硫酸鹽漬土降溫過程中的鹽凍脹試驗研究

摘要：針對寒旱區(qū)硫酸鹽漬土的鹽凍脹特性開展了室內(nèi)試驗研究。選取甘肅省河西地區(qū)硫酸鹽漬土為原料土，以室內(nèi)人工制備的硫酸鹽漬土為研究對象，就含鹽量和含水量對土體鹽凍脹變形的影響進行了系列試驗研究，并對其變化規(guī)律進行了探討。結(jié)果表明，含鹽量對土體鹽脹和凍脹變形呈先增大后減小再增大的規(guī)律;初始含水量越低，鹽晶體的初始結(jié)晶溫度越高，溶液濃度越接近飽和狀態(tài)，土體發(fā)生鹽脹變形的時間越早，芒硝晶體越容易析出，土體越易發(fā)生鹽脹破壞。

關(guān)鍵詞：硫酸鹽漬土;鹽凍脹變形;降溫過程;結(jié)晶溫度

鹽脹和凍脹是鹽漬土地區(qū)最主要的問題，受內(nèi)部和外部因素的共同作用，對工程建設(shè)的影響程度較大。內(nèi)部因素主要有含鹽量、含水量、土體的松軟程度等；外部因素主要有溫度變化、土體上覆荷載等。對于硫酸鹽漬土地區(qū)，鹽凍脹嚴(yán)重影響鐵路、公路、水利、民用建筑等工程建設(shè)的穩(wěn)定性。產(chǎn)生鹽凍脹的主要原因是在降溫作用下，隨著溫度降低硫酸鈉的溶解度降低，土體孔隙溶液達到過飽和狀態(tài)，生成芒硝晶體，硫酸鹽漬土的體積膨脹了3.18倍，產(chǎn)生鹽脹變形;當(dāng)溫度降低至凍結(jié)溫度以下時，土體中水凝結(jié)成冰，體積增大了1.09倍，產(chǎn)生了凍脹變形。因此，研究硫酸鹽漬土的鹽凍脹變形，對于工業(yè)、交通、建筑、水資源工程等具有十分重要的意義。

迄今為止，針對寒區(qū)硫酸鹽漬土的鹽脹和凍脹的研究已有一系列成果。WAN等［1］進行了瞬態(tài)條件下硫酸鹽漬土鹽脹試驗和理論分析，試驗結(jié)果表明：硫酸鹽漬土中鹽水的初始過飽和度隨著溫度的降低而線性增加，并且在土體凍結(jié)溫度以下增加更快，導(dǎo)致土體鹽脹變形增大。土體中硫酸鈉溶液的過飽和度達到最大值，硫酸鈉結(jié)晶引起鹽脹;硫酸鈉溶液的最大過飽和度隨著硫酸鈉含量的增加而降低，隨著結(jié)晶的析出，過飽和度隨之降低，為研究鹽脹機理提供了理論依據(jù)［2］。肖澤岸等［3］通過對Na2SO4土體變形特性影響的試驗研究，結(jié)果表明凍融循環(huán)作用下，土體孔隙溶液中的鹽分不斷結(jié)晶與溶解，水分不斷凍結(jié)與融化，使得含鹽土體的形狀不斷變化。Coussy等［4］認(rèn)為土體發(fā)生凍脹變形與冰水相變、固液界面能、土體熱膨脹系數(shù)等有關(guān)。Steiger［56］給出了多孔介質(zhì)中受約束方向和不受約束方向鹽分結(jié)晶壓力的表達式，并討論了晶體大小對結(jié)晶壓力的影響。然而，以往對鹽漬土的研究忽略了含鹽量、含水量在不同組合條件下，對土體性質(zhì)的影響以及變形機理方面缺乏深入的研究，導(dǎo)致一些研究成果難以應(yīng)用于工程實際。

本文針對寒旱區(qū)硫酸鹽漬土的鹽凍脹特性開展室內(nèi)試驗研究。選取甘肅省河西地區(qū)硫酸鹽漬土為原料土，以室內(nèi)人工制備的重塑硫酸鹽漬土為研究對象，就含鹽量和含水量對土體鹽凍脹變形的影響進行了系列試驗研究，探究各因素對鹽凍脹變形規(guī)律的影響。

1試驗制備及方法

1.1試樣制備

以甘肅河西地區(qū)硫酸鹽漬土為研究對象，土樣的采集位置如圖1所示。試驗測得河西地區(qū)硫酸鹽漬土的易溶鹽各離子含量如表1所示。首先對鹽漬土進行洗鹽，用蒸餾水浸泡土樣并攪拌均勻，土樣沉淀后換水浸泡并攪拌均勻，重復(fù)上述過程3～5次;然后將土樣風(fēng)干，風(fēng)干后的土樣碾碎并過篩（0.5 mm）;最后進行試樣制備。試樣在配置的過程中，先在鹽中加水，配置成不同濃度的鹽溶液，然后將鹽溶液和素土配成不同含水量、含鹽量的土樣，并將土樣裝入密封袋保存24 h，使得土樣中的水分和鹽分均勻分布。試樣在直徑為8 cm，高度為5 cm的循環(huán)裝置中進行了壓實，控制土樣的干密度為1.75 g/cm。最后將配置土樣分層裝入自制水浴循環(huán)裝置中進行試驗。

1.2試驗方法

試驗過程中通過自行研制的循環(huán)水浴為土樣降溫或升溫，溫度探頭為測量降溫、升溫過程中土樣內(nèi)部的溫度變化，位移計可以測量降溫、升溫過程中土樣位移的變化，CR6和WY50數(shù)據(jù)采集儀的采集時間間隔全部設(shè)置為1 min。首先，將精度為±0.01 ℃的溫度傳感器DT80插入土樣中部，并進行預(yù)先設(shè)定的凍結(jié)試驗，并將試樣密封保存，確保溫度傳感器連接與土樣之間不存在縫隙，然后將低溫恒溫循環(huán)槽初始溫度設(shè)置為25 ℃并保持恒溫30 min，然后降溫至-20 ℃，持續(xù)120 min，-20 ℃恒溫60 min，再升溫至25 ℃，持續(xù)120 min，并恒溫120 min。儀器連接及安裝見圖2。

2試驗結(jié)果與分析

2.1含鹽量對土體鹽凍脹過程影響分析

鹽分作為土體鹽結(jié)晶析出的基本條件，也是產(chǎn)生鹽脹問題的主要因素，含鹽量的多少對鹽漬土的鹽凍脹變形有重要的影響，主要是由于硫酸鈉在不同溫度下以芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體、Na2SO4晶體、Na2SO4溶液3種不同的形態(tài)存在，并伴隨溫度變化發(fā)生水鹽相變現(xiàn)象，使土體產(chǎn)生較大的鹽凍脹變形。圖3給出了硫酸鈉在不同溫度下的溶解度曲線，從圖中可以看出，隨著溫度的降低，Na2SO4溶液達到飽和狀態(tài)，當(dāng)溫度大于32.4 ℃以Na2SO4晶體形式從溶液中析出;當(dāng)溫度小于32.4 ℃硫酸鈉吸收10個水分子以芒硝（Na2SO4·10H2O）晶體形態(tài)從溶液中析出，結(jié)晶體使得固相體積增大了3.18倍，這是鹽漬土產(chǎn)生鹽脹的主要原因。從圖3還可以看出，當(dāng)溫度低于0 ℃時，土體中不僅有鹽分的結(jié)晶，還有冰水相變產(chǎn)生的冰晶體，兩者共同作用。由于鹽漬土中鹽分的存在，降低了土體的凍結(jié)溫度，冰晶體的產(chǎn)生也增大了溶液的濃度，導(dǎo)致土體鹽凍脹變形增大。

不同含鹽量硫酸鹽漬土鹽凍脹變形曲線如圖4（最大干密度為1.75 g/cm3）所示，從圖4（d）中可以看出，當(dāng)含鹽量lt;1.8%時，降溫過程中土體變形由凍脹變形引起，也存在鹽脹變形，但是鹽脹變形不明顯;當(dāng)含鹽量≥1.8%，土體有鹽脹變形，這一降溫過程中土體的變形主要表現(xiàn)為鹽脹與凍脹兩個階段。當(dāng)含鹽量gt;3.0%時，土體變形主要由鹽脹引起，凍脹變形不明顯。從圖中看出，含鹽量為1.8%為凍脹變形的最大分界點。當(dāng)含鹽量gt;1.8%時，土體中有鹽脹變形產(chǎn)生，鹽結(jié)晶吸收大量的水分，水分結(jié)冰量減少，從而導(dǎo)致土體總的變形減小。當(dāng)含鹽量≥3.0%時，隨著土體溫度的降低，土體鹽凍脹變形增大。同時，隨著含水量的增大，降低了土體中溶液的濃度，含水量越高，土體的起脹含鹽量越高，土體發(fā)生鹽脹變形所需的鹽含量越大［7］。

為了進一步驗證孔隙溶液濃度對鹽脹和凍脹的影響，圖5繪出了土體在凍結(jié)穩(wěn)定溫度狀態(tài)時，不同含水量條件下，含鹽量變化對總變形的影響曲線。隨著含鹽量的增加，土體總變形均呈先增大后減小再增大的規(guī)律。可見，孔隙溶液濃度較低時，硫酸鈉結(jié)晶少，土體中產(chǎn)生大量的冰晶，以凍脹變形為主;隨著溶液濃度的增大，降溫過程中部分的硫酸鈉結(jié)晶，并攜帶大量結(jié)合水，抑制了冰晶的大量產(chǎn)生，鹽脹和凍脹相互作用，致使總變形減小;當(dāng)溶液濃度很高時，降溫伴隨著大量鹽結(jié)晶析出，此時以鹽脹變形為主，導(dǎo)致土體總鹽凍脹率增大。

2.2含水量對土體鹽凍脹過程影響分析

硫酸鹽漬土發(fā)生鹽脹時結(jié)合10個水分子形成芒硝晶體，因此，含水量是發(fā)生鹽脹和凍脹破壞的必要成分，含水量的變化直接影響土體中溶質(zhì)硫酸鈉的變化，含水量降低直至硫酸鈉溶液處于飽和狀態(tài)后，鹽晶體析出。圖6表示不同含鹽量、最大干密度為1.75 g/cm3條件下，不同含水量土樣鹽凍脹率和溫度隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，含鹽量為0%土樣在穩(wěn)定溫度狀態(tài)下逐漸膨脹，主要是由于0 ℃以上，土樣不發(fā)生鹽脹變形，隨著溫度降低至冰點以下，土體中水分結(jié)冰，體積增加，土樣產(chǎn)生凍脹。隨著含鹽量的增加，土樣膨脹除了冰水相變，發(fā)生凍脹以外，主要由鹽脹引起。土樣試驗初期鹽凍脹曲線呈現(xiàn)一段水平線，說明土體此時還未發(fā)生膨脹，因為土體在凍結(jié)過程中，首先從大孔隙開始結(jié)晶，逐漸進入更小的孔隙中，土體孔隙填滿后，繼續(xù)析出晶體使土體產(chǎn)生膨脹。隨著含鹽量的增加，硫酸鈉吸水結(jié)晶，易將孔隙填充滿，鹽脹作用更加明顯，土體更易發(fā)生膨脹。

從圖6還可以看出，含鹽量較低的土樣，鹽凍脹率隨含水量的增大而增大，主要是由于含鹽量較低的土樣在鹽脹階段鹽晶體析出較少，鹽晶體析出所結(jié)合的水分較少，隨著溫度降低至凍結(jié)溫度以下，發(fā)生冰水相變產(chǎn)生冰晶體，導(dǎo)致土體溶液的濃度增大。此時，硫酸鈉結(jié)合水分子產(chǎn)生鹽晶體，但主要以凍脹變形為主，所以含鹽量越低，含水量越大，土樣鹽凍脹率越大。含鹽量較高的土樣，鹽凍脹率隨含水量的增大而減小，主要是由于含鹽量較高的土樣在鹽脹階段大量水分子產(chǎn)生芒硝晶體，土樣溫度降低至凍結(jié)溫度以下，產(chǎn)生冰晶體較少，凍脹變形減弱，此階段鹽凍脹變形相互作用［8］。

為了進一步說明土體在凍結(jié)穩(wěn)定溫度狀態(tài)，不同含鹽量和含水量下鹽凍脹率的變化曲線如圖7所示。可以看出，低含鹽量土體變形隨著含水量的增大而增大，而高含鹽量土體的變形則隨著含水量的增大而減小。這進一步說明降溫過程中的鹽凍脹受孔隙溶液的濃度影響，溶液濃度較低時，土體變形主要由凍脹引起，反之，當(dāng)孔隙溶液濃度較高時，變形則主要由鹽脹引起，體現(xiàn)出土體中鹽脹和凍脹兩者之間強弱關(guān)系的內(nèi)在制約。

3結(jié)論

通過對硫酸鹽漬土不同含鹽量、含水量下土體鹽凍脹特性進行分析討論，詳細(xì)分析了含鹽量、含水量在不同試驗條件下對土體變形的影響。主要結(jié)論有以下幾點：

（1） 含鹽量對土體鹽脹和凍脹變形呈現(xiàn)先增大后減小再增大的規(guī)律。含鹽量較低時，硫酸鈉結(jié)晶少，凍結(jié)溫度以下土體中產(chǎn)生大量的冰晶，以凍脹變形為主;隨著含鹽量增大，降溫過程中部分的硫酸鈉結(jié)晶，并攜帶大量結(jié)合水，抑制了冰晶的產(chǎn)生，鹽脹和凍脹相互作用，致使總變形減小;當(dāng)土體含鹽量很高時，降溫伴隨著大量的鹽結(jié)晶析出，此時以鹽脹變形為主，導(dǎo)致土體總變形增大。

（2） 土體初始含水量越低，鹽晶體的初始結(jié)晶溫度越高，土體發(fā)生鹽脹變形的時間越早；初始含鹽量相同時，含水量越低，土樣中硫酸鈉溶液的濃度越高越接近飽和狀態(tài)，芒硝越容易結(jié)晶析出，土體越容易發(fā)生鹽脹破壞。同時，含鹽量較低土體變形隨著含水量的增大而增大，而含鹽量高土體的變形則隨著含水量的增大而減小。

參考文獻：

［1］X Wan， You Z， Wen H， et al. An experimental study of salt expansion in sodium saline soils under transient conditions［J］. Journal of Arid Land， 2017， 9（6）： 865-878.

［2］LAI Y M， WAN Y S， ZHANG M Y. An Experimental Study on the Influence of Cooling Rates on Salt Expansion in Sodium Sulfate Soils［J］. Cold Regions Science and Technology， 2016（124）： 67-76.

［3］肖澤岸，賴遠(yuǎn)明，尤哲敏.凍融循環(huán)作用下含鹽量對Na2SO4土體變形特性影響的試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2017，39（5）：953-960.

［4］COUSSY O， MONTEIRO P. Unsaturated poroelasticity for crystallization in pores［J］. Computers and Geotechnics， 2007， 34（4）： 279-290.

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［6］STEIGER M. Crystal growth in porous materials11： influence of crystal size on the crystallization pressure［J］. Journal of Crystal Growth， 2005， 282（3）： 470-481.

［7］高江平，吳家惠.硫酸鹽漬土鹽脹特性的單因素影響規(guī)律研究［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19（1）：39-44.

［8］Ge X， Wang X. Estimation of freezing point depression， boiling point elevation， and vaporization enthalpies of electrolyte solutions［J］. Industrial amp; Engineering Chemistry Research， 2009， 48（4）： 2229-2235.

作者簡介：楊玉紅，男，工程師，主要從事巖土工程與生態(tài)保護修復(fù)方面的工作。