11]。水泥加入后降低了生石灰和粉煤灰摻量對固化鹽漬土最優含水率的影響,使固化鹽漬土的最優含水率相對穩定,相對于生石灰+粉煤灰改良后固化鹽漬土的干密度也有所增加,說明生石灰+粉煤灰+水泥聯合固化對鹽漬土的改良效果較好。

三摻改良后的固化鹽漬土最優含水率有所提高且相對穩定,干密度也比單摻和雙摻的固化鹽漬土高,根據擊實變化規律,考慮到經濟性,推薦生石灰(2%～4%)+粉煤灰(2%～4%)+水泥(2%～4%)。

2.2 固化鹽漬土的室內承載比(CBR)的變化規律

固化鹽漬土CBR試驗結果如表3、圖5,6所示。由表3可知,通過室內承載比試驗得到未改良濱海鹽漬土的CBR值為2.2%,遠不能滿足對路基填料的最小要求。在試驗現有配合比條件下,經改良劑改良后濱海鹽漬土CBR值最低為7.6%,均遠高于素土CBR值,編號E3配合比條件下的CBR值高達88.5%。

表3 固化鹽漬土CBR試驗結果Table 3 CBR test results of cured saline soil

圖5 固化鹽漬土承載比(CBR)變化規律曲線Fig.5 Variation curve of bearing ratio (CBR) of solidified saline soil

由圖5和表3可知,單摻生石灰條件下,改良鹽漬土的CBR值要小于其他改良條件下的固化鹽漬土的CBR值,生石灰摻量為2%～4%時,固化鹽漬土的CBR值隨生石灰摻量的增加而增加,當生石灰摻量超過4%時,固化鹽漬土的CBR值在30%左右波動;加入粉煤灰后改良鹽漬土的CBR值有所增加,生石灰與粉煤灰以1∶1的比例摻入鹽漬土時,隨著兩者摻量的增加,固化鹽漬土的CBR值曲線呈波動型增加趨勢,當生石灰與粉煤灰以1∶2的比例摻入鹽漬土時,隨著兩者摻量的增加,固化鹽漬土的CBR值曲線呈上升趨勢,生石灰摻量超過6%后呈下降趨勢,這是因為過多的粉煤灰存在于鹽漬土中,導致加固土體內部結構變得松散,且未形成一定的強度,局部抗剪強度變小,CBR值也隨之變小。

由圖5可知,水泥的加入可明顯提高固化鹽漬土的CBR值,且遠高于其他改良類型條件下固化鹽漬土的CBR值,最高可達88.5%。4%水泥摻量的固化鹽漬土CBR值明顯高于2%水泥摻量的固化鹽漬土CBR值,且并沒有因為過量粉煤灰的摻入而導致CBR值減小,究其原因,可能是因為水泥加入鹽漬土后硬凝反應生成了強度較高的結構骨架,更大程度地限定了固化鹽漬土中固體顆粒(包括鹽漬土固體顆粒及未反應的粉煤灰顆粒)的移動,可有效改善過量粉煤灰造成的鹽漬土土體內部松散問題,提高鹽漬土的局部抗剪強度,提高固化鹽漬土的CBR值。

由表3和圖6可知,改良后固化鹽漬土的膨脹率相對于鹽漬土素土的膨脹率有所減小,但固化后鹽漬土膨脹率整體呈隨改良劑摻量增加而增加的趨勢,造成這種增加趨勢的原因可能是隨著生石灰和粉煤灰含量的增加,過量的粉煤灰和生石灰在泡水階段繼續與水反應,生成蜂窩狀結構產物,吸水性增強,導致土體膨脹,這也是改良劑超過一定閾值后固化鹽漬土CBR值減小的原因。水泥的加入可明顯改善此原因引起的土體膨脹,且水泥摻量越多,改良效果越明顯。

圖6 固化鹽漬土膨脹率變化規律曲線Fig.6 Curve of expansion rate of solidified saline soil

改良后的固化鹽漬土CBR值均滿足鹽漬土作為路基填料的要求,但固化鹽漬土中生石灰和粉煤灰與水反應的膨脹性不可忽略,因此建議生石灰和粉煤灰摻量控制在6%以下,水泥水化結構對生石灰和粉煤灰與水產物起到限定作用,基于本試驗建議水泥摻量為2%～4%。

2.3 水的作用下固化鹽漬土穩定性分析

2.3.1干濕循環

干濕循環作用后固化鹽漬土外觀形態變化如圖7所示。試驗過程中未改良鹽漬土在第1次干濕循環浸水階段已完全崩解。由圖7可知,固化鹽漬土在經歷60次干濕循環后,未發生強烈的崩解現象,僅表面出現一些掉皮掉塊。

圖7 干濕循環60次后固化鹽漬土形態變化Fig.7 Morphological changes of cured saline soil after 60dry-wet cycles

其中改良劑產量較低的A1和B1試件表面在干濕循環條件下表面破壞嚴重,如圖8所示。由圖8a可知,A1,B1兩試件質量損失較多,C1表面破壞程度次之,摻加有水泥的固化鹽漬土D1和E1的破壞程度較低,形態較完整;改良劑摻量較高的A5,B5,C5,D4和E4試樣破壞程度較低,試件完整程度相對較高,這5個試件質量損失較小。

圖8 干濕循環試驗結果Fig.8 Results of dry and wet cycle test

由圖8a可知,干濕循環30次和50次后固化鹽漬土出現質量突變現象。試件A1,B1和C1的質量隨干濕循環次數的增加呈明顯下降趨勢,說明生石灰和粉煤灰低摻量的固化鹽漬土抵抗干濕循環的能力相對較差;加入水泥后的試件D1和E1隨干濕循環次數的增加質量減小較少,可見鹽漬土摻入水泥后可明顯改善干濕循環的極端環境對固化鹽漬土穩定性的影響。由圖8b可知,經過60次干濕性循環,固化鹽漬土的質量損失率隨生石灰含量的增加而減小,質量損失率趨于穩定在1%左右,遠小于其他改良試驗組,因此水泥摻量為4%時,控制生石灰和粉煤灰的摻量大于4%,能達到較好的改良效果。經過生石灰、粉煤灰和水泥三摻條件下的固化鹽漬土,其質量損失率較低,且隨改良劑摻量的增加,固化鹽漬土的質量損失變化不明顯,可有效改善鹽漬土性質。

2.3.2水穩性

未經改良的鹽漬土試件泡水僅12h(見圖9),試件完全崩解成細小顆粒,無法測其強度,水穩性極差。經過改良后的固化鹽漬土浸水24h后,試件外觀并未出現明顯變化,完整性較好。

圖9 A0浸水24hFig.9 A0 immersed in water for 24h

水穩性試驗結果如圖10所示,由圖10可知,未浸水的固化鹽漬土無側限抗壓強度(q0)明顯高于浸水后固化鹽漬土的無側限抗壓強度(qi),qi與q0的比值定義為水穩系數K:

圖10 水穩性試驗結果Fig.10 Results of water stability test

(1)

由圖10可知,改良條件下,固化鹽漬土的水穩系數均在50%左右,而素鹽漬土的水穩系數則為0。控制生石灰摻量相同時,不同改良類型固化鹽漬土的水穩系數由大到小為:生石灰+粉煤灰+水泥固化鹽漬土>生石灰+粉煤灰固化鹽漬土>生石灰固化鹽漬土>素鹽漬土。改良劑的加入,使鹽漬土顆粒之間形成更堅固的聯結,能明顯提高鹽漬土的水穩性。

經過24h浸水,固化鹽漬土的無側限抗壓強度有所降低,水穩系數在50%左右,相比于素鹽漬土,生石灰+粉煤灰+水泥聯合固化方法對濱海鹽漬土水穩性已經有明顯的改善,可以用于工程應用中。

綜合試驗結果,建議在該類鹽漬土地區的路基建設過程中,合理采用生石灰+粉煤灰+水泥聯合固化的方法改良濱海鹽漬土。根據本次試驗結果,針對相似地區鹽漬土的改良,推薦改良劑最優摻量組合為:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。

3 結語

1)隨著改良劑摻量的增加,固化鹽漬土的最優含水率呈上升趨勢,且均高于素土,最高可達16.2%;最大干密度呈下降趨勢,且均低于素土。

2)改良后的固化鹽漬土CBR值均明顯高于CBR值為2.2%的素土。當生石灰摻量超過4%后,單一生石灰固化鹽漬土的CBR值穩定在30%左右;而雙摻條件下固化鹽漬土的CBR值隨著生石灰摻量的增加呈先增加后減小的趨勢,存在一個閾值;水泥加入使固化鹽漬土的CBR值明顯增加,最高達88.5%。固化鹽漬土的膨脹率隨改良劑摻量的增加而增加,但整體趨勢低于素土。

3)干濕循環作用下,固化鹽漬土試件僅表面出現破壞現象,整體未發生明顯崩解。固化鹽漬土試件質量隨干濕循環次數的增加逐漸降低,改良劑產量越少,質量損失越多,隨著改良劑摻量的增加,經過60次干濕循環后各試件質量損失率穩定在1%左右。生石灰+粉煤灰+水泥聯合改良的鹽漬土在60次干濕循環后試件的完整程度較高,質量損失率較低。

4)固化鹽漬土的水穩系數均在50%左右波動,不同改良類型條件下固化鹽漬土水穩系數由大到小為:生石灰+粉煤灰+水泥固化鹽漬土>生石灰+粉煤灰固化鹽漬土>生石灰固化鹽漬土>素鹽漬土。

5)綜合改良后鹽漬土的路用性和水穩性試驗結果,建議改良劑最優摻量組合為:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。