水泥土加固鹽漬化軟土的強度影響因素與機理分析

彭志皓 張武東 高長軍 田 磊

（1.中鐵城市發展投資集團有限公司，四川 成都 610000；2.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001；3.中鐵三局集團第四工程有限公司，北京 102300；4.長安大學，陜西 西安 710064）

0 引言

在我國鹽漬土種類繁多，其廣泛分布于內陸與濱海的干燥地區[1]，當其含水率超過一定界限，則成為具有鹽漬土與軟弱土雙重工程性質的鹽漬化軟弱地基。鹽漬化軟弱地基在處治過程中，大多以借鑒軟土的處治方法為主，治理效果依地理地質環境而各有不同。目前評價水泥土處治鹽漬土路基效果的研究[2-3]已屢見不鮮，鹽漬化水泥土強度影響因素的研究也逐步深入[4-5]，但將水泥土強度影響因素與固化機理相結合的研究還相對較少。因此，本文針對水泥土加固鹽漬化軟土強度的影響因素與機理進行分析，為相關課題的研究提供參考。

1 試驗檢測

新疆若羌至民豐高速公路建設之初，現場取樣對其項目所在區域路基土體的基本物理力學性質進行檢測；針對地基特有的鹽漬化軟弱問題，在考慮經濟、便捷、有效提高地基承載力與控制鹽脹變形的基礎上，提出采用半剛性水泥土板層處治技術方案（見圖1所示），并對水泥土加固鹽漬化軟基強度的影響因素與機理進行分析。

圖1 水泥土處治鹽漬化軟基示意圖

在工程現場選取兩個坑位取土，分別標記為1號取樣點與2號取樣點，在室內對其易溶鹽含量、液塑限指標、級配組成進行檢測，相關試驗結果如表1～表3所示。

表1 易溶鹽含量與分類

表2 液塑限指標

表3 顆粒級配試驗

2 試驗方案與結果分析

2.1 鹽分含量對水泥土強度的影響

2.1.1 含鹽量對水泥土強度影響機理

有關水泥與鹽漬土的作用機理，已有不少學者對其進行了深入研究[6]。根據水泥水化反應的化學方程式，可知實際參與反應的離子主要包括：Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO4

2-、OH-、Al3+等，因此可將鹽分含量較高時水泥土處治效果減弱的機理歸納為3個原因，分別為：硫酸鹽的反應、鎂鹽的反應、氯鹽的反應。

（1）硫酸鹽的反應。

鹽漬化軟弱地基中含有的硫酸鹽會與水泥中的鈣離子反應生成石膏，石膏在孔隙中往往會產生體積膨脹，進而產生膨脹力，其會對處治完成的地基土產生破壞作用。此外，反應生成的石膏還會與水化鋁酸鈣反應生成三硫水化硫鋁酸鈣，減少土體中所含自由水分的同時，使得體積進一步膨脹，產生的膨脹力亦會對地基土體產生破壞作用。因此，當硫酸鹽含量適宜時，由于膨脹會使得土體更加密實與緊湊，但硫酸鹽含量過多時，就會產生過度的膨脹破壞。

（2）鎂鹽的反應。

當土體中含有硫酸鎂與氯化鎂時，易與水泥產生的氫氧化鈣反應生成石膏（硫酸鈣）與氫氧化鎂，其中，石膏的膨脹作用在前已有闡述，氫氧化鎂則因其本身材質的柔軟與弱膠結性而使得加固土強度減弱。因此，可知鎂鹽對鹽漬化軟弱土的加固存在雙重侵蝕作用。

（3）氯鹽的反應。

若土體中含有較多的氯化物時，易與水泥產生的氫氧化鈣反應生成氯化鈣，因此也會使得加固土的強度減弱。但另一方面，由于反應生成的氯離子會溶解硫鋁酸鈣，一定程度上也會減弱膨脹，從而減少對地基土的破壞作用。

2.1.2 試驗方案

為探究鹽分含量對水泥加固硫酸鹽類軟土強度的影響，以32.5級水泥摻量10%（質量比）為不變因子，設計鹽分含量為1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%（質量比）的水泥硫酸鹽漬加固土，養護齡期分別為7d、14d、28d，對養護后的試樣進行無側限抗壓強度試驗。

2.1.3 結果分析

通過對不同含鹽量、不同齡期水泥硫酸鹽漬土的無側限抗壓強度試驗，可以得到如下的對應關系圖，見圖2所示。

圖2 無側限抗壓強度與含鹽量關系圖

由圖2可以看出，隨著齡期的增加，其強度逐漸增加，但其強度增長速率逐漸減弱；在齡期與水泥摻量相同的情況下，水泥硫酸鹽漬土的無側限抗壓強度隨著含鹽量的增加呈現先增加后減小的變化趨勢，具體從初值→峰值→末值的強度趨勢來看：當其為7d齡期時，從1.07MPa→1.27MPa→1.15MPa；當其為14d齡期時，從1.77MPa→2.23MPa→2.01MPa；當其為28d 齡期時，從2.22MPa→2.78MPa→2.52MPa；其均存在峰值點，且峰值點均為3.5%的含鹽量處。這一發現對于水泥土處治硫酸鹽漬化軟弱地基意義較大，意味著采用水泥處治硫酸鹽漬化軟弱地基方案時，原地基土體鹽分含量不宜太高，否則難以取得預期效果。如若鹽分確實較高，可選用一些抗硫酸鹽水泥、礦渣類水泥、外摻劑等提高水泥土強度。

2.2 水泥含量對水泥土強度的影響

2.2.1 試驗方案

為探究水泥含量對水泥加固硫酸鹽類軟土強度的影響，以天然鹽分含量為不變量，設計水泥含量為6%、8%、10%、12%、14%（質量比）的水泥硫酸鹽漬加固土，養護齡期分別為7d、14d、28d，對養護后的試樣進行無側限抗壓強度試驗。

由于水泥遇水會立刻發生水化反應，其強度逐漸增加，因此在摻配不同比例的水泥并拌合后，立刻進行擊實試驗而不考慮齡期的影響，可以得出如下關系圖，見圖3所示。

圖3 擊實試驗曲線圖

2.2.2 結果分析

根據擊實試驗曲線圖可以看出，隨著水泥摻合比的不同，水泥硫酸鹽漬土的最大干密度與最佳含水率呈現上下擺動趨勢，并無明顯規律，但其波動數值都較小。其中水泥摻和比為10% 時，最大干密度值最大，為1.95g/cm3；水泥摻和比為8%時，最佳含水率最高，為12.6%；綜合上述條件，可考慮采用水泥摻和比為10%進行鹽漬土軟基處治，此時最大干密度最大，但需水量較小。

通過對不同水泥摻量、不同齡期水泥硫酸鹽漬土的無側限抗壓強度試驗，可以得到如下的對應關系圖，見圖4所示。

對圖4進行分析可知，隨著齡期的增加，其強度逐漸增加，且其強度增長速率也逐漸增加；在齡期與含鹽量相同的情況下，水泥硫酸鹽漬土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量的逐漸增加，呈現出先快速增加后緩慢增加最后又快速增加的變化趨勢，對其不同的三個增長速度階段進行劃分，可選擇三個重要的“代表點”進行分析，如圖中28d處的A、B、C三點，即：A→B→C；當其為7d齡期時，從1.09MPa→1.8MPa→2.7MPa；當其為14d齡期時，從1.23MPa→2.08MPa→3.12MPa；當其為28d 齡期時，從2.33MPa→4.73MPa→5.63MPa。此外，同一齡期對比谷值A點與峰值C點（即6%水泥摻量與14%水泥摻量），可知：7d齡期的水泥土無側限抗壓強度共增加1.61MPa；14d齡期的水泥土無側限抗壓強度共增加1.89MPa；28d齡期的水泥土無側限抗壓強度共增加3.3MPa；7d齡期與14d齡期的水泥硫酸鹽漬土無側限抗壓強度增長量相近，28d齡期的增長量較前兩者更大，這表明采用32.5級水泥在硬化初期起到了緩慢凝固的作用，即為現場水泥土處治鹽漬化軟弱地基提供了較為寬裕的作業時間。

圖4 無側限抗壓強度與水泥摻量關系圖

3 結束語

綜上所述，水泥土處治軟弱鹽漬化地基時，地基土體的含鹽量應在3.5%以內，否則應當采用一些抗硫酸鹽水泥、礦渣類水泥、外摻劑等提高水泥土強度。

從凝固時間、水泥摻量對鹽漬土的固化強度等角度綜合考慮，加固的水泥宜采用32.5級普通硅酸鹽水泥，其摻量為10%。

鹽分含量較高時水泥土處治效果減弱的機理可歸納為：硫酸鹽的反應、鎂鹽的反應、氯鹽的反應。