鹽漬土鹽脹機理分析

【摘要】本文分析了硫酸鹽漬土鹽脹率隨含水量、硫酸鈉含量、初始干容重、溫度和CL―/SO42―五因素變化的規律。指出了含鹽量、含水量、初始密度對鹽脹影響程度不同且具有交互作用。對硫酸鹽漬土地區的基礎處理提供參考。

【關鍵字】硫酸鹽漬土，鹽脹率，影響因素

我國西北地區的新疆、青海、甘肅等地有大面積含鹽量較高的鹽漬土。鹽漬土的固相和液相組成和非鹽漬土不同，土中易溶鹽受溫度、含鹽量、含水量的影響可以以液相、固相、液相和固相混合形式存在。在四季氣溫周期性變化過程中， 鹽漬土中鹽分的遷移和聚集，反復結晶與溶解，使土的物理力學性質發生劇烈的變化，給這些地區的交通、工業與民用建筑帶來嚴重的危害。硫酸漬土中硫酸鈉結晶引起土體鹽脹和凍脹造成工程破壞的例子屢見不鮮，而隨著西部大開發的進一步深入，在鹽漬土上修筑的工程進一步增多，深入展開硫酸鹽漬土鹽脹及抑制技術研究為保證工程建筑安全運行有著十分重要的意義。

硫酸鹽漬土鹽脹隨含水量、硫酸鈉含量、初始干容重、溫度和Cl-/SO42-比值等因素的改變而變化，且有一定規律性[1]。分析硫酸鹽漬土的鹽脹在各因素影響下的變化規律，對防治建筑工程的鹽脹危害有重要指導意義。

1.含水量對鹽脹的影響

實驗研究表明[2]，硫酸鹽漬土最大膨脹值，基本上以該土的最佳含水量為界限，如圖1（試件最佳含水量為15%）。當土中含水量小于或大于此數值（不包括吸附水），膨脹量都有不同程度的降低。這是因為在最佳含水量時，容易達到最佳夯實密度，此時土的孔隙率較小，一旦發生鹽脹，土即隨之發生變形，而小于或大于最佳含水量時，土的夯實密度不易達到最佳密度，孔隙率相應較大，使鹽脹變形受到限制。

2. 含鹽量對鹽脹的影響

圖2表示了含鹽量對鹽脹的影響[3]。可以看出鹽脹率在含鹽量增加的最初顯著增大，隨后趨勢變緩。這是因為土體的鹽脹是土中硫酸鈉吸水結晶所致，因此，隨著土體中鹽分的增加，土體可能的鹽脹程度便會加大，但當鹽分增加到不能被土中水分完全溶解時，多余的鹽分將不直接參與鹽脹。

3. 初始干密度對鹽脹的影響

在相同含水量、含鹽量和降溫速率的條件下，最終鹽脹率起初隨初始干密度的變大而降低，當達到最小值以后，最終鹽脹率起初隨初始干密度的變大而增大，初始干密度與其最終鹽脹率的關系大致為倒二次拋物線型（如圖3）[3]，存在一個最低鹽脹值區間。試驗用的的硫酸鹽漬土最佳含水量為15.5%、最大干密度1.89g/cm3。從圖中四條曲線可以看出最佳含水量時硫酸鹽漬土膨脹值最大，符合上述含水量對鹽脹的影響規律。在最佳含水量曲線中，最小值點的初始干密度處于1.8g/cm3附近（該壓實干密度約為最佳干密度的95%），但當初始干密度為最佳干密度時鹽脹率急劇增加。

硫酸鹽漬土在初始干密度小于臨界值時，鹽脹量隨初始干密度增加而減小的鹽脹機理是：一方面土中水溶液的位置逐漸發生了變化，從粒間轉移到了孔隙中，使結晶體對土體的體積膨脹作用減小了；另一方面土粒間的約束力的增加，也對土體中晶體的膨脹起到了一定的限制作用，宏觀表現出隨著初始干密度的增加，鹽脹率下降。

當初始干密度超過臨界值時，鹽脹量隨初始干密度增加而增加的鹽脹機理是：當初始干密度超過臨界值后，孔隙基本被鹽溶液充滿，這時鹽脹的機制就發生了很大的變化。隨著溫度降低，孔隙中晶體析出，使得孔隙體積增大，土粒間的液體量增多；隨著溫度的進一步降低，土粒間開始結晶，造成土體體積膨脹。同時，孔隙中的晶體也有一部分向粒間發展，進一步加劇了土體鹽脹量。雖然這時土體的初始干密度增大，土粒間的相互約束力較大，但該約束力無法抵抗硫酸鈉晶體的鹽脹力，因而此時隨著初始干密度的繼續增加，鹽脹值不斷增大。

4.降溫過程中的鹽脹規律

將在不同含水量、含鹽量條件下拌合好的土樣按一定干密度成型并逐級降溫，分別測定每級溫度下的鹽脹率.試驗結果如圖4、圖5、圖6所示。

由此3個圖可以看出，隨著試件溫度的降低，鹽脹首先表現出較為緩慢的增長階段，而后，在一定的溫度范圍內則表現出較為劇烈的鹽脹過程。當試件溫度進一步降低時，土體鹽脹過程則表現出較為緩慢的增長，最后達到某一峰值.這一規律又因試樣的含水量、含鹽量及干密度的不同各有其特點。

對此規律可作如下解釋：

a. 隨著溫度的降低，最初鹽脹表現為緩慢的增長，是因為硫酸鈉溶解度降低，使土體中硫酸鈉溶液計算濃度大于硫酸鈉溶解度，溶液中的硫酸鈉結晶析出，又因為被Na2SO4·10H2O從溶液中帶走的水分還不是太多，所以硫酸鈉溶液濃度變化小、硫酸鈉結晶析出速度穩定；隨著硫酸鈉結晶析出，Na2SO4·10H2O從溶液中帶走大量的水分，硫酸鈉溶液濃度迅速變大、硫酸鈉結晶析出速度急劇增大，且土中固相體積增大4.18倍，故表現為劇烈的鹽脹過程。試樣凍結前土體產生的膨脹是鹽脹。

b. 隨著溫度進一步的降低，當土體達到凍結溫度時，土體中水開始結冰，體積膨脹1.09倍，土體中液態水含量減少，溶液中的硫酸鈉繼續結晶析出，但此時硫酸鈉結晶析出量已經很小， 故土體鹽脹過程表現為緩慢的增長。土體凍結后產生的膨脹是鹽脹和凍脹。

5 結束語

影響鹽漬土鹽脹率的因素很多，對鹽脹造成影響的主要因素有：含水量、含鹽量、初始干密度及溫度。含水量對鹽脹的影響是以該土的最佳含水量為界限，小于或大于此值時，膨脹量都有不同程度的降低。含鹽量對鹽脹的影響為：鹽脹率在含鹽量增加的最初顯著增大，隨后趨勢變緩。干密度與鹽脹率的關系大致為倒二次拋物線型，存在一個最低鹽脹值區間。其它條件相同的鹽漬土，在降溫時，鹽脹表現為先緩慢增長再劇烈增長，最后再趨緩慢。

參考文獻

[1]鐵道部第一勘測設計院. 鹽漬土地區鐵道工程[M].北京.中國鐵道出版社.1988.37 41

[2]李 芳，高江平.硫酸鹽漬土鹽脹與低層建筑[J].西安公路交通大學學報，1998（2）：25 27.

[3]楊麗英，李 斌. 氯與硫酸根比值對硫酸鹽漬土工程性質的影響[J].冰川凍土，1997（1）：84 89.