鹵水結合下的鹽漬土膨脹性分析

鄧 波

（新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

鹽漬土膨脹的原因主要是由于土體中鹽狀態發生變化。鹽漬土的固相組成中不僅有土體顆粒，還有氯鹽、硫酸鹽等成分，鹽漬土內部的水隨著外部環境的變化而變化，從而導致鹽漬土中的鹽分隨著土體液相的變化出現遷移、聚集的特點，從而使鹽漬土的物理力學特性呈現出劇烈變化的特點［1-2］。

在公路建設中不可避免的遇到鹽漬土，由于路面結構層的覆蓋效應，路基的蒸發強度遠遠小于原地表，從而導致路基土體的含水量高于原地面，出現土體鹽分由高濃度區向低濃度的路基土體匯集的情況。路基土中鹽分的遷移聚集過程中，土顆粒的空隙以及土體接觸點的鹽分吸水結晶后體積膨脹，填充孔隙率，擴大土顆粒間距，引起土體變形膨脹的效果［3-4］。

目前對于鹽漬土的膨脹特性已有大量的研究，王海春［5］等人研究了不同因素下硫酸鹽的鹽脹程度；袁紅［6］等人分析了硫酸鹽的起脹含鹽量和容許含鹽量；孫輝榮［7］等人對細粒氯鹽漬土進行鹽脹分析；包衛星［8］等人研究了在凍融循環下鹽漬土的鹽脹特性。但是近些年隨著各地環保意識的強化以及公路建設的用料緊缺，各地公路建設不得不采用一些特殊性土［9］，充分利用當地現有的土體作為公路建設的材料，對于缺少筑路材料的公路工程具有十分重要的意義。

1 哈若公路沿線取樣與化學成分分析

1.1 鹽漬土取樣

哈密至若羌段公路穿越羅布泊盆地，沿線料場和工程用水緊缺，針對項目的特點，研究中選取K287+000（淺層料0 ～2 m）、K324+500（深層料2 m 以下）、K346+000（淺層料0 ～2 m）三組有代表性的鹽漬土樣品，采用不同比例的鹵水進行摻配試驗。公路沿線鹽漬土見圖1，水料場見圖2。

圖1 大塊鹽漬土破碎

圖2 水料場

1.2 鹽漬土化學成分分析

根據《 公路土工試驗規程》（JTG E40—2007），通過室內試驗進行鹽漬土化學成分分析，測定沿線水土料場中的離子含量，依據檢測結果對鹽漬土進行分類，檢測結果見表1。

表1 離子含量分析試驗結果 （20℃）

由《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011）可知，工程沿線選取的三組鹽漬土均為氯化物過鹽漬土（超氯鹽漬土）。沿線工程用水缺乏，在進行土方填筑時采用鹵水替代工程用水，進行土方壓實。因此，需對鹵水的含鹽量、鹽漬土的含水率進行檢測，檢測結果見表2。

表2 鹽漬土含水量

表3 不同溫度下鹵水含鹽量

可知，K287+000 和K346+000 處淺層鹽漬土的含水量較低，對于埋深較大的K324+500 處，含水量較高；同時對于同一位置的鹽漬土，破碎土的含水量都高于塊狀土含水量。通過表3 可知：在5 ～25℃時，隨著溫度的升高鹵水中結晶鹽含量增大；在25 ～35℃時，隨著溫度的升高，結晶鹽含量減少。項目所在區域的鹵水含鹽量較高。

2 鹽脹試驗與分析

通過對鹵水和鹽漬土的成分分析，可知工程所在區域的水土中Na+、Cl-、的含量很高，因此研究在不同溫度下噴灑鹵水下的鹽漬土膨脹量成為哈若公路建設的關鍵問題。采用室內模擬試驗，通過溫控箱調控鹽漬土樣品的溫度，試驗時按照設定的溫度啟動溫度循環冷浴，溫度由上部向下部傳遞，以保證鹽漬土的溫度變化與實際情況一致，試驗通過輸入參數控制，采集儀自動采集數據。試驗儀器見圖3。

圖3 鹽脹性試驗分析儀結構

2.1 含水率-膨脹量性能研究

通過圖4 ～圖6 鹽漬土膨脹曲線可以看出：在相同壓實度條件下，隨著溫度降低，3 處鹽漬土土樣膨脹量增大。對于水用量分別為5%、7%、9%、11%的4 組，其膨脹量最大值分別為0.5 mm、1.0 mm、1.3 mm 和1.8 mm。3 組試驗中，膨脹量增加最快的是15 ～－5℃之間，對于20 ～15℃和－5℃～－10℃之間膨脹量相對較緩慢。其中-5℃和-10℃的膨脹量基本相同，土樣表現出微脹和不脹。同時3處鹽漬土土樣的膨脹量隨著鹵水含量增加而增加，其中鹵水含量由5%～7%和9%～11%時，土樣膨脹量增加較多，即當鹵水含量在7%～9%之間時，相同溫度條件下，土體膨脹量變化不大。在95%的壓實度條件下，鹵水用量為5%、7%、9%、11%的土樣其膨脹率小于2%［11］。

圖4 K287+000 處鹽漬土膨脹量曲線

圖5 K324+500 處鹽漬土膨脹量曲線

圖6 K346+000 處鹽漬土膨脹量曲線

2.2 壓實度與膨脹量性能研究

2.2.1 擊實試驗

依據《公路土工試驗規程》（JTJ 051—93），結合現場情況，對3 組鹽漬土進行重型擊實試驗。由圖7 ～圖9 曲線變化趨勢可以得出：用鹵水濕潤鹽漬土，然后進行擊實試驗，試驗中由于氯鹽漬土的吸濕特性，使得擊實試驗中最優含水率結果偏小，因此需要修正。3 處取樣位置的干密度和最優含水率見表4。

圖7 K287+000 含水率-干密度曲線

圖8 K324+500 含水率-干密度曲線

圖9 K346+000 含水率-干密度曲線

表4 3 處取樣位置的干密度和最優含水率

2.2.2 壓實度與膨脹量分析

在土樣擊實試驗的基礎上，獲得最佳鹵水含量，同時采用92%、95%、98%的壓實度成型試件，在試驗過程中保持濕度不變，溫度變化的條件下，測得不同壓實情況下的試件膨脹量，從而確定適宜的壓實度。3 組鹽漬土的試驗結果見圖10 ～圖12。

圖10 K287+000 處鹽漬土膨脹量曲線

圖11 K324+500 處鹽漬土膨脹量曲線

圖12 K346+000 處鹽漬土膨脹量曲線

可以看出，在相同壓實度條件下，隨著溫度的降低，土樣的膨脹量增加，其中在15 ～-5℃時，增加速率相對較快，在20 ～15℃和-5 ～-10℃時，膨脹量增加速率較緩慢；在92%、95%、98%的壓實度下最大膨脹量分別為1.8 mm、2.1 mm 和2.5 mm；在相同的溫度條件下，隨著壓實度的增加膨脹量增大，對于K287+000 和K324+500 兩處，其增加值較小，對于K346+000 處膨脹量增加值較大。

2.3 易溶鹽含量與膨脹量關系

選取過氯鹽漬土，從水土離子分析中可知，水土中Na+、Cl-、的含量很高，鹽漬土易溶鹽總量很高。在95%壓實度和最優含水率條件下，易溶鹽總量和鹽漬土膨脹量的關系見圖13。可知在95%的壓實度條件下，隨著土樣易溶鹽總量增加，鹽漬土膨脹量不斷增加。當易溶鹽總量由63.32%增加到68.43%時，膨脹量增加0.6 mm；當易溶鹽總量由68.43%增加到75.59%時，膨脹量增加0.3 mm。前一階段膨脹量增加速率大于后一階段的膨脹量增加速率。由于采用鹵水結合土樣，使得在不同溫度條件下，土樣中的自由水含量不同，導致土樣中Na2SO4所能結合的水處于不確定狀態。同時依據文獻［3］中提到當NaCl 在結合水分子后土體體積也會增大，因此隨著土樣中易溶鹽總量的增加，土樣呈現出膨脹量增加的趨勢，但是隨著Na2SO4和NaCl 大量結合自由水后，導致鹵水中的自由水含量降低，土樣膨脹量增加速率緩慢。

圖13 易溶鹽含量與總鹽脹率曲線

3 鹵水結合料鹽脹機理分析

鹽漬土出現體積膨脹的主要原因是原有土體顆粒之間的孔隙率以及土體接觸點間距的細觀變化而反映到宏觀的現象。鹵水結合料中的易溶鹽含量遠遠超出普通土的含量，其膨脹機理相較于普通土體也更為復雜。

鹽漬土的體積膨脹主要是由于易溶鹽中的Na2SO4的結晶膨脹和失水收縮引起。隨著溫度降低，鹵水結晶含量增大，在鹵水結合料中，部分土體空隙被鹵水結晶填充，部分自由水和土體中的Na2SO4結合形成Na2SO4·10H2O，引起土體體積增大。即在采用鹵水結合料中，土體體積增大是由鹵水本身的結晶體和Na2SO4·10H2O 共同引起。在溫度下降過程中，在一定溫度下，鹵水以及鹽漬土本身水分可能結冰，冰造成水體體積增加10%，因此在15℃～－5℃時，土體體積增加速率最快，隨著所有水分持續結冰，溫度繼續下降，但是土體膨脹量的速率減慢。由于Na2SO4對溫度變化敏感，在15℃～－5℃之間時，大量的Na2SO4與水結合，形成Na2SO4·10H2O，溫度繼續下降，Na2SO4與水結合的趨勢減慢，從而導致溫度越低，土體膨脹量趨勢越平緩。

4 結語

（1）鹵水結合料在一定含水量條件下，隨著溫度降低，膨脹量不斷增大，其中在15℃～－5℃之間膨脹量的增加速率相對較大，當溫度達到-10℃時，土體基本沒有膨脹；同時隨著鹵水用量增大，土體膨脹量增大；當鹵水含量在7%～9%之間時，相同溫度條件下，土體膨脹量變化不大。（2）在相同壓實度條件下，隨著溫度降低，土體膨脹量增大；在相同溫度條件下，壓實度越大，膨脹量越大。其中在15℃～-5℃時，增加速率相對較快，在20 ～15℃和-5℃～-10℃時，膨脹量增加速率較緩慢。（3）在95%壓實度條件下，土樣易溶鹽總量增加，鹽漬土膨脹量不斷增加。但隨著易溶鹽總量的增加土體膨脹量增加速率減緩，這是由于Na2SO4和NaCl大量結合自由水后，導致鹵水中的自由水含量降低，因此出現土樣膨脹量增加速率緩慢的情況。