固化细粒氯盐盐渍土工程特性研究*

郭东悦,刘 浩,杨庆港,李玉豪,莘子健

(1.中交二航局建筑科技有限公司,湖北 武汉 430050; 2.中交第二航务工程局有限公司第五 工程分公司,湖北 武汉 430050; 3.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

0 引言

滨海区氯盐盐渍土是受环境变化影响较大的敏感性特殊土,颗粒较细,塑性指数较大,属于粉质黏土。盐渍土与其他普通三相土不同,易溶盐溶解于土体的液相中,结晶盐存在于土体的固相内,外部环境变化引起三相物质的转变,盐渍土的物理力学性质发生改变,导致土体内结构发生变化,土体结构变得松散,稳定性遭到破坏,工程性质变差[1-2]。

目前,大多学者主要集中于内陆的粗粒硫酸盐盐渍土改良研究,虽有部分学者对滨海氯盐盐渍土进行了改良研究,但大多只采用石灰、粉煤灰及水泥单掺或石灰+粉煤灰双掺进行改良,且对改良后盐渍土工程特性的研究也不够全面。因此,本文以沧州滨海区盐渍土为研究对象,分析对比生石灰、粉煤灰及水泥不同组合方式改良下盐渍土的工程特性,包括固化盐渍土的击实特性、承载特性、耐久性及水稳性等,为工程建设提供理论依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验所用盐渍土取自G228沧州段沿线附近,天然盐渍土的含水率为7.82%,液限为31.2%,塑限为17.0%,重型击实试验测得的最大干密度为1.96g/cm3,最优含水率为12.7%。盐渍土颗粒级配曲线如图1所示,该盐渍土属于细粒土。盐渍土XRD图谱如图2所示。由图2可知,盐渍土矿物成分中主要黏土矿物为伊利石,其他主要成分为石英和钠长石。盐渍土经过测量得到易溶盐含量,如表1所示,其中主要为盐离子Cl-,占比1.05%,根据JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》中盐渍土分类可得,该盐渍土为中氯盐盐渍土。

表1 盐渍土易溶盐含量Table 1 Soluble salt content of saline soil %

图1 滨海盐渍土颗粒级配曲线Fig.1 Grain gradation curve of coastal saline soil

图2 滨海盐渍土XRD图谱Fig.2 XRD pattern of coastal saline soil

盐渍土改良试验用改良材料为一等钙质生石灰、二级粉煤灰和P·O 42.5硅酸盐水泥。

1.2 试验方法

1.2.1试验方案

根据国内外学者已有的相关盐渍土改良试验研究及工程实践经验,对不同掺比的生石灰(A组)、生石灰+粉煤灰(B,C组)、生石灰+粉煤灰+水泥(D,E组)改良的滨海盐渍土进行击实试验、室内承载比(CBR)试验、干湿循环试验、不同改良类型下的水稳性试验,具体配合比方案如表2所示。

表2 盐渍土改良配合比方案Table 2 Mix ratio scheme of saline soil improvement

1.2.2试验过程

1)击实试验 根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》,对固化盐渍土进行重型击实试验。将风干土样碾碎过2mm筛,采用干土法按表2配合比方案制备试样,以2%的梯度配置一系列不同含水率的试样,并闷料12h,再采用标准重型击实筒,分5层进行击实,每层27下。根据试验结果得到各改良配合比条件下固化盐渍土的最优含水率和最大干密度。

2)室内承载比(CBR)试验 采用击实仪重型击实试验的操作,按98%的击实度制备各配合比条件下最优含水率的试样,并对各试样进行泡水,水面高于荷载板顶面25mm,浸水4d后测量其膨胀量。采用多功能路面材料强度测试仪以1mm/min的速度进行贯入试验,得到试样的单位压力与贯入量曲线,计算各配合比条件下固化盐渍土的CBR值。

3)水稳性试验 试验制样采用三轴静压膜,制成压实度为96%、尺寸为φ39.1×80的圆柱样,利用击实法分3次击实成样。根据上述试验结果,选择性制备编号为A0,A3,B3,C3,D3,E3两组平行试样,在湿度>90%,温度为20℃左右的环境中养护7d,第7d将试样放入20℃的水中浸水24h,然后测定试样的无侧限抗压强度。

4)干湿循环试验 试验制样与水稳性试验制样一致,养护7d后,将试样切削为39mm高的圆柱体进行干湿循环试验(见图3)。先将削切完毕的试样浸没在室温水中,水面高出试样25mm,浸水12h,再取出试样擦干表面水分放置在105℃的烘箱中烘干12h,为1次干湿循环,记录每次干湿循环后试样的质量。

图3 干湿循环试样Fig.3 Sample of dry and wet cycle

2 试验结果分析

2.1 固化盐渍土的击实特性变化规律

不同组合掺量条件下固化盐渍土击实特性规律曲线如图4所示。由图4可知,盐渍土素土的最优含水率为12.7%,经改良后固化盐渍土的最优含水率均高于此值,随着改良剂的增加,最优含水率总体呈增加的趋势;盐渍土素土的最大干密度为1.96g/cm3,经改良后固化盐渍土的最大干密度均低于此值,随着改良剂的增加,最大干密度总体呈现减小趋势。

图4 固化盐渍土击实特性规律曲线Fig.4 Compaction characteristic curve of cured saline soil

单掺生石灰条件下,生石灰掺量为2%～4%时,固化盐渍土的最优含水率随石灰掺量增加明显增大,当石灰含量>4%后,固化盐渍土的最优含水率变化不明显,稳定在15%左右;单掺生石灰改良后盐渍土的最优含水率整体明显高于其他改良剂组合条件下固化盐渍土的最优含水率,最大干密度整体低于其他改良剂组合条件下的最大干密度;生石灰和粉煤灰二掺条件下,随着粉煤灰加入后,固化盐渍土的最优含水率比单掺石灰时明显降低,但整体随生石灰和粉煤灰掺量的增加呈上升趋势,生石灰与粉煤灰比值为1∶2时,且生石灰掺量>6%后,固化盐渍土最优含水率随改良剂掺量的增加明显增大,最大可达16.2%,最大干密度随改良剂掺量的增加明显减小;当盐渍土掺入水泥后,降低了固化盐渍土最优含水率在不同生石灰掺量影响下的敏感性,导致最优含水率随生石灰掺量的增加变化不明显,最大干密度高于其他未掺水泥条件下氯盐盐渍土的最大干密度,另外,随水泥掺量由2%增加到4%后,固化盐渍土的最优含水率稍有增大,最大干密度稍有减小,变化不明显。

生石灰、粉煤灰掺入盐渍土加水发生水解和水化等各种复杂化学反应,在反应过程中改良剂吸收了大量的水分,使固化盐渍土的最优含水率增大,同时反应生成蜂窝结构的结晶水化合物,其密度相对于盐渍土较小,并充当了一部分固化盐渍土的固体颗粒,占据了一定体积,导致最大干密度呈减小趋势,且小于盐渍土素土的最大干密度[11]。水泥加入后降低了生石灰和粉煤灰掺量对固化盐渍土最优含水率的影响,使固化盐渍土的最优含水率相对稳定,相对于生石灰+粉煤灰改良后固化盐渍土的干密度也有所增加,说明生石灰+粉煤灰+水泥联合固化对盐渍土的改良效果较好。

三掺改良后的固化盐渍土最优含水率有所提高且相对稳定,干密度也比单掺和双掺的固化盐渍土高,根据击实变化规律,考虑到经济性,推荐生石灰(2%～4%)+粉煤灰(2%～4%)+水泥(2%～4%)。

2.2 固化盐渍土的室内承载比(CBR)的变化规律

固化盐渍土CBR试验结果如表3、图5,6所示。由表3可知,通过室内承载比试验得到未改良滨海盐渍土的CBR值为2.2%,远不能满足对路基填料的最小要求。在试验现有配合比条件下,经改良剂改良后滨海盐渍土CBR值最低为7.6%,均远高于素土CBR值,编号E3配合比条件下的CBR值高达88.5%。

表3 固化盐渍土CBR试验结果Table 3 CBR test results of cured saline soil

图5 固化盐渍土承载比(CBR)变化规律曲线Fig.5 Variation curve of bearing ratio (CBR) of solidified saline soil

由图5和表3可知,单掺生石灰条件下,改良盐渍土的CBR值要小于其他改良条件下的固化盐渍土的CBR值,生石灰掺量为2%～4%时,固化盐渍土的CBR值随生石灰掺量的增加而增加,当生石灰掺量超过4%时,固化盐渍土的CBR值在30%左右波动;加入粉煤灰后改良盐渍土的CBR值有所增加,生石灰与粉煤灰以1∶1的比例掺入盐渍土时,随着两者掺量的增加,固化盐渍土的CBR值曲线呈波动型增加趋势,当生石灰与粉煤灰以1∶2的比例掺入盐渍土时,随着两者掺量的增加,固化盐渍土的CBR值曲线呈上升趋势,生石灰掺量超过6%后呈下降趋势,这是因为过多的粉煤灰存在于盐渍土中,导致加固土体内部结构变得松散,且未形成一定的强度,局部抗剪强度变小,CBR值也随之变小。

由图5可知,水泥的加入可明显提高固化盐渍土的CBR值,且远高于其他改良类型条件下固化盐渍土的CBR值,最高可达88.5%。4%水泥掺量的固化盐渍土CBR值明显高于2%水泥掺量的固化盐渍土CBR值,且并没有因为过量粉煤灰的掺入而导致CBR值减小,究其原因,可能是因为水泥加入盐渍土后硬凝反应生成了强度较高的结构骨架,更大程度地限定了固化盐渍土中固体颗粒(包括盐渍土固体颗粒及未反应的粉煤灰颗粒)的移动,可有效改善过量粉煤灰造成的盐渍土土体内部松散问题,提高盐渍土的局部抗剪强度,提高固化盐渍土的CBR值。

由表3和图6可知,改良后固化盐渍土的膨胀率相对于盐渍土素土的膨胀率有所减小,但固化后盐渍土膨胀率整体呈随改良剂掺量增加而增加的趋势,造成这种增加趋势的原因可能是随着生石灰和粉煤灰含量的增加,过量的粉煤灰和生石灰在泡水阶段继续与水反应,生成蜂窝状结构产物,吸水性增强,导致土体膨胀,这也是改良剂超过一定阈值后固化盐渍土CBR值减小的原因。水泥的加入可明显改善此原因引起的土体膨胀,且水泥掺量越多,改良效果越明显。

图6 固化盐渍土膨胀率变化规律曲线Fig.6 Curve of expansion rate of solidified saline soil

改良后的固化盐渍土CBR值均满足盐渍土作为路基填料的要求,但固化盐渍土中生石灰和粉煤灰与水反应的膨胀性不可忽略,因此建议生石灰和粉煤灰掺量控制在6%以下,水泥水化结构对生石灰和粉煤灰与水产物起到限定作用,基于本试验建议水泥掺量为2%～4%。

2.3 水的作用下固化盐渍土稳定性分析

2.3.1干湿循环

干湿循环作用后固化盐渍土外观形态变化如图7所示。试验过程中未改良盐渍土在第1次干湿循环浸水阶段已完全崩解。由图7可知,固化盐渍土在经历60次干湿循环后,未发生强烈的崩解现象,仅表面出现一些掉皮掉块。

图7 干湿循环60次后固化盐渍土形态变化Fig.7 Morphological changes of cured saline soil after 60dry-wet cycles

其中改良剂产量较低的A1和B1试件表面在干湿循环条件下表面破坏严重,如图8所示。由图8a可知,A1,B1两试件质量损失较多,C1表面破坏程度次之,掺加有水泥的固化盐渍土D1和E1的破坏程度较低,形态较完整;改良剂掺量较高的A5,B5,C5,D4和E4试样破坏程度较低,试件完整程度相对较高,这5个试件质量损失较小。

图8 干湿循环试验结果Fig.8 Results of dry and wet cycle test

由图8a可知,干湿循环30次和50次后固化盐渍土出现质量突变现象。试件A1,B1和C1的质量随干湿循环次数的增加呈明显下降趋势,说明生石灰和粉煤灰低掺量的固化盐渍土抵抗干湿循环的能力相对较差;加入水泥后的试件D1和E1随干湿循环次数的增加质量减小较少,可见盐渍土掺入水泥后可明显改善干湿循环的极端环境对固化盐渍土稳定性的影响。由图8b可知,经过60次干湿性循环,固化盐渍土的质量损失率随生石灰含量的增加而减小,质量损失率趋于稳定在1%左右,远小于其他改良试验组,因此水泥掺量为4%时,控制生石灰和粉煤灰的掺量大于4%,能达到较好的改良效果。经过生石灰、粉煤灰和水泥三掺条件下的固化盐渍土,其质量损失率较低,且随改良剂掺量的增加,固化盐渍土的质量损失变化不明显,可有效改善盐渍土性质。

2.3.2水稳性

未经改良的盐渍土试件泡水仅12h(见图9),试件完全崩解成细小颗粒,无法测其强度,水稳性极差。经过改良后的固化盐渍土浸水24h后,试件外观并未出现明显变化,完整性较好。

图9 A0浸水24hFig.9 A0 immersed in water for 24h

水稳性试验结果如图10所示,由图10可知,未浸水的固化盐渍土无侧限抗压强度(q0)明显高于浸水后固化盐渍土的无侧限抗压强度(qi),qi与q0的比值定义为水稳系数K:

图10 水稳性试验结果Fig.10 Results of water stability test

(1)

由图10可知,改良条件下,固化盐渍土的水稳系数均在50%左右,而素盐渍土的水稳系数则为0。控制生石灰掺量相同时,不同改良类型固化盐渍土的水稳系数由大到小为:生石灰+粉煤灰+水泥固化盐渍土>生石灰+粉煤灰固化盐渍土>生石灰固化盐渍土>素盐渍土。改良剂的加入,使盐渍土颗粒之间形成更坚固的联结,能明显提高盐渍土的水稳性。

经过24h浸水,固化盐渍土的无侧限抗压强度有所降低,水稳系数在50%左右,相比于素盐渍土,生石灰+粉煤灰+水泥联合固化方法对滨海盐渍土水稳性已经有明显的改善,可以用于工程应用中。

综合试验结果,建议在该类盐渍土地区的路基建设过程中,合理采用生石灰+粉煤灰+水泥联合固化的方法改良滨海盐渍土。根据本次试验结果,针对相似地区盐渍土的改良,推荐改良剂最优掺量组合为:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。

3 结语

1)随着改良剂掺量的增加,固化盐渍土的最优含水率呈上升趋势,且均高于素土,最高可达16.2%;最大干密度呈下降趋势,且均低于素土。

2)改良后的固化盐渍土CBR值均明显高于CBR值为2.2%的素土。当生石灰掺量超过4%后,单一生石灰固化盐渍土的CBR值稳定在30%左右;而双掺条件下固化盐渍土的CBR值随着生石灰掺量的增加呈先增加后减小的趋势,存在一个阈值;水泥加入使固化盐渍土的CBR值明显增加,最高达88.5%。固化盐渍土的膨胀率随改良剂掺量的增加而增加,但整体趋势低于素土。

3)干湿循环作用下,固化盐渍土试件仅表面出现破坏现象,整体未发生明显崩解。固化盐渍土试件质量随干湿循环次数的增加逐渐降低,改良剂产量越少,质量损失越多,随着改良剂掺量的增加,经过60次干湿循环后各试件质量损失率稳定在1%左右。生石灰+粉煤灰+水泥联合改良的盐渍土在60次干湿循环后试件的完整程度较高,质量损失率较低。

4)固化盐渍土的水稳系数均在50%左右波动,不同改良类型条件下固化盐渍土水稳系数由大到小为:生石灰+粉煤灰+水泥固化盐渍土>生石灰+粉煤灰固化盐渍土>生石灰固化盐渍土>素盐渍土。

5)综合改良后盐渍土的路用性和水稳性试验结果,建议改良剂最优掺量组合为:4%生石灰+4%粉煤灰+4%水泥。