天然強氯鹽漬土鹽—凍脹性試驗研究

那姝姝

0 引言

鹽漬土地基的鹽—凍脹一般分為兩類:結晶鹽—凍脹和非結晶鹽—凍脹。結晶鹽—凍脹是指鹽漬土因溫度的減小或鹽漬土土體含水率的減小，使溶解在鹽漬土孔隙中的鹽溶液濃縮，并析出、結晶造成鹽漬土土體體積膨脹，硫酸鹽漬土具有這種代表性;非結晶鹽—凍脹是因為親水性比較強的吸附性陽離子在鹽漬土中大量存在，大量陽離子遇水后和膠體顆粒之間互相作用，使黏土顆粒與膠體顆粒的周圍產生較穩定的強結合水薄膜，導致顆粒間的粘聚力減小，顆粒間相互分離，造成土體體積膨脹，碳酸鹽漬土具有這類代表性［1］。

鹽漬土的鹽—凍脹作用是鹽漬土中硫酸鈉的含量、黏土礦物含量、含水率、溫度、土密實度等因素綜合作用的結果［2］。自然條件下硫酸鈉的存在形式受溫度、含水率的影響較大，在土體溫度或含水率變化時，同一鹽漬土地層中硫酸鈉的存在形式會相互轉化。隨著季節的交替，鹽漬土溫度或濕度的變化使鹽漬土表現出不同的性質，引起建筑地基的膨脹與沉降建筑的開裂，道路開裂等危害。為了預防鹽漬土對建筑物及道路產生的鹽—凍脹破壞，研究鹽漬土的鹽—凍脹規律，有著非常重要的意義。

1 鹽—凍脹性試驗

試驗選取天然強氯鹽漬土為研究對象，考慮了不同含水率和不同干密度對鹽漬土鹽—凍脹力的影響，試驗在不同含水率和不同干密度條件下進行。

1．1 試樣制備

試驗研究對象選取天然強氯鹽漬土，取土深度約1．0 m～1．5m。鹽漬土含鹽量約6．0%，土的類型以粉土為主，屬于細粒土，且粒徑較均勻，由室內擊實試驗獲得鹽漬土的最大干密度約1．90 g/cm3，最優含水率約 13．0%。

試驗采用室內試驗，采用風干土樣加無離子水，在室溫充分拌勻后裝入塑料袋密封(24 h)［3］。待試樣水分充分均勻后，采用擊實試驗將土分三層直接擊實到環刀中(擊實過程中做到土樣密度的均勻性)，擊到試驗所需的干密度。

1．2 試驗方法

向試驗儀器中依次放置透水石、塑料紙、護環、環刀、量力環、帶孔有機玻璃板、百分表，使玻璃板與百分表良好接觸(為避免試驗裝置在冰箱降溫過程中結霜對試驗造成大的誤差，在量力環、帶孔玻璃板的側壁及百分表的推桿上薄薄的涂一層凡士林)。開始凍融循環試驗［4，5］。

2 試驗結果分析

2．1 不同初始含水率的土樣，其累加鹽—凍脹率隨凍融循環次數變化的規律

在不同含水率下隨凍融循環次數的增加，土樣的累加鹽—凍脹率的變化規律見圖1～圖3。從圖中可知，隨著凍融循環次數的遞增，所有土樣的累加鹽—凍脹率都不斷增大;凍融循環過程中，含水率為13%(即最優含水率)的土樣累加鹽—凍脹率最大。土樣中的鹽溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是產生鹽—凍脹率的主要組成部分［5］。土樣孔隙中的硫酸鈉溶液隨溫度的降低硫酸鈉吸水結晶，硫酸鈉需吸收10個H2O由Na2SO4轉變為Na2SO4·10H2O。Na2SO4變成Na2SO4·10H2O結晶體所需要的水分約為Na2SO4重量的1．27倍。含水率為10%的土樣孔隙中的鹽溶液濃度最大，含水率13%的土樣次之，含水率16%的土樣硫酸鈉溶液濃度最小。由孔隙比公式我們知道，土樣干密度相同時，孔隙比也相等，即孔隙體積相同。含水率為10%的土樣水分含量最少，且硫酸鈉溶液主要存在于孔隙中，生成的Na2SO4·10H2O大部分充填在孔隙中，土樣體積膨脹量小，土樣的鹽—凍脹量小。由于含水率為16%的土樣Na2SO4溶液濃度小，在前5次凍融循環過程中析出的Na2SO4·10H2O晶體最少，土樣的鹽—凍脹率最小。含水率為13%的土樣硫酸鈉溶液主要處于土粒接觸間，溫度降低過程中產生的硫酸鈉結晶主要處于土粒接觸間，土樣鹽—凍脹率大，所以隨凍融次數的遞增，含水率為13%的土樣累加鹽—凍脹率最高。

圖1 干密度為1.46 g/cm3的土樣變化曲線

圖2 干密度為1.56 g/cm3的土樣變化曲線

從圖1～圖3中還可以得出，含水率為10%的土樣在前3次凍融循環時鹽—凍脹量增長率較高，4次凍融循環后，鹽—凍脹增量減小，鹽—凍脹率增長速度減緩。這是因為前3次凍融循環過程中大部分水分子被硫酸鈉吸收結晶，土樣中僅剩余少部分水分，且隨土樣融化次數的增加土樣含水率不斷減小，所以在3次凍融循環之后產生的Na2SO4·10H2O逐漸減少，即鹽—凍脹率增量降低。

圖3 干密度為1.66 g/cm3的土樣變化曲線

2．2 不同初始干密度的土樣，其累加鹽—凍脹率隨凍融循環次數變化的規律

不同干密度土樣的累加鹽—凍脹率隨凍融循環次數變化的規律見圖4～圖6，由圖可以得到，不同含水率、不同干密度的土樣經多次凍融循環作用，土樣隨凍融循環次數的遞增，累加鹽—凍脹量逐漸增大;相同含水率不同干密度的土樣，累加鹽—凍脹率相差很小。

圖4 含水率為10%的土樣變化曲線

圖5 含水率為13%的土樣變化曲線

圖6 含水率為16%的土樣變化曲線

土樣在凍融循環試驗時產生變形的過程可以分三個階段，第一階段——鹽脹，由于溫度的降低引起土樣冷縮，土中的硫酸鹽結晶體積膨脹，土樣冷縮與體積膨脹的共同作用造成土樣產生鹽脹;第二階段——鹽—凍脹，由于溫度降低水結冰，同時，土中的硫酸鹽結晶體積膨脹造成土樣產生鹽—凍脹;第三階段——融沉，隨溫度升高土樣內Na2SO4·10H2O晶體溶解、冰融化造成土樣體積減小，土樣產生下沉。綜上所述，土樣凍融循環時在一、二階段產生的體積膨脹，在第三階段時土樣體積均不能恢復為原土樣體積［5］。也就是說，在每次凍融循環后土樣體積都較上次大，隨凍融循環次數的遞增，土樣體積遞增即土樣累加鹽—凍脹量遞增，但最終土樣的累加鹽—凍脹率趨于穩定。

土樣中的鹽溶液處于孔隙中和土粒接觸間，處于土粒接觸間的鹽溶液是產生鹽—凍脹量的主要組成部分。含水率較最優含水率小時，土樣中的鹽溶液主要處于孔隙間，凍融循環時產生的硫酸鈉結晶主要處于孔隙間;含水率較最優含水率大時土樣中的自由水和毛細水含量增多，處于孔隙間的Na2SO4含量多，凍融循環時在孔隙間的Na2SO4·10H2O結晶含量大;土樣含水量為最優含水量時，土樣中的鹽溶液主要處于土粒接觸間，凍融循環時在土粒接觸間的Na2SO4·10H2O含量大。含水率相同的土樣，硫酸鈉結晶體所處位置相同，隨干密度的增加，累加鹽—凍脹率相差不大。含水率比干密度更能影響土樣的鹽—凍脹率，含水率為影響土樣鹽—凍脹率的主要因素。

3 結語

通過對強氯鹽漬土進行凍融循環試驗，可得到以下結論:

1)羅布泊強氯鹽漬土在每次的凍融過程中隨著溫度的不斷降低，土樣的鹽—凍脹率逐漸增大且漸趨于穩定。

2)相同干密度情況下，土樣的含水率為最優含水率時，其累加鹽—凍脹率達到峰值;當土樣含水率較小時，土樣的累加鹽—凍脹率隨含水率的增大而增加;當含水率超出土樣的最優含水率后，隨含水率的增大其累加鹽—凍脹率減小。

3)含水率比干密度更能影響土樣的鹽—凍脹率，含水率為影響土樣鹽—凍脹率的主要因素。

［1］徐攸在．鹽漬土地基［M］．北京:中國建筑工業出版社，1993:7-10．

［2］高江平．鹽漬土工程與力學性質研究進展［J］．力學與實踐，2011，33(4):1-7．

［3］雷華陽，張文殊，張喜發，等．超氯鹽漬土的工程特性指標研究［J］．長春科技大學學報，2001，31(1):70-73．

［4］馮忠居，烏延玲，成 超，等．板塊狀鹽漬土的鹽溶和鹽脹特性研究［J］．巖土工程學報，2010，32(9):1439-1442．

［5］王俊臣．新疆水磨河細土平原區硫酸(亞硫酸)鹽漬土填土鹽脹和凍脹研究［D］．吉林:吉林大學建設工程學院，2005:48-100．