凍融作用下水泥改良鹽漬土物理力學性質研究

曾平江

(郴州市公路橋梁有限責任公司，湖南 郴州 423000)

鹽漬土屬于特殊土，其工程性質不穩定，易受周圍水、溫度、鹽等環境條件的影響，難以滿足路基填筑要求；同時在反復凍融作用下，其密度、強度、滲透性等物理力學性質降低，致使路基出現凍脹翻漿、裂縫、沉陷及不均勻沉降等病害。為保證路基施工質量，提高路基穩定耐久性，需對天然鹽漬土進行改良處治。Anca Hotineanu等研究了凍融作用下石灰改良土300 d凍脹率和抗壓強度變化規律；楊西鋒等對改良鹽漬土的方法及機理進行總結，提出了綜合固化方法；李作恒對石灰改良鹽漬土填料的物理力學性質進行了研究；陳雪峰認為濱海地區鹽漬土摻水泥后，其力學強度和水穩定性滿足路基填料技術要求；余云燕、張登武等研究了固化劑對鹽漬土無側限抗壓強度的影響，結果表明水泥改良土強度增長顯著；劉靖分析了電石灰對鹽漬土力學性能和耐久性的影響；張彧分析了不同溫度條件下含水率對鹽漬土抗剪強度的影響；張明俊的研究表明石灰摻量大于5%時，鹽漬土的抗壓強度與水穩定性良好。當前研究主要集中于改良鹽漬土力學強度，對凍融作用下改良鹽漬土物理性質變化規律及含鹽量對改良土力學強度影響的研究較少。該文以吉林某路基工程為依托，分析凍融作用下水泥改良鹽漬土物理力學性質的改變。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

鹽漬土土樣取自松嫩平原西部，取土深度為1.6 m，其物理性質和易溶鹽含量見表1、表2。水泥采用32.5級礦渣硅酸鹽水泥，其技術性質見表3。

表1 土樣的物理性質

表2 土樣易溶鹽含量

表3 水泥技術性質

1.2 試驗方案

根據JTG E51-2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》重型擊實試驗甲法確定的最佳含水率，按96%壓實度采用擊實法成型φ39.1 mm×80 mm改良土試件。將成型試件用保鮮膜包裹，放入溫度(20±2) ℃、濕度95%以上的標準養護室進行養生。養生后，參照工程所在地區冬季氣溫變化范圍，選用凍融箱對試樣進行凍結，溫度設為-20 ℃，凍結12 h；選用恒溫恒濕養護箱對試樣進行融化，溫度設為12 ℃、濕度為60%，融化12 h。此為一次凍融循環。試驗中，若試樣質量損失超過5%，則停止試驗。試件達到凍融次數后，依次進行凍脹率試驗、無側限抗壓強度試驗和顆粒組成試驗，分析水泥劑量、含鹽量、養生方式對凍融作用下改良鹽漬土凍脹率、顆粒組成和無側限抗壓強度的影響。

結合當地地理環境、土樣易溶鹽總量和化學成分，水泥劑量取0、3%、4%、5%、6%和8%，含鹽量取0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，凍融次數為0、1、3、5、7、9、12、15、20次，養生方式為標準養生室養生和室外風干養生，室外風干養生試件不用保鮮膜包裹。不同含鹽量的土樣通過向洗過鹽的天然鹽漬土中添加NaHCO3的方式制得。

2 試驗結果分析

2.1 凍脹率

凍融作用下水泥改良鹽漬土凍脹率試驗結果見圖1。試驗土樣為天然鹽漬土。

圖1 水泥改良鹽漬土凍脹率試驗結果

由圖1可知：同一水泥劑量下，水泥改良鹽漬土的凍脹率隨凍融次數增加逐漸增大，且凍融9次后凍脹率逐漸趨于穩定，3%、4%、5%、6%、8%水泥劑量改良土凍融9次后凍脹率比凍融1次后凍脹率分別增加0.33%、0.28%、0.27%、0.17%、0.14%、0.09%；隨水泥劑量增加，改良土的凍脹率逐漸減小，與天然鹽漬土相比，3%、4%、5%、6%、8%水泥劑量改良土凍融9次后凍脹率分別減小31%、54%、71%、87%、91%。說明凍融作用下素鹽漬土受凍脹作用明顯，隨水泥劑量增加，改良土經歷相同凍融次數后凍脹率增長幅度逐漸減小，可有效改善土體穩定性。這是因為水泥水化產物與土粒發生膠結作用，形成土體骨架；同時水化產物填充土粒間孔隙，使孔隙直徑減小，阻礙水分的遷移和冰晶體的發展，隨水泥劑量增加，改良土凍脹率減小。

2.2 粒度成分

凍融作用下水泥改良鹽漬土粒度分布見圖2、圖3。試驗土樣為天然鹽漬土。

圖2 凍融次數與改良鹽漬土粒度成分的關系

圖3 水泥劑量與凍融作用下改良鹽漬土粒度成分的關系

由圖2～3可知：1) 對于同一種水泥改良鹽漬土，凍融作用下不同水泥劑量改良土顆粒含量變化規律相近，隨凍融次數增加，砂粒與黏粒含量逐漸減小，粉粒含量逐漸增大，且改良土凍融9次后顆粒含量逐漸趨于穩定。水泥劑量≥3%時，與未凍融改良土相比，改良土凍融9次后，砂粒和黏粒含量分別減小13.9%、3.4%，粉粒含量增加7.7%；改良土凍融20次后，砂粒和黏粒含量分別減小16.3%、3.6%，粉粒含量增加9.2%。表明凍融作用對改良土不同顆粒含量影響效果不同，其中砂粒含量受凍融循環作用的影響較大。2) 同一凍融次數下，鹽漬土摻入水泥后，砂粒含量大幅增加，粉粒含量大幅降低。這是由于水泥水化產物與黏土顆粒發生膠聚作用，使顆粒粒徑增大，黏粒含量顯著降低。另外，不同凍融次數的改良土顆粒含量隨水泥劑量增加變化趨勢基本一致，水泥劑量≥3%時，隨水泥劑量增加，改良土砂粒含量逐漸增大，粉粒和黏粒含量逐漸減小；水泥劑量由3%增加到8%時，改良土凍融1、9、15、20次后砂粒含量分別增大26.9%、40.7%、38.5%、38.4%左右，粉粒含量分別減小4.2%、8.7%、8.0%、8.0%左右，黏粒含量分別增大34.3%、20.6%、15.4%、13.1%左右。水泥劑量對改良土砂粒含量的影響最大，對粉粒含量的影響不顯著。

2.3 無側限抗壓強度

2.3.1 水泥劑量的影響

不同凍融次數下水泥劑量對改良鹽漬土抗壓強度的影響見圖4。試驗土樣為天然鹽漬土。

圖4 凍融作用下水泥改良鹽漬土的抗壓強度

由圖4可知：1) 隨凍融次數增加，水泥改良鹽漬土抗壓強度減速先快后慢，凍融9次后抗壓強度逐步趨于穩定。與未凍融改良土相比，凍融20次后各水泥劑量改良土的抗壓強度分別降低65.4%、67.2%、50.8%、31.1%、26.6%、34.3%，說明多次凍融作用使素鹽漬土及3%、4%水泥劑量改良土的抗壓強度顯著降低。2) 同一凍融次數下，隨水泥劑量增加，改良土的抗壓強度逐漸增大，水泥劑量<6%時，改良土的抗壓強度增速明顯，水泥劑量每增加1%，抗壓強度至少提高104%；水泥劑量≥6%時，改良土的抗壓強度增速逐漸減小，水泥劑量由6%增加至8%，抗壓強度平均提高17.7%。

2.3.2 含鹽量的影響

凍融作用下含鹽量對改良鹽漬土抗壓強度的影響見圖5。水泥改良土凍融作用次數為9次。

圖5 凍融作用9次下含鹽量與水泥改良鹽漬土抗壓強度的關系

由圖5可知：凍融作用下，水泥改良鹽漬土的抗壓強度隨含鹽量增加呈線性減小，線性相關系數大于0.96。含鹽量由0增加至2.0%時，4%、5%水泥劑量改良土的抗壓強度分別減小62.5%、54.6%。含鹽量為0.5%時，4%、5%水泥劑量改良土凍融9次后的抗壓強度分別為308.89、727.61 kPa，比含鹽量2.0%的同水泥劑量改良土分別提高100%、98%，說明含鹽量對改良土抗壓強度的降低幅度顯著高于凍融作用的影響。另外，水泥劑量由4%增加至5%，改良土抗壓強度平均提高134%，說明水泥對鹽漬土抗壓強度有明顯改良效果。

2.3.3 養生方式的影響

養生方式對凍融作用下水泥改良鹽漬土抗壓強度的影響見圖6。試驗土樣為天然鹽漬土。

圖6 養生方式與凍融作用下水泥改良鹽漬土抗壓強度的關系

由圖6可知：同一水泥劑量下，標準養生和室外風干改良鹽漬土試件的抗壓強度隨凍融次數增加變化規律一致，凍融9次后抗壓強度逐漸減小至穩定值，標準養生的4%、5%水泥劑量改良土的抗壓強度分別為室外風干同劑量改良土抗壓強度的1.17、1.12倍。這是因為改良土在風干條件下養生，水分較易散失，使孔隙增大，強度降低。

3 結論

(1) 凍融作用下水泥改良鹽漬土的物理力學性質劣化。隨凍融次數增加，改良土凍脹率和粉粒含量增大、砂粒含量和無側限抗壓強度降低，凍融9次后物理力學性質趨于穩定。

(2) 同一凍融次數下，隨水泥劑量增加，改良鹽漬土的凍脹率逐漸減小，比天然鹽漬土減小31%～91%；天然鹽漬土摻入水泥后，砂粒含量大幅增加，粉粒含量大幅降低，且水泥劑量對砂粒含量的影響明顯，水泥劑量由3%增加至8%，凍融作用下砂粒含量至少增大26.9%。

(3) 凍融作用對3%、4%水泥劑量改良鹽漬土抗壓強度的降低效果明顯，相比未凍融改良土，凍融20次改良土的抗壓強度平均降低66.3%；水泥劑量<6%時，水泥對鹽漬土抗壓強度的提升效果顯著，水泥劑量每增加1%，抗壓強度至少提高104%。

(4) 同一水泥劑量下，凍融作用下水泥改良鹽漬土的抗壓強度隨含鹽量增加呈線性減小，且含鹽量對改良土抗壓強度的降低幅度顯著高于凍融作用的影響，抗壓強度約降低49.6%；標準養生改良土的抗壓強度高于室外風干改良土，約為1.15倍。