凍融-鹽蝕作用下氣泡混合土損傷試驗研究

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

新疆維吾爾自治區是我國鹽漬土面積最大的省份，鹽漬土面積達15.83 萬km2，其中包含大量的鹽漬軟土地區[1-3]。“一帶一路”倡議提出以來，以新疆為核心交通樞紐的絲綢之路經濟帶沿線公路基礎設施建設快速推進，越來越多的公路工程需要在鹽漬軟土地區建設。由于鹽漬軟土的承載力很低，且土中的鹽分會對路基路面材料和結構產生嚴重影響，易導致路基在車輛荷載的作用下產生嚴重的病害。研究表明，在新疆鹽漬軟土地區，公路路基病害類型主要包括溶陷、鹽脹、腐蝕、翻漿等[4-5]。針對上述路基病害，目前常用的處治方式不同程度地存在成本高、施工難、效果差等問題[6-7]。因此，亟需一種性價比高、適用性強且施工方便的路基處治方法。

氣泡混合土是以泡沫混凝土理論為基礎制備而成的一種新型填筑材料，具有輕質高強，抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性能好等優點[8-13]，適合用作新疆鹽漬軟土地區路基填筑材料，是解決新疆鹽漬軟土路基病害問題的一種可行方案。日本學者安原一哉等[14]通過試驗，分別對在空氣、河水、海水中以不同時間養護的氣泡混合土的力學性質進行研究，認為氣泡混合土的力學性質主要與其內部結晶物有關，進而通過X 射線衍射、CT掃描等手段對氣泡混合土內部結構進行研究，研究結果表明，在齡期較短時，空氣、河水、海水3 種養護方式下的氣泡混合土強度差別不大，齡期延長后，海水中養護的氣泡混合土的強度、剛度和密度都隨齡期延長而增大。我國學者陳忠平等[15-18]通過三軸壓縮試驗對氣泡混合土進行了試驗研究，結果顯示：試件的主應力強度隨圍壓大小而不同，低圍壓下強度隨圍壓增大而減小，高圍壓下強度隨圍壓增大而增大。總體而言，目前關于氣泡混合土的研究主要集中于對其力學性質及微觀結構的研究，針對氣泡混合土在寒冷地區鹽漬土環境下的耐久性及其破壞損傷規律的理論和應用研究很少。

新疆地區屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季高溫，且晝夜溫差極大。在新疆鹽漬土地區現場環境下，氣泡混合土路基要經受凍融循環和鹽侵蝕復合損傷作用，因此有必要研究氣泡混合土試件在凍融循環和鹽侵蝕復合作用下的損傷規律，為氣泡混合土在新疆地區的推廣應用提供理論依據。

1 試驗材料

（1）水泥

本試驗所用水泥為新疆天山水泥股份有限公司生產的42.5R 普通硅酸鹽水泥，其化學組成如表1所示，物理力學性能指標如表2所示。

表1 水泥的化學組成

表2 水泥的物理力學性能指標

（2）礦渣

本試驗采用河北靈壽縣騰巖礦產品加工廠生產的礦渣，其化學組成如表3 所示，物理力學性能指標如表4所示。

表3 礦渣的化學組成

表4 礦渣的物理力學性能指標

（3）發泡劑

試驗所用發泡劑是南京大野建筑節能科技有限公司生產的TY 復配發泡劑，主要由3 部分組成：濃縮型發泡劑、穩泡劑和雙氧水。

（4）風積沙

試驗所用風積沙取自新疆地區的沙漠戈壁荒灘，其主要性能指標如表5所示。

表5 風積沙的主要性能指標

（5）NaCl

試驗所用NaCl為廣東西隴化工有限公司生產的分析純NaCl。

2 試驗方案和方法

2.1 試驗方案

試驗選用不同膠凝材料配比（水泥和礦渣比例不同）的氣泡混合土試件，測試摻加礦渣對氣泡混合土耐久性的增強效果。具體試驗配合比如表6所示。

表6 氣泡混合土抗鹽侵蝕試驗的試件材料配合比

氣泡混合土試件成型后，分別進行凍融-鹽蝕復合損傷試驗和鹽侵蝕單獨作用（對比組）下的損傷試驗，經過特定凍融循環次數或特定齡期后，測試試驗前后氣泡混合土試件的厚度變化，得到試件的剝落厚度。繪制氣泡混合土試件剝落厚度隨鹽凍循環次數或侵蝕齡期的變化曲線，并擬合相應的關系式，預測氣泡混合土試件在長期損傷作用下的剝落情況。

2.2 氣泡混合土試件制作方法

試驗采用預制泡混合法制備氣泡混合土。首先將發泡劑與水按1∶40 的比例混合，不斷攪拌均勻后倒入發泡機的溶液箱，之后在混凝土攪拌機中加入按比例稱量的水泥、礦渣、風積沙等材料攪拌均勻，然后開始發泡，同時攪拌機高速旋轉混合泡沫和漿體溶液，直至泡沫均勻分散于漿體中且漿面看不到漂浮的泡沫時，即可開始澆筑。采用10cm×10cm×10cm 的立方體試模，成型1d后脫模，然后按照相應試驗要求進行養護。

2.3 氣泡混合土試件鹽侵蝕試驗方法

按照表6中的配合比分別成型兩組試件。第1組試件成型脫模后直接放入濃度為15%的NaCl溶液中，第2 組試件成型脫模后經包裹彩條布處理后再放入濃度為15%的NaCl溶液中。浸泡至預定齡期后，測量試件的剝落厚度，以此來評價氣泡混合土試件受氯鹽侵蝕后的損傷程度。

2.4 氣泡混合土試件鹽凍破壞試驗方法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）[19]中混凝土抗凍試驗“慢凍法”進行氣泡混合土試件的鹽凍試驗。凍融循環介質采用濃度為15%的NaCl 溶液，每個鹽凍循環冷凍時間為12h，溫度保持在-20～-18℃，冷凍過程結束后將試件放入溫度為18～20℃的水中融化12h，融化完成后即可進入下一次循環，且每次冷凍和融化時，翻轉試樣使其均勻凍融。

2.5 氣泡混合土試件的剝落厚度測量方法

氣泡混合土試件的厚度測量方法為：選取氣泡混合土試件的一個側面，在兩條對角線上各取5 個點（如圖1 所示），共9 個點，采用游標卡尺分別測量試件浸泡前后各點的高度，計算出高度差，去掉1個最大值和1個最小值后計算7個高度差的平均值，即為該試件的剝落厚度。

圖1 氣泡混合土試件高度測量點示意圖

3 試驗結果分析

3.1 氣泡混合土試件在鹽侵蝕單獨作用下的剝落厚度

試驗測得氣泡混合土試件在鹽溶液中浸泡不同齡期后的剝落厚度如圖2所示。

圖2 鹽侵蝕單獨作用下氣泡混合土試件的剝落厚度

由圖2 可以看出：完全由水泥作為膠凝材料的試件BJ5-1 的剝落厚度最大，試件BJ5-4 次之，而完全由礦渣作為膠凝材料的試件BJ5-6 的剝落厚度最小。例如，外包裹彩條布的試件侵蝕540d時，試件BJ5-1的剝落厚度為1.66mm，試件BJ5-4的剝落厚度為0.52mm，比試件BJ5-1 降低了68.7%，而試件BJ5-6 的剝落厚度僅為0.08mm，比試件BJ5-4 又降低了84.6%。以上試驗結果表明：在氣泡混合土試件中摻加礦渣能夠顯著增強試件的抗鹽侵蝕能力。

對比圖2（a）和圖2（b）中配合比相同、防腐措施不同的氣泡混合土試件的剝蝕厚度可以看出：采取防腐措施后，氣泡混合土試件的剝落厚度明顯減小。例如，對試件BJ5-4 而言，未采取防腐措施的情況下，侵蝕180d 的剝落厚度為0.74mm，侵蝕540d 的剝落厚度為1.12mm；而外包裹彩條布的試件侵蝕180d 的剝落厚度為0.36mm，侵蝕540d 的剝落厚度為0.51mm，均比未采取防腐措施的試件減小了50%以上。

為了預測更長侵蝕齡期條件下氣泡混合土試件的剝落厚度，采用回歸分析的方法擬合試件的剝落厚度與侵蝕齡期間的關系，并得到相應的擬合關系式，具體如下：

（1）未采取防腐措施的試件（BJ5-1,BJ5-4,BJ5-6），其剝落厚度與侵蝕齡期間的擬合關系式分別為式（1）～式（3），擬合優度R2分別為0.987,0.956和0.934。

式（1）～式（3）中：y為試件剝落厚度（mm）；x為侵蝕齡期（月）。

（2） 外包裹彩條布的試件（BJ5-1,BJ5-4,BJ5-6），其剝落厚度與侵蝕齡期間的擬合關系式為式（4）～式（6），擬合優度R2分別為0.962,0.969和0.886。

式（4）～式（6）中：y為試件剝落厚度（mm）；x為侵蝕齡期（月）。

利用上述擬合關系式（式（1）～式（6）），預測氣泡混合土試件經過10 年（x=120）和20 年（x=240）侵蝕后的剝落厚度，結果如表7所示。

表7 氣泡混合土試件的剝落厚度預測值 單位：mm

3.2 氣泡混合土試件在凍融-鹽蝕復合作用下的剝落厚度

試驗得到氣泡混合土試件經過鹽凍試驗后的剝落厚度如圖3所示。

圖3 凍融-鹽蝕復合作用下氣泡混合土試件的剝落厚度

由圖3 可以看出：在氣泡混合土試件中摻加礦渣能夠顯著增強試件的抗鹽凍破壞能力。對于未采取防腐措施的試件，經過30 次鹽凍循環后，完全以水泥作為膠凝材料的試件BJ5-1 的剝落厚度為3.97mm，而完全以礦渣作為膠凝材料的試件BJ5-6 的剝落厚度僅為1.12mm，比試件BJ5-1 減小了71.8%；對于包裹彩條布的試件，經過30 次鹽凍循環后，完全以水泥作為膠凝材料的試件BJ5-1 的剝落厚度為2.05mm，而完全以礦渣作為膠凝材料的試件BJ5-6 的剝落厚度僅為0.72mm，比試件BJ5-1減小了64.9%。

同樣的，包裹彩條布也明顯增強了氣泡混合土試件的抗鹽凍破壞能力。對于試件BJ5-4，經過30次鹽凍循環后，包裹彩條布的試件比未采取防腐措施的試件的剝落厚度減小了42.3%；而對于試件BJ5-6，經過30 次鹽凍循環后，包裹彩條布的試件比未采取防腐措施的試件的剝落厚度減小了35.7%。

采用回歸分析的方法對圖3 中的曲線進行擬合，得到氣泡混合土試件的剝落厚度與凍融循環次數之間的關系，具體如下：

（1）未采取防腐措施的試件（BJ5-1,BJ5-4,BJ5-6），鹽凍環境下其剝落厚度與鹽凍循環次數的關系如式（7）～式（9）所示，擬合優度R2分別為0.960,0.946和0.943。

式（7）～式（9）中：y為試件剝落厚度（mm）；x為鹽凍循環次數。

（2） 外包裹彩條布的試件（BJ5-1,BJ5-4,BJ5-6），鹽凍環境下其剝落厚度與鹽凍循環次數的關系如式（10）～式（12）所示，擬合優度R2分別為0.952,0.960和0.958。

式（10）～式（12）中：y為試件剝落厚度（mm）；x為鹽凍循環次數。

利用上述擬合關系式（式（7）～式（12）），預測經過100 次和200 次凍融循環后氣泡混合土試件的剝落厚度，結果如表8所示。

表8 氣泡混合土試件的剝落厚度預測值 單位：mm

對比圖3（b）與圖2（b）中的氣泡混合土試件剝落厚度變化曲線可以看出：包裹了彩條布的氣泡混合土試件，在鹽凍條件下的剝落厚度隨凍融循環次數的增長速率顯著高于僅在鹽侵蝕條件下的剝落厚度隨侵蝕齡期的增長速率。對比表6和表7 中關于包裹彩條布的氣泡混合土試件剝落厚度的預測值也可以看出：氣泡混合土試件經過100 次凍融循環后的剝落厚度比鹽侵蝕20 年的剝落厚度都要大；對于試件BJ5-6，經過100 次鹽凍循環后的剝落厚度比經過20年鹽侵蝕的剝落厚度增大9.8倍。

這些試驗結果表明：在鹽蝕-凍融復合作用下，氣泡混合土試件的損傷程度顯著高于僅在鹽溶液侵蝕環境下的損傷程度。

4 結論

（1）在氣泡混合土試件中摻加礦渣能夠顯著增強氣泡混合土試件的抗鹽侵蝕性能和抵抗凍融-鹽蝕復合破壞的能力。在鹽侵蝕單獨作用下，侵蝕540d后，完全采用礦渣作膠凝材料的試件的剝落厚度比完全用水泥作膠凝材料的試件減小了91.0%；在凍融-鹽蝕復合作用下，經過30次鹽凍循環，完全采用礦渣作膠凝材料的試件的剝落厚度比完全用水泥作膠凝材料的試件減小了81.9%。

（2）采用包裹彩條布的方法能夠顯著增強氣泡混合土試件的抗鹽侵蝕性能和抵抗凍融-鹽蝕復合破壞的能力。試件BJ5-4 在鹽侵蝕單獨作用下，包裹彩條布的試件的剝落厚度比未采取防腐措施的試件減小50%以上；在凍融-鹽蝕復合作用下，經過30次鹽凍循環后，包裹彩條布的試件比未采取防腐措施的試件的剝落厚度減小了42.3%。

（3）鹽蝕-凍融復合作用下，氣泡混合土試件的損傷程度顯著高于其僅在鹽溶液侵蝕環境下的損傷程度。對于抗侵蝕性能和抗凍性能最好的試件BJ5-6，包裹彩條布的試件經過100 次鹽凍循環后的剝落厚度比經過20年鹽侵蝕的剝落厚度增大9.8倍。

（4）采用合理的配合比并采取適當的防腐措施，能夠顯著提高氣泡混合土在鹽蝕-凍融復合作用下的耐久性；采用氣泡混合土作為路基填料是解決新疆鹽漬土地區路基病害的有效手段。