冻融循环条件下固化剂改良盐渍土盐胀特性试验研究

刘晶磊 张国朋 张 楠

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；2.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口075000；3.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

盐渍土分布广泛，盐渍土作为一种特殊类型的土，直接应用路面工程不能满足路用性能，随着西部大开发战略及一带一路战略的实施，西部交通设施建设领域将迎来新的发展机遇，但西部地区存在制约交通发展的因素，盐渍土路基就是其中一项。盐渍土为含盐量超过0.3%的土，存在溶陷、盐胀的客观问题，需要经过处理才能应用路基。随着盐渍土治理研究的发展，国内诸多学者提出具有针对性的解决方案，张莎莎等[1-2]研究影响盐胀的要素进行单因素分析，结果表明土的颗粒组成对盐胀性能影响较大，并以甘肃某高速公路沿线盐渍土为研究对象，通过室内试验进行冻融循环，得出结论天然粗颗粒盐渍土盐胀性小于细粒土的盐胀性。于天佑等[3]以兰州细粒盐渍土为研究对象，得出结论随着温度的变化盐胀率与盐冻胀率存在相互作用。李国玉等[4]在甘肃省河西地区盐渍土为研究对象，探究盐胀和盐冻胀的关系，结果表明含盐量对区分二者关系具有很大影响，含盐量高即盐胀、含盐量低即冻胀和溶陷影响。张佳兴等[5]采用人工配制盐渍土，通过普通硅酸盐水泥和新型抗盐胀固化材料SD改良盐渍土盐胀性能并取得显著效果。连杰等[6]以水泥、石灰混合料改良盐渍土的盐胀结果表明能够有效地降低盐胀率。

以上研究改良盐渍土盐胀性能土颗粒多以粗粒土为主，细粒土研究较少，固化剂多以组合固化剂改良为主，土凝岩是一种新型建筑材料，将其作为固化剂改良盐渍土盐胀性能研究较少。本文采用水泥、土凝岩等材料对盐渍土盐胀性能进行改良，研究在冻融循环条件下对盐渍土的盐胀性的影响，为实际生产施工提供必要的技术支持。

1 试验准备

冻融循环试验需要大量盐渍土，采用现场取样，选取青海某高速公路沿线盐渍土作为试验用土，筛分结果见表1所示，实验室测定取样盐渍土含盐量为3%。将配制好土样进行烘干试验，烘箱温度调制105℃，持续24h，制备试件并闷料24h使用，制作五个不同含水率试件，相邻两个试件差值控制为2%。根据《公路土工试验规程》[7]对配制盐渍土进行重锤击实试验，试验制取固化剂掺量为6%、8%、10%、12%、14%盐渍土测出最优含水率，降低含水率对试验结果的影响。试验用土凝岩是用工业固体废弃物作为原材料的新型环保材料，主要成分有赤泥、粉煤灰、煤矸石、冶金铁矿渣、铝土矿等，材料与传统建筑材料相比具有环保、节能、降耗的优点，通过理化反应改善盐渍土的盐胀性质。物理状态表现为灰色粉末状，密度为2.8～3.2g/cm3，初凝时间为≥8h，终凝时间为≤12h，7d抗压强度、抗折强度分别为34.5Mpa、9.4Mpa，水泥采用硅酸盐水泥P.O42.5级。研究冻融循环条件下固化剂改良盐渍土特性，为控制试验温度对盐胀性的影响，模拟自然界温度变化范围试验采用全自动冻融循环试验机进行试验，设定温度为-20℃～20℃减小盐胀和冻胀交互作用影响试验结果。根据规范[8]要求无机结合料稳定材料的基层压实标准，二级及二级以下公路稳定细粒材料压实度为≥0.95，试验中土样压实度为95%，试验方案见表2。由图1可知击实试验结果测得最优含水率为8%和最大干密度为2.01g/cm3。

图1 击实试验结果

表1 筛分结果

2 试验方案设计

为研究不同固化剂在不同掺量的情况下对改良盐渍土特性的影响，选用水泥、土凝岩为改良剂进行改良试验，分别配备含量为6%、8%、10%、12%、14%的固化剂进行改良盐渍土盐胀性试验，冻融循环试验模拟自然界昼夜温差变化过程，试验降温采用全自动冻融循环试验机持续降温12h，升温亦为12h，即24h为一个循环周期，循环往复5个冻融周期，降温过程为20℃→15℃→10℃→5℃→0℃→-5℃→-10℃→-15℃→20℃。将焖好的试验用料在20℃条件下成型，即将准备好的土料分5次装入高20cm内径为15cm的圆柱有机玻璃筒中，单向击实到所需干密度，然后再静置24h后进行盐胀冻融循环试验。

图2 冻融循环盐胀试验示意图

表2 试验方案

图3 水泥改良盐渍土盐胀性能曲线 图4 土凝岩改良盐渍土盐胀性能曲线

3 实验结果与分析

由图3和图4可知，冻融循环第一周期水泥改良盐渍土盐胀率随着水泥掺量的增加盐胀率呈下降趋势，冻融循环第二周期至第五周期中水泥掺量12%～14%区间时水泥改良盐渍土盐胀率变化不明显。分析原因为第一次冻融循环试验时土体升温过程水分子与结晶盐存在于土体中，土颗粒间相互作用减小造成土粒移动，近而形成盐胀，随着固化剂掺量的增加，其产生的粘聚力增加抵抗盐胀力硫酸盐渍土土体结构的破坏，当掺量为6%～8%出现盐胀陡降现象，是由于水泥的主要组成部分CaCO3与土中的水发生化学反应，生成的Ca(OH)2成为稳定土体结构的水化物。水泥中的矿物组成元素与硫酸盐渍土中的硫酸根离子通过离子交换，从而降低硫酸盐渍土的盐胀性能，化学公式表示为：

CaCO3+H2O→Ca(OH)2Ca(OH)2+Na2SO4→CaSO4+NaOH

冻融循环第一周期土凝岩改良盐渍土盐胀试验中掺量为6%～10%时变化不明显，由于土体间的有效应力相互作用，使得土体结构更加稳定，故盐胀率变化不明显。土凝岩改良盐渍土试验中第二至第五周期冻融循环试验中，由于土体间力的相互作用减弱，土颗粒间的间距加大，土体结构变得疏松，土体结构受到结晶盐的侵蚀。随着冻融循环次数的增加土凝岩改良盐渍土盐胀出现下降现象，说明土凝岩中的碳酸根离子与盐渍土中的硫酸根离子反应过程缓慢，后期改良盐渍土速率较前期加快，而后趋于平缓存在冻胀现象。两种固化剂改良盐渍土试验中均出现冻融循环次数的增加盐胀曲线出现比例下降趋势，固化剂改良盐渍土盐胀性能在冻融循环条件下可以降低盐胀性。

从图3、4中可以看出：冻融循环试验中固化剂改良细粒硫酸盐渍土盐胀率过程中，两种固化剂在改良盐胀过程中固化剂掺量的增加盐渍土盐胀率呈下降趋势，两种固化剂均能作为改良剂改良盐渍土盐胀。水泥掺量为6%～10%时改良盐渍土盐胀在冻融循环条件下盐胀率比土凝岩改良盐渍土盐胀率效果显著，水泥掺量为10%～14%时趋于平缓；土凝岩改良盐渍土盐胀土凝岩掺量为6%～10%反应平缓，随着冻融循环次数的增加土凝岩掺量为10%～14%改良盐渍土盐胀效果显著，而后趋于稳定，反应结束后存在冻胀，与文献[4]中所描述的事实相吻合。采用单一的固化剂改良盐渍土盐胀性能时，出现反应速度快慢问题并最终影响最终的试验结果，后期研究中选用土凝岩+水泥的最优组合改良盐渍土盐胀性能会达到理想效果。

4 结 语

本文通过冻融循环试验对盐渍土盐胀性能进行研究，在含盐量、含水量、压实度相同的条件下，采用两种固化剂在不同掺量的情况下改良盐渍土盐胀特点，通过试验结果得出以下结论：

(1)固化剂改良盐渍土盐胀性能试验中随着冻融循环次数的增加盐胀率呈下降趋势，固化剂改良盐渍土盐胀性能效果明显。

(2)冻融循环试验结果中水泥改良盐渍土盐胀曲线与固化剂掺量呈现正相关，水泥掺量越高，改良盐渍土的盐胀性越显著；土凝岩改良盐渍土盐胀性能与土凝岩掺量存在较大影响，土凝岩掺量越大，改良盐渍土盐胀性能显著。

(3)固化剂改良盐渍土盐胀试验随着冻融循环次数的增加，水泥掺量为6%～10%时改良盐渍土盐胀试验中，盐渍土盐胀性得到改善，后期趋于稳定；土凝岩掺量为时10%～14%改良盐渍土盐胀效果显著，而后存在冻胀现象。

(4)土凝岩作为一种新型材料在盐渍土改良方面存在广阔的应用空间，可以在改良盐渍土强度、溶陷性等方面做研究。