硫酸鈉鹽漬土滲透特性研究

劉 力， 萬 旭 升*， 王 智 猛， 邱 恩 喜， 龔 富 茂， 鐘 昌 茂， 吳 松 波

( 1.西南石油大學 土木工程與測繪學院， 四川 成都 610500；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031 )

0 引 言

特殊土在工程建設中比較常見，其特有的性質和危害給工程建設帶來了不少困難.鹽漬土作為一種特殊土，是指易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹和腐蝕等工程特性的巖土，它在我國分布范圍很廣，尤其是西北干旱地區[1].鹽漬土的鹽脹融沉引發的基礎工程問題嚴重制約了該地區經濟發展.土的滲透性是土體評價的一項重要內容，滲透系數則是衡量土體滲透性能的一項重要指標.研究鹽漬土的滲透系數對防治和改良其病害有著重要的意義.

土體滲透系數的影響因素有很多，王雙等[2]采用神經網絡研究了碎石土級配特征對滲透系數的影響，而Shafiee[3]、朱崇輝等[4]研究了混合黏土的級配對滲透系數的影響，發現顆粒的圓度越差，滲透系數越大.邵龍潭等[5]提出了一種滲透系數的測量方法并給出了經驗預測公式.Zhou等[6]、鄧友生等[7]、孫大松等[8]通過室內試驗，得出了滲透系數與干容重、土顆粒大小和所受固結壓力的關系，并推導了非飽和土滲透系數的理論表達式.然而，滲透系數的測定非常依賴于儀器設備，由不同儀器設備測量而得到的結果區別較大，目前還沒有建立鹽漬土滲透系數理論模型.在土的滲透改良研究方面，張登武等[9]發現硫酸鹽水泥、石灰和粉煤灰不同比例的配合對鹽漬土的改良效果比單獨使用其中任何一種好，所以對其進行了凍融試驗和滲透試驗.用混合料改良后，鹽漬土的滲透性很小.米海珍等[10]研究了石灰土、二灰土和水泥土3種改良土的滲透性能，得出了防滲土料摻入料的最佳配比.隨著納米材料的興起，很多學者都嘗試利用納米材料進行改性研究，Ren等[11]、Rong等[12]、陳學軍等[13]通過一系列試驗研究，發現新型納米材料可以改變土體的物理性質，納米材料(納米二氧化硅、納米碳酸鈣)可以提高黏土的單軸抗壓強度和液塑限，減小其平均孔徑，提高水泥抗壓抗折強度并影響紅黏土黏聚力、內摩擦角和抗剪強度，從而改變材料的強度特性.雖然微納米材料在很多工程領域都有了應用成功的經驗，但關于其對鹽漬土滲透性能影響的研究并不多見.

本文針對鹽漬土滲透模型不健全及滲透特性改良方面存在的問題，通過建立顆粒級配曲線與孔徑分布的關系，借助土水特征曲線建立滲透系數計算模型.并通過室內滲透試驗，研究添加微納米材料(納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料)后硫酸鈉鹽漬土滲透性能.進一步探究鹽漬土中溶液遷移機理和滲透特性改良機理，以期為鹽漬土地區工程實踐提供一定的參考依據.

1 理論研究模型

從微觀孔隙角度出發，將土水特征曲線作為反映土體孔隙通道的間接指標，陶高梁等[14]建立了飽和土的滲透模型：

(1)

式中：ks為飽和土的滲透系數；ρw、g為水的密度和重力加速度(各取1 000 kg/m3、9.8 m/s2)；σ為表面張力，25 ℃時取0.072 N/m；α為接觸角(飽和土可取α=0°)；τ為孔隙通道實際長度與土樣長度的比值，即迂曲度，可視為常數2[15]；μ為水的黏度，25 ℃時取0.893 7×10-3Pa·s；ψm為基質吸力(kPa)，其表達式為

ψm=2σcosα/r

(2)

其中r為孔隙半徑；θmax、θmin分別為最大(飽和)和最小體積含水率.

考慮到鹽漬土中含有鹽分，土體中不僅存在基質勢，還會存在溶質勢.當含鹽量較高時，溶質勢不可忽視，所以將式(2)中ψm項修正為土水勢ψ，其表達式為

ψ=ψm+ψs

(3)

ψs為溶質勢，在常溫條件下，假定鹽分充分溶解到孔隙水中，則溶質勢可表示為[16]

ψs=ρwRTlnaw/Mw

(4)

其中R為氣體常數，取8.314 J/(mol·K)；T為溫度(K)；Mw為水的摩爾質量，取18 g/mol；aw為鹽溶液中的水分活度[17-21].故飽和土的滲透模型可修正為

(5)

土體中孔隙分布特征是決定其滲透性的關鍵.利用分形理論研究多孔介質孔隙分布是一種好方法，但是對于土體而言，更簡潔有效的方法是從粒度分布的角度去研究孔隙分布，采用孔徑、含水量與粒度分布的關系[22]：

(6)

式中：ri為第i個粒度組所對應的孔隙半徑；e為土體孔隙比；γ為尺度參數，取1.4[22]；Ri為第i個粒度組的平均粒徑；ni為第i個粒度組的顆粒數量，可用下式計算：

(7)

其中wi為顆粒曲線中第i個粒度組含量，ds為土粒相對密實度.對顆粒級配曲線劃分微段，可建立wi與Ri的關系，具體如圖1所示.

圖1 土顆粒粒徑分布曲線劃分

(8)

式中：θi為小于第i個粒度組尺寸的累積體積含水率；Φ為土體孔隙率；Sw為飽和含水量測量值與孔隙率理論值的比值，取1.

對于特定孔隙半徑ri而言，其土水勢可由下式計算：

(9)

為了建立含水量與土水勢的關系，首先通過顆粒級配曲線建立不同粒徑與其對應含水量之間的關系，然后基于孔徑與粒徑的半經驗公式建立不同孔徑與對應含水量的關系，進而得到土水特征曲線.具體步驟如圖2所示.

圖2 變量關系圖

2 試驗與方法

2.1 試驗材料和試驗裝置

試驗用土取自甘肅蘭州地區，取土深度為0.5～1.0 m，土性為粉質黏土，土樣基本物理性質見表1，土樣粒度分布如圖3所示.摻加的微納米材料為納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料，3種材料外形均為白色粉末，粒徑分別為(30±10) nm、40～80 nm和1～50 μm.納米二氧化硅比表面積150～300 m2/g，含量≥99.5%，堆積密度0.057 g/cm3.納米碳酸鈣主含量>97%，pH 8.0～11.0，沉降體積>2.4 mL/g.相變材料為保溫材料，主要成分為改性芯材、甲苯二異氰酸酯、聚乙二醇，相變熱165 J/g.本次試驗采用人工配制硫酸鈉鹽漬土，以消除試驗差異并控制土樣含鹽量.試驗用土經過脫鹽、烘干、碾碎和過篩，最后進行密封保存.

表1 土樣基本物理性質

圖3 土樣顆粒級配曲線

本次試驗采用變水頭滲透試驗方法，試驗裝置為TST-55型滲透儀，如圖4所示.滲透容器由環刀、透水石、套環、上蓋和下蓋組成，環刀內徑61.8 mm、高40 mm，透水石的滲透系數大于0.001 cm/s；變水頭裝置由滲透容器、變水頭管、供水瓶、進水管等組成，變水頭管內徑6.6 mm、長2.0 m，滿足《土工試驗方法標準》[23]的要求.

2.2 試驗方法

試驗土樣設置含鹽量為0、1%、2%、3%和4%，由此探尋含鹽量對土樣滲透性的影響規律.

圖4 TST-55型滲透儀

再取高含鹽量(3%)土樣，分別摻加不同含量(1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%)的納米二氧化硅、納米碳酸鈣和相變材料.文中涉及含量的數據均為質量分數.

制樣時，控制土樣含水量為18.5%，首先按計算數據配制硫酸鈉鹽溶液，需要摻加摻料時，先將稱量好的土和摻料充分混合后，再均勻地噴入鹽溶液，將鹽溶液和土樣充分拌和，裝入密封袋并放置于25 ℃恒溫箱中穩定24 h，進一步使鹽溶液和土樣均勻混合.裝樣時取試樣干密度為1.6 g/cm3.記錄試驗數據時，需要同時記錄時間、水柱高度和出水溫度，當水柱下降一定高度(大于10 cm)后再次記錄.最后改變水柱高度，對同一試樣重復5次試驗，以便計算得出滲透系數平均值，減小試驗誤差.其余具體試驗方法和步驟均按照《土工試驗方法標準》進行.試驗裝置簡圖如圖5所示.

圖5 試驗裝置簡圖

試驗過程中鹽溶液不斷填充孔隙進而發生滲流，故在計算過程中可認為土樣是飽和的.不同含鹽量土樣對應鹽溶液濃度見表2.

由于土樣孔隙在滲流過程中不斷填充，可近似認為有水流流出時為飽和狀態，可根據式(1)～(4)計算鹽漬土滲透系數.

表2 不同含鹽量土樣對應鹽溶液濃度

處理數據時按變水頭滲透系數計算公式進行計算[18].

(10)

式中：a、A分別為變水頭管和土樣的斷面面積(cm2)；2.3為ln和lg的變換因數；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1、t2分別為測讀水頭的起始和終止時間(s)；H1、H2分別為起始和終止水頭.

按照式(10)計算得出滲透系數，進行溫度校正后對3個在允許誤差值范圍內的數據取平均值，作為一個試樣在標準水溫(20 ℃)下的滲透系數.

2.3 顆粒級配劃分方法

R2=0.999 6

(11)

為了獲取高精度，需要土顆粒級配曲線擬合函數，對土顆粒粒徑取對數之后再按間隔0.065分組，即

lgRi-1=lgRi-0.065

(12)

對土顆粒粒徑取對數后再進行均勻分組，所得土顆粒含量分布與試驗值非常接近，如圖6所示.

圖6 土顆粒含量擬合曲線

3 結果與分析

3.1 土水勢影響因素

修正后土水勢、溶質勢與水分活度的關系如圖7所示.由圖7(a)可知，溶質勢隨著水分活度增大而增大；由圖7(b)可知，土水勢隨著含水量增加而降低，當土體含水量較低時，溶質勢對土水勢的影響較小，當土體趨于飽和時，溶質勢對土水勢的影響較明顯.

(a) 溶質勢與水分活度的關系

(b) 不同水分活度土水勢與含水量的關系

3.2 滲透系數與含鹽量的關系

試驗測試并計算得出最終滲透系數，取其平均值的數據點繪制成圖，從圖8中可以看出，在同一干密度下，隨著含鹽量的增加，鹽漬土的滲透系數呈減小趨勢，與鄧友生等[7]所得結論保持一致.

試驗中蘭州粉質黏土滲透系數首先隨著含鹽量的增加大幅度降低，當含鹽量大于2%后，其滲透系數隨著含鹽量的變化很小.通過計算值與試驗值對比可知，本文修正的計算模型可較好地計算硫酸鈉鹽漬土滲透系數.土樣滲透系數隨含鹽量增加而減小，是因為硫酸鈉鹽的存在降低了鹽漬土土水勢，而當含鹽量較高時，鹽分達到飽和狀態致使其水分活度基本不變.但是高含鹽量硫酸鈉鹽漬土中部分鹽晶體的析出會造成土中孔隙減小，致使滲透系數微弱減小從而降低了土體滲透特性.

圖8 含鹽量對鹽漬土滲透系數的影響

3.3 微納米材料對鹽漬土滲透系數的影響分析

微納米材料對鹽漬土滲透系數影響如圖9所示.納米二氧化硅和相變材料可以降低鹽漬土的滲透系數，并隨著摻量增加，滲透系數降低更多，摻加相變材料的鹽漬土其滲透系數變化幅度較大.低摻量時，摻加相變材料的鹽漬土與無摻加土樣的滲透系數相差范圍很小，而摻加納米二氧化硅后的土樣滲透系數則比無摻加時明顯減小.當摻量大于2.5%時，摻加兩種材料后的滲透系數相差不大，均比無摻加時有明顯減小.摻料為納米碳酸鈣時，隨摻量增加，土樣滲透系數總體呈上升趨勢，摻量為1.0%時，其滲透系數比無摻加時有微量減小，其余摻量對土樣滲透系數均為增加作用.

圖9 各摻料對3%含鹽量鹽漬土滲透系數的影響

摻加納米材料后，相當于降低了土樣的初始含水量，在摻料適量添加后，納米材料形成團聚體，起到較好的填充作用，如圖10所示.由于納米二氧化硅堆積密度較小，隨著其摻量增加，土樣密度減小，從而滲透系數變小減緩.納米碳酸鈣作為親水材料在用量增大后，表面活化劑的浸潤和增塑作用更加顯著，加大了納米粒子的流動分散[24]，而且納米碳酸鈣納米級的較細粒徑，表面能高，具有較強的吸附作用，變相減小了試樣含鹽量，使得試樣的滲透系數增大；隨著滲流進行，在吸附作用影響下含鹽量增大，使得試樣滲透系數減小.當相變材料的摻量較低時，相變材料會釋放熱量，在一定程度上影響土樣內部溫度從而減小水的黏滯系數，使滲透系數增大.作為疏水材料的相變材料，在大量添加后起到了較好的填充作用，有效降低了滲透系數.

(a) 未添加納米材料

(b) 添加納米材料

但是，當土體含水量較低時，溶質勢對土水勢的影響較小，故在非飽和土滲透系數的計算中可忽略溶液的影響.本研究中未考慮環境溫度變化對硫酸鈉鹽漬土滲透特性的影響，對硫酸鈉鹽漬土而言，在溫度降低時會生成十水硫酸鈉晶體引發土體鹽脹，故鹽脹變形引發的孔隙變化對土體滲透特性的影響會在以后的工作中繼續探究.

4 結 論

(1)隨著土體趨于飽和，溶質勢對土水勢的影響越來越大，故針對飽和鹽漬土滲透系數進行土水勢修正極為必要；推導得到的飽和鹽漬土滲透系數計算模型的計算值與試驗值接近，該模型符合飽和硫酸鈉鹽漬土滲透系數的變化規律.

(2)當含鹽量在4%以內時，硫酸鈉鹽漬土中土水勢隨著含鹽量的增加而逐漸減小.同樣，滲透系數隨著含鹽量的增加逐漸減小，當含鹽量大于2%后，滲透系數變化很小.

(3)對于高含鹽量硫酸鈉鹽漬土，摻加納米二氧化硅和相變材料可以降低滲透系數，隨摻量增加滲透系數減小更多.當納米碳酸鈣摻量大于1%后，滲透系數隨著其含量的增加而大幅度增加.硫酸鈉鹽漬土滲透系數隨著相變材料的增加先增大后減小，當摻量大于2.5%后變化很小.